一种厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法。

背景技术：

我国许多矿区煤层开采经常遇到层状复合顶板，由于其节理发育、层间黏结力小，巷道开挖后容易发生离层、变形和破坏。尤其是厚层复合顶板更表现出岩层强度低、层间容易离层、整体稳定性差等特征，且松软岩层累计厚度较大，仅靠常规的锚杆、锚索锚固方式不能满足顶板控制的要求，若控制不当往往会发生冒顶事故。据统计，此类顶板事故发生比例占煤矿事故总数的主体，人员伤亡情况也不容小视。因此，厚层复合顶板煤巷围岩稳定性控制是国内外亟待解决的技术难题之一。

目前，煤矿巷道常规的控制方式有锚杆－锚索锚固、锚杆－锚索－架棚锚护、架棚支护以及喷浆、注浆等，这些方式在不同条件下均发挥了各自应有的作用。但对于厚层复合顶板煤巷来说，对如何将浅部、中深部和深部岩层锚固为一个整体的研究和利用还存在不足，从而降低了锚固效能，不能实现厚层复合顶板煤巷或其它松软破碎巷道围岩的稳定性控制。

因此，如何实现通过对锚杆(索)锚固变量及锚固结构力学性能的协同设计，在厚层复合顶板中形成具有一定厚度、强度和刚度的协同锚固复式结构，从而实现对该类复杂松软岩性顶板围岩的有效控制，减少顶板事故发生，对实现巷道围岩稳定性控制以及安全生产具有重要意义。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法，用以解决现有厚层复合顶板煤巷控制难度大、成本高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法，包括如下步骤：

步骤一：采用地质雷达探明煤巷厚层复合顶板松动圈范围，确定多级锚固结构区域范围和锚杆长度；

步骤二：在新掘断面的顶板浅部围岩钻装锚杆，形成浅层锚固结构；

步骤三：钻装中长锚索，形成浅层-中深层锚固结构；

步骤四：钻装长锚索，形成浅层-中深层-深层协同锚固复式结构。

进一步地，步骤三中，当浅层锚固结构岩体的变形速率从快速转向平缓时，采用中长锚索将浅层锚固结构岩体与顶板中深部岩层进行协同锚固，形成浅层-中深层锚固结构；

步骤四中，当浅层-中深层锚固结构岩体的变形速率趋向平缓时，钻装长锚索，将浅层-中深层锚固结构岩体与顶板深部岩层协同锚固，形成浅层-中深层-深层协同锚固复式结构。

进一步地，步骤一中，地质雷达探测前先选定厚层复合顶板煤巷的探测位置，并布置探测线；根据巷道围岩完整性，在每条巷道布置3个测站，每个测站沿巷道走向设定右帮、顶板、左帮、底板4条走向探测线。

进一步地，步骤二中，同排锚杆眼钻孔时，先按锚杆间距钻打靠近顶板轴中线左右位置的两个锚杆眼，然后依次铺设钢筋网、架设锚杆用钢带，完成锚杆的安装。

进一步地，采用钢带对锚杆、中长锚索和长锚索进行连锁；其中，对锚杆进行横向连续连锁，对中长锚索进行纵向间断连锁，对长锚索进行纵向连续连锁，形成网格状承载结构。

进一步地，锚杆、中长锚索、长锚索采用锚固剂进行加长锚固；锚固剂包括快速锚固剂、中速锚固剂中的一种或两种，且快速凝固的锚固剂装在孔底；锚杆的锚固长度不低于1000mm，中长锚索的锚固长度不低于2000mm，长锚索的锚固长度不低于2500mm。

进一步地，完成新掘断面顶板锚杆钻装后对浅层锚固结构岩体变形监测；完成中长锚索的钻装后，对浅层-中深层锚固结构岩体变形监测。

进一步地，步骤二中，锚杆按照如下角度钻装：顶板靠两帮肩角的锚杆与铅垂线的夹角均为30°，两帮最上端锚杆上扎角度均为15°、最下端锚杆下扎角度均为30°，其余锚杆垂直于巷道轮廓线安装；

步骤三中，中长锚索孔的钻眼角度与铅垂线的夹角为0°；

步骤四中，顶板靠肩角的长锚索与铅垂线的夹角均为30°，其余长锚索垂直于巷道轮廓线安装。

进一步地，锚杆长度超出巷道围岩松动圈范围300～500mm；中长锚索长度比锚杆长1500～2000mm；长锚索长度比中长锚索长3000～4000mm。

进一步地，中长锚索锚入较完整的上部岩层中，长锚索锚入深部较稳固岩层的深度大于1000mm。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：

a)本发明提供的厚层复合顶板煤巷协同锚固复式结构的建造方法，基于协同作用机理，对锚杆、锚索、锚网与巷道围岩的多个关键变量进行协同设计，采用锚杆、中长锚索、长锚索对巷道顶板岩体分层进行协同锚固，形成协同锚固复式结构，充分发挥了浅部、中深部和深部岩层的协同锚固作用和协同承载性能，更有效地阻抗厚层复合顶板各岩层之间的离层、破碎和变形，显著提升该结构的承载能力和抗变形能力，进而实现对该类顶板围岩稳定性的有效控制，促进煤矿安全、经济、高效生产。

b)本发明提供的厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法，采用锚杆、中长锚索、长锚索对巷道顶板岩体分层进行协同锚固，形成浅层锚固结构、浅层-中深层锚固结构、浅层-中深层-深层协同锚固复式结构，施工简便易行，锚护成本低，解决了复杂厚层复合顶板煤巷的控制难题，且适用于其它松软破碎工程岩体的控制，具有较大的应用和推广价值。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例中巷道围岩松动圈走向探测线布置示意图；

图2为实施例中巷道围岩松动圈横向探测线布置示意图；

图3为实施例中协同锚固复式结构剖面示意图；

图4为图3中ⅰ区域的局部放大图；

图5为图3中ⅱ区域的局部放大图；

图6实施例中协同锚固复式结构平面示意图。

附图标记：

1-锚杆；2-中长锚索；3-长锚索；4-钢筋网；5-锚杆用钢带；6-锚杆托盘；7-螺母；8-锚索用钢带；9-锚索托盘；10-锁具；11-走向探测线；12-横向探测线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法，包括如下步骤：

步骤一：采用地质雷达探明煤巷厚层复合顶板松动圈范围，根据顶板松动圈范围确定多级锚固结构区域范围和锚杆1长度。具体包括如下步骤：

(1)先选定厚层复合顶板煤巷的探测位置，并布置探测线。布置巷道围岩松动圈探测测线按照如下步骤进行：根据巷道围岩完整性一般、较差、差等情况将每条巷道分为3个测站，每个测站沿巷道走向设定右帮、顶板、左帮、底板4条走向探测线11，且每条探测线的长度为20m左右，如图1所示。每个测站又均匀布置3个测点，每个测点按逆时针方向沿处于巷道同一断面的右帮、顶板、左帮、底板形成4条横向探测线12，如图2所示，进行探测时需标明4条探测线12的长度。

(2)完成探测线11、12布置后，采用地质雷达设备对井下巷道围岩松动圈进行探测，获得探测数据，其中，需探测巷道的数量根据井下条件及要求具体确定。

(3)对探测数据进行处理、分析和研究，获得巷道围岩松动圈探测结果。

(4)根据获得的巷道围岩松动圈探测结果，确定多级锚固结构区域范围和锚杆1长度。具体的，根据巷道围岩松动圈范围大小和分布规律，对巷道围岩结构进行分类，优选将巷道围岩划分为三级锚固结构，根据各级锚固结构及其范围，确定锚杆1、中长锚索2和长锚索3的长度。本步骤中的锚固方式是指：采用锚杆1对巷道顶板浅部围岩尤其是松动圈范围岩体进行协同锚固，形成浅层锚固结构，如图3中的a区域；采用中长锚索2将锚杆1锚固岩体与顶板中深层岩体进行协同锚固，形成浅层-中深层锚固结构，如图3中的a+b区域；采用长锚索3将锚杆1锚固岩体、中长锚索2锚固岩体与顶板深部岩层协同锚固成一个整体，形成浅层-中深层-深层协同锚固复式结构，如图3中的a+b+c区域。

步骤二：在新掘断面的顶板浅部围岩钻装锚杆1，形成浅层锚固结构。

巷道开挖后，采用锚杆1对巷道顶板浅部围岩尤其是松动圈范围内的岩层进行协同锚固，即在新掘断面的顶板浅部围岩钻装锚杆1，形成浅层锚固结构a。

在进行锚杆1施工前，完成锚杆1眼钻孔和铺设锚网。优选地，锚网选用钢筋网4，规格可根据巷道断面大小具体选定，并按设计规范进行有效搭接和捆绑。具体步骤如下：

(1)根据煤巷围岩松动圈的探测结果，选定锚杆1长度。优选地，锚杆1长度超出巷道围岩松动圈范围300～500mm。

(2)根据锚杆1的长度布置设计进行锚杆1眼钻孔，钻孔深度＝锚杆1长度－50mm。考虑到煤层顶板的安全和有利于钢带的安装，同排锚杆1眼钻孔时，先按锚杆1间距钻打靠近顶板轴中线左右位置的两个锚杆1眼，然后依次铺设钢筋网4、锚杆用钢带5，完成锚杆1的安装。锚杆1采用锚杆用钢带5沿巷道横断面进行连续连锁。

(3)完成锚杆1眼钻孔后，按照锚杆用钢带5预留的锚杆1眼位置，分别钻打靠近两帮肩角的两个边锚杆1眼，并完成安装。然后再按同样要求完成同一断面的其它锚杆1的钻装，其他端面锚杆1施工亦如此。其中，锚杆1的钻装按照如下设计角度施工：顶板靠两帮肩角的锚杆1与铅垂线的夹角θ2均为30°，两帮最上端锚杆1上扎角度θ3均为15°、最下端锚杆1下扎角度θ4均为30°，其余锚杆1垂直于巷道轮廓线钻装。

(4)按照巷道每次掘进进尺，完成新掘断面所有锚杆1钻装后，即时按要求布置该部分岩体变形监测，记录相关数据并做好处理、分析。

步骤二中，锚杆1安装时，使用矿用树脂锚固剂进行加长锚固，锚固长度不低于1000mm，以满足高锚固力要求。示例性的，使用2条长500mm的快速锚固剂，凝结时间为60～70s，能够满足现场施工要求。待锚固剂搅拌和凝结后，安装锚杆1托盘6、螺母7，先使用锚杆1钻机将螺母7钻实，再用风动板手将螺母7拧紧，直至顶板锚杆1预紧力达到100kn左右，帮部锚杆1预紧力达到80kn左右。

步骤三：钻装中长锚索2，形成浅层-中深层锚固结构。

待完成新掘断面锚杆1对巷道顶板浅部围岩协同锚固后，根据步骤二中即时监测浅层锚固结构岩体变形速度和变形量，分析浅层锚固结构岩体的变形规律，当浅层锚固结构岩体的变形速率从快速转向平缓时，采用中长锚索2将浅层锚固结构岩体与顶板中深部岩层进行协同锚固，形成浅层-中深层锚固结构a+b。具体步骤如下：

(1)根据中长锚索2布置设计，进行中长锚索2钻眼。中长锚索2钻眼可与锚杆1眼同步进行，也可以按照施工顺序依次分批进行。中长锚索2孔的钻眼角度与铅垂线的夹角为00。

(2)根据顶板煤巷的松动圈范围的结果，综合考虑锚杆1长度、岩层结构与厚度等因素，选定中长锚索2长度。优选地，中长锚索2长度比锚杆1长1500～2000mm，且需锚入较完整的上部岩层中。中长锚索2钻孔长度＝中长锚索2长度－200mm。

(3)中长锚索2采取加长锚固方式，使用矿用树脂锚固剂，锚固长度不低于2000mm，以满足高锚固力要求。示例性的，采用4条长500mm的树脂锚固剂，其中，先将2条快速锚固剂装入孔底，凝结时间为60～70s；，再装入2条中速锚固剂，凝结时间为90～100s；然后实施中长锚索2的钻装。

(4)待锚固剂搅拌和凝结后，及时安装锚索用钢带8、锚索托盘9和锁具10，再用锚索张拉仪进行张拉，直至预紧力达到150kn左右完成安装。

步骤三中，完成中长锚索2的钻装后，即时按要求进行顶板围岩变形监测，记录相关数据并进行处理、分析。

步骤四：钻装长锚索3，形成浅层-中深层-深层协同锚固复式结构。

完成中长锚索2钻装后，根据步骤三中即时监测浅层-中深层锚固结构岩体变形速度和变形量，分析浅层-中深层锚固结构岩体的变形规律，当浅层-中深层锚固结构岩体的变形速率趋向平缓时，钻装长锚索3，并将浅层-中深层锚固结构岩体与顶板深部岩层协同锚固成为一个整体，形成浅层-中深层-深层协同锚固复式结构a+b+c。具体步骤如下：

(1)根据长锚索3布置设计，进行长锚索3钻眼。长锚索3钻眼可与中长锚索2钻眼同步进行，也可以按照施工顺序依次分批进行。示例性的，顶板靠两帮肩角的长锚索3与铅垂线的夹角θ1均为30°，其余长锚索3垂直于巷道轮廓线安装。

(2)根据顶板岩层结构确定长锚索3长度。优选地，长锚索3长度比中长锚索2长3000～4000mm，且能够锚入深部较稳固岩层的深度大于1000mm。长锚索3的钻孔长度＝长锚索3长度－200mm。

(3)按设计方案进行长锚索3安装，长锚索3采用加长锚固方式，使用矿用树脂锚固剂，锚固长度不低于2500mm，以满足高锚固力要求。示例性的，采用5条长500mm的树脂锚固剂，其中，先将2条快速锚固剂放入孔底，凝结时间为60～70s；再装入3条中速锚固剂，凝结时间为90～100s；然后实施长锚索3的钻装。

(4)待锚固剂搅拌和凝结后，安装锚索用钢带8、锚索托盘9和锁具10，再用锚索张拉仪对长锚索3施加200kn左右的预紧力，以满足高预紧力要求。本实施例中的长锚索3采用锚索用钢带8沿巷道走向进行连续式连锁。

本实施例中，锚杆1、中长锚索2和长锚索3的直径相等，锚杆1(中长锚索2、长锚索3)直径、树脂锚固剂、钻孔直径要满足三径匹配要求，锚杆1(中长锚索2、长锚索3)直径＜树脂锚固剂直径＜钻孔直径，且锚杆1(中长锚索2、长锚索3)与树脂锚固剂、树脂锚固剂与钻孔的直径差值均在3～5mm之间，以更好地满足锚固力要求，提高锚固结构的稳定性。采用的树脂锚固剂分为快速锚固剂、中速锚固剂两种。优选地，快速锚固剂的凝结时间为60～70s，中速锚固剂的凝结时间为90～100s，锚固剂长度为500mm/条，能够更好地满足现场施工要求。

本实施例中的锚杆1、中长锚索2、长锚索3、钢筋网4、锚杆用钢带5、锚杆托盘6、螺母7、锚索用钢带8、锚索托盘9、锁具10均按图3至图6进行施工。示例性的，锚杆托盘6规格为150×150×10mm，锚索托盘9规格为300×300×20mm；均采用w型钢带，锚杆用钢带5规格为220×2.5mm，锚索用钢带8的规格为280×3.0mm。

本发明针对复杂厚层复合顶板煤巷的支护创新性地提出了协同锚固方法，通过对锚杆1、中长锚索2、长锚索3在钻装时机、预紧力大小、锚固长度选择、钻装角度等方面进行了协同设计，具体体现在以下几方面：

(1)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在变形让压和安装时机上实现协同，具体的，巷道开挖且完成临时支护后，迅速钻装锚杆1；待锚杆1锚固岩体变形速率从快速趋于平缓且完成初次让压时，随即钻装中长锚索2；待中长锚索2锚固岩体变形趋于平缓且完成二次让压时，随即钻装长锚索3。

(2)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在长度上实现协同，具体的，锚杆1长度超出巷道围岩松动圈范围300～500mm，中长锚索2长度比锚杆1长1500～2000mm，长锚索3长度比中长锚索2长3000～4000mm。通过不同锚固材料的协调配合，能够形成更加合理的锚固结构，其中，巷道围岩松动圈用地质雷达现场测定。

(3)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在预紧力上实现协同。具体的，顶板锚杆1预紧力为100kn，帮部锚杆1预紧力为80kn，中长锚索2预紧力为150kn，长锚索3预紧力为200kn，通过预紧力逐次由小到大施加，能够满足高预紧力和协同作用的要求。

(4)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在锚固长度和锚固力上实现协同。锚杆1锚固的长度不低于1000mm，中长锚索2锚固长度不低于2000mm，长锚索3锚固长度不低于2500mm，可采用快速、中速锚固剂匹配使用。根据锚杆1、中长锚索2和长锚索3的长度来合理选择其锚固长度，能够在满足高锚固力要求的同时，实现与高预紧力的协调。

(5)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在钻装角度上实现协同。顶板靠两帮肩角锚杆1与铅垂线的夹角θ2均为30°，两帮最上端锚杆1上扎角度θ3为15°、最下端锚杆1下扎角度θ4为30°，其余锚杆1垂直于巷道轮廓线安装；中长锚索2孔的钻眼角度与铅垂线的夹角为0⁰；顶板两帮靠肩角长锚索3与铅垂线的夹角θ1均为30°，其余锚索垂直于巷道轮廓线安装。上述角度设计，能够在巷道周边形成相对均匀的锚固区域，有效避免肩角、底角处形成明显的应力集中区域。同时，顶板靠肩角的锚杆1、长锚索3向帮部偏入一定角度，可以起到“斜拉”作用，防止顶板冒顶；底角锚杆1下扎一定角度，能够有效防治底鼓。

(6)锚杆1、中长锚索2、长锚索3在结构布置上实现协同。采用钢带对锚杆1进行横向连续连锁，对中长锚索2进行纵向间断连锁，对长锚索3进行纵向连续连锁，加上锚网的作用，能够形成纵横交错的网格状承载结构，可更好地实现应力扩散和均匀承载。

此外，鉴于厚层复合顶板煤巷力学性能较差，严格按照设计方案和相关要求提高施工质量，并全面加强现场监测，通过巷道变形、来压等综合数据分析来判定巷道围岩稳定性状况，以此对存在的问题进行优化和完善，从而形成适用于工程实况的协同锚固复式结构。

与现有技术相比，本实施例提供的厚层复合顶板煤巷的协同锚固复式结构的建造方法，基于协同作用机理，对锚杆1、锚索、锚网与巷道围岩的多个关键变量进行协同设计，通过发挥锚固材料之间、锚固材料与岩层之间的协同作用，最终形成适用于厚层复合顶板的协同锚固复式结构，即采用锚杆1对巷道顶板浅部围岩尤其是松动圈岩体进行协同锚固，形成浅层锚固结构；采用中长锚索2将锚杆1锚固岩体与顶板中深层岩体进行协同锚固，形成浅层-中深层锚固结构；采用长锚索3将锚杆1锚固岩体、中长锚索2锚固岩体与顶板深部岩层协同锚固成一个整体，形成具有较大厚度、强度和刚度的浅层-中深层-深层协同锚固复式结构，该协同锚固复式结构充分发挥了浅部、中深部和深部岩层的协同锚固作用和协同承载性能，更有效地阻抗厚层复合顶板各岩层之间的离层、破碎和变形，显著提升该结构的承载能力和抗变形能力，进而实现对该类顶板围岩稳定性的有效控制，促进煤矿安全、经济、高效生产。该方法施工简便易行，锚护成本低，解决了复杂厚层复合顶板煤巷的控制难题，且适用于其它松软破碎工程岩体的控制，具有较大的应用和推广价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。