一种松软厚煤层巷道分次支护结构和支护方法

1.本发明涉及矿山巷道支护技术领域，特别涉及一种松软厚煤层巷道分次支护结构和支护方法。


背景技术：

2.目前，我国国民经济的持续高速发展，对能源特别是煤炭资源的需求越来越大，浅部煤炭资源已经逐步匮乏，我国煤矿开采特别是东部及东北部矿区已经进入了深部开采范畴。我国煤炭资源埋深在1000 m以下的储量有2.95
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12 t，大约占我国煤炭资源总储量的53%。据不完全统计，现阶段我国已经有数百对矿井开采深度超过1000 m，其中，开滦局的赵各庄矿、新汶局的孙村煤矿、华丰煤矿等矿井采深已达1300 m，同时，我国国有重点煤矿平均开采深度正在以10-25 m/a的速度逐年增加，预计在未来20年我国将有更多煤矿进入1000-1500 m的开采深度范围，与之相对应的是由于开采条件的日益复杂以及深度的不断增加，越来越多的深部巷道呈现出软岩巷道的特征，这与采用传统的支护方式和方法具有非常大的区别，同时一些在浅部开采过程中未出现或甚少出现的工程灾害问题也在深部开采中以更加明显的方式显现出来。尤其在深部松软厚煤层综采放顶煤工作面巷道掘进施工中，顺槽和切眼均沿煤层底板在煤层中掘进，深部松软厚煤层巷道围岩体呈现了明显的大变形以及长时间持续流变的特性，煤顶和两帮煤壁在掘进施工时极易片帮冒顶，这对井巷工程施工及支护技术提出了更高的要求，深部松软厚煤层巷道支护问题也逐步成为深部开采的难题之一。
3.深部松软厚煤层巷道由于松软煤顶钻孔时松动圈大，难以成孔，无法锚杆（索）支护，到目前为止国内外仍然没有完全有效手段解决深部松软厚煤层巷道大变形难支护问题，一般采用半圆拱u型钢棚支护，每循环需采用人工打撞楔超前护顶方式，单进效率低，劳动强度大，安全隐患多。不仅影响采掘平衡，同时给工作面回采时顺槽应用超前液压支架带来困难，影响回采效率。所以需要一种能满足深部松软厚煤层巷道支护要求的高强度支护效果的巷道分次支护方法及支护结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种松软厚煤层巷道分次支护结构和支护方法，具备整体强度高，支护效果好的优点，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种松软厚煤层巷道分次支护结构，包括：超前支护结构，所述的超前支护结构采用骨架注浆锚杆，所述骨架注浆锚杆紧贴迎头棚梁上沿设置，骨架注浆锚杆与巷道顶板夹角呈仰角布置，骨架注浆锚杆与巷道方向一致，确保在同一进度形成一个平面；初次支护结构，所述的初次支护结构覆盖在超前支护结构的外侧，初次支护结构包括钢筋网和u型钢棚，钢筋网布置在巷道的帮部上，巷道顶板和帮部安装u型钢棚，将顶板
和帮部处的u型钢棚进行搭接形成拱型钢棚支护结构体；所述的拱型钢棚支护结构体在初次支护结构支护的范围内沿巷道走向均匀设置；加强支护结构，包括锁腿锚杆、高强锚索和中空注浆锚索，所述的高强锚索和中空注浆锚索穿过超前支护结构和初次支护结构形成的加固区域并伸入巷道岩层中，所述的锁腿锚杆安装于巷道帮部，所述锁腿锚杆、高强锚索和中空注浆锚索的托盘将相邻的拱型钢棚支护结构体连接固定，增强拱型钢棚支护结构体的稳定性。
6.优选的，所述的骨架注浆锚杆与巷道顶板夹角呈仰角3～5
°
。
7.优选的，所述的骨架注浆锚杆在同一个平面内的间距不大于200mm，外露不大于150mm。
8.优选的，所述的锁腿锚杆设置于巷道帮部，在煤层和岩层均有布置，所述的锁腿锚杆沿巷道走向上、下交错布置，所述的锁腿锚杆的托盘将相邻两个拱型钢棚支护结构体支腿处的u型钢棚连接固定。
9.优选的，所述的锁腿锚杆距离巷道底板1000mm或2000mm。
10.优选的，所述的高强锚索和中空注浆锚索的布置方式为：所述的拱型钢棚支护结构体两个为一组，在一组的两个拱型钢棚支护结构体之间设置不少于两个的高强锚索或中空注浆锚索，且高强锚索或中空注浆锚索相对于拱型钢棚支护结构体自身长度方向对称均衡的布置，所述的高强锚索和中空注浆锚索在巷道的长度方向间隔布置；两组拱型钢棚支护结构体之间设置一个高强锚索或中空注浆锚索，所述的一个高强锚索或中空注浆锚索对应拱型钢棚支护结构体自身长度的中心布置，且所述的一个高强锚索或中空注浆锚索在巷道的长度方向间隔布置。
11.优选的，所述托盘开设有槽口，托盘上所开的槽口能够与u型钢棚相咬合。
12.优选的，所述顶板和帮部处的u型钢棚搭接长度分别为100mm，所述顶板处的u型钢棚吻合卡接在位于帮部处的u型钢棚外部，所述的顶板处的u型钢棚靠近搭接范围连接有限位块，所述顶板和帮部处的u型钢棚由若干副抱箍卡缆连接固定。
13.一种松软厚煤层巷道分次支护方法，步骤如下：第一步：巷道帮部围岩环境改善巷道断面开挖根据煤层倾角，使两帮部分置于煤层底板岩层中，提高巷道两帮围岩强度；第二步：巷道顶板围岩超前支护采用骨架注浆锚杆超前支护结构进行超前支护，骨架注浆锚杆长度根据掘进循环进度选定，骨架注浆锚杆紧贴迎头棚梁上沿，间距不大于200mm，外露不大于150mm，骨架注浆锚杆与巷道顶板夹角呈仰角3～5
°
，骨架注浆锚杆与巷道方向一致，确保形成一个平面，利用骨架注浆锚杆注浆，注浆材料、注浆量、注浆压力根据现场煤岩性进行调节，待浆液凝固后，继续向前施工；骨架锚杆以其自身作为骨架，将注浆后的松软煤层连接为一个整体；该步骤中，用骨架注浆锚杆注浆形成超前锚注加固区域，注浆固化顶板，提高巷道顶板稳定性，加固后顶板便于锚杆或锚索钻孔打设，不易塌孔；第三步：巷道围岩u型钢棚初次支护巷道顶板围岩超前支护加固后，首先铺设钢筋网，相邻的两块钢筋网相互搭接，钢筋网的底端搭接处利用钢筋梯和铁丝绑紧；随后在巷道顶板和帮部安装u型钢棚，u型钢棚
覆盖骨架注浆锚杆，在u型钢棚施工时，使u型钢棚棚腿固定在底板岩层中，保证两帮棚腿生根牢固，顶板和帮部的u型钢棚进行搭接形成u型钢棚支护结构体；架棚时，棚梁紧贴上方骨架注浆锚杆，u型钢棚覆盖骨架注浆锚杆时，施工下一循环的骨架注浆锚杆超前锚注加固后再继续进行巷道围岩u型钢棚初次支护，为巷道提供表面支护力，减小巷道表面位移；在此过程中，u型钢棚支护结构体对步骤二中已经形成的超前支护加固区域起到加强支撑的作用；第四步：锁腿锚杆、高强锚索和中空注浆锚索加强支护巷道围岩u型钢棚初次支护后，在巷道顶部施工高强锚索和中空注浆锚索，在数量上，沿巷道走向采用“n1n”的布置方式，在锚索类型上，高强锚索和中空注浆锚索间隔布置；在巷道帮部沿高度方向施工不少于二排锁腿锚杆，所述的锁腿锚杆沿巷道走向上、下交错设置，在岩层和煤层中均有布置；所述的高强锚索和中空注浆锚索穿过初次支护加固区域和超前支护加固区域并伸入巷道岩层中，对顶板形成立体支护；同时锁腿锚杆、高强锚索和中空注浆锚索的托盘将相邻u型钢棚连接固定，随后利用中空注浆锚索注浆，注浆材料、注浆量、注浆压力根据现场煤岩性进行调节，待浆液凝固后，完成一个松软厚煤层巷道分次支护施工循环，为巷道提供深层支护力，形成组合加固拱。
14.优选的，所述巷道设计断面为三心拱形式。
15.优选的，所述骨架注浆锚杆为φ25mm波纹钢中空注浆锚杆。
16.优选的，所述钢筋网采用φ6mm钢筋焊接制成，钢筋网的网片规格为100mm
×
100mm，相邻的两块钢筋网相互搭接，两块钢筋网的搭接长度100mm，相邻的两块钢筋网搭接处用双股12#铁丝双股双排扣绑扎连接。
17.优选的，所述u型钢棚选用u型钢强度不低于u
29
，顶板和帮部处的u型钢棚搭接长度100mm，顶板和帮部处的u型钢棚搭接使用2副限位块、3副抱箍卡缆。
18.优选的，所述托盘采用采用强度不低于u
29
的u型钢加工。
19.本发明提出的一种松软厚煤层巷道分次支护结构和支护方法分为超前支护、初次支护和加强支护三个支护阶段，初次支护和加强支护之间均有一定时间间隔，可以保证在初次支护的前提下进行滞后的加强支护，不影响掘进作业，从而实现二者平行作业，相对缩短支护时间，大大提高巷道掘进速度，实用性强。
20.本发明的技术效果：1）适用于松软厚煤层综放巷道进行安全支护，该巷道分次支护方法及支护结构改变了传统上仅注重顶板支护强度的观念，通过降低巷道位置，加强巷道帮部支护的强度，提高了巷道帮部的自身承载能力，最大程度实现了巷道围岩自身及支护结构的协同支护作用，提高了巷道围岩整体的稳定性，可以大大减少松软厚煤层综放巷道冒顶、底鼓、片帮等灾害事故；2）巷道顶板采用超前锚注加固，先将松软厚煤层在平面内形成形成一个整体结构，防止其碎裂塌陷，提高巷道顶板稳定性，加固后顶板便于锚杆或锚索钻孔打设，不易塌孔；然后利用初次支护的u型钢棚进行加强支护，为巷道提供表面支护力，减小巷道表面位移；再利用高强锚索、中空注浆锚索协同作用，高强锚索和中空注浆锚索穿过初次支护结构加固区域和超前锚注加固区域并伸入巷道岩层中，且利用锁腿锚杆伸入到岩层以及煤层，将u型钢棚的支腿锁固，注浆后对顶板形成立体支护；以上利用超前锚注加固、初次支护的u
型钢棚和高强锚索、中空注浆锚索和锁腿锚杆的共同作用，形成组合加固拱，大大提高了松软厚煤层的支护效果；3）巷道采用u型钢棚被动支护方式，u型钢棚易于施工、成本低廉，承重性能好，能够满足巷道被动支护的刚性要求。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明一种松软厚煤层巷道分次支护结构和支护方法实施例的流程图；图2为巷道断面支护结构示意图；图3为巷道支护结构平面示意图；图4为巷道支护结构剖面示意图；图5为锁腿锚杆7、高强锚索5或中空注浆锚索6托盘与u型钢棚的连接结构示意图；图6为u型钢棚搭接示意图；图7为u型钢棚搭接截面示意图。
23.图中：1-骨架注浆锚杆；2-巷道；3-u型钢棚；4-煤层；5-高强锚索；6-中空注浆锚索；7-锁腿锚杆；8-抱箍卡缆；9-托盘；10-限位块；11-岩层；12-钢筋网。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
25.如图2~7所示，本发明实施例一种松软厚煤层巷道分次支护结构，所述巷道设计断面为三心拱形式，支护结构包括：超前支护结构、初次支护结构和加强支护结构。
26.所述的超前支护结构采用骨架注浆锚杆1，所述骨架注浆锚杆1为φ25mm波纹钢中空注浆锚杆，所述骨架注浆锚杆1紧贴迎头棚梁上沿设置，骨架注浆锚杆与巷道顶板夹角呈仰角3～5
°
布置，骨架注浆锚杆1与巷道2方向一致，确保在同一进度形成一个平面，所述的骨架注浆锚杆1在同一个平面内的间距不大于200mm，外露不大于150mm。
27.所述的初次支护结构覆盖在超前支护结构的外侧，初次支护结构包括钢筋网和u型钢棚。如图4、6-7所示所述钢筋网采用φ6mm钢筋焊接制成，钢筋网的网片规格为100mm
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100mm，相邻的两块钢筋网相互搭接，两块钢筋网12的搭接长度100mm，相邻的两块钢筋网12搭接处用双股12#铁丝双股双排扣绑扎连接，钢筋网布置在巷道的帮部上。巷道顶板和帮部安装u型钢棚，所述u型钢棚选用u型钢强度不低于u
29
，顶板和帮部处的u型钢棚搭接长度100mm，所述顶板处的u型钢棚吻合卡接在位于帮部处的u型钢棚外部。如图6和7所示，所述的顶板处的u型钢棚靠近搭接范围连接有两副限位块10，用于防止顶板和帮部的u型钢棚相互位移，并在每一侧利用3副抱箍卡缆8将顶板和帮部的u型钢棚进行搭接形成拱型钢棚支护结构体；所述的拱型钢棚支护结构体在初次支护结构支护的范围内沿巷道走向间隔一定距离均匀设置。
28.如图2-5所示，所述的加强支护结构，包括锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6，所述的锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6穿过超前支护结构和初次支护结构形成的加固区域并伸入巷道岩层11中。如图5所示，锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6的托盘9开设有两个截面为u形的槽口9-1、锚杆孔9-2以及安装孔9-3，托盘9上所开的槽口9-1能够与u型钢棚3相咬合，锚杆或锚索从锚杆孔9-2穿过，并用螺母固定。托盘9吻合卡接在u形钢棚的外侧，抱箍卡缆卡8卡住u形钢棚3，且其两脚穿过安装孔9-3，并通过螺母紧固，将相邻的拱型钢棚支护结构体连接固定，增强拱型钢棚支护结构体的稳定性，所述托盘9采用采用强度不低于u
29
的u型钢加工。所述的锁腿锚杆7设置于巷道帮部，在煤层4和岩层11均有布置，所述的锁腿锚杆7沿巷道走向上、下交错布置，所述的锁腿锚杆7的托盘9将相邻两个拱型钢棚支护结构体支腿处的u型钢棚3连接固定。所述的锁腿锚杆7距离巷道底板1000mm或2000mm。
29.如图3所示，所述的高强锚索5和中空注浆锚索6的布置方式为：所述的拱型钢棚支护结构体两个为一组，在一组的两个拱型钢棚支护结构体之间设置不少于两个的高强锚索5或中空注浆锚索6，且高强锚索5或中空注浆锚索6相对于拱型钢棚支护结构体自身长度方向对称均衡的布置，所述的高强锚索5和中空注浆锚索6在巷道2的长度方向间隔布置；两组拱型钢棚支护结构体之间设置一个高强锚索5或中空注浆锚索6，所述的一个高强锚索或中空注浆锚索对应拱型钢棚支护结构体自身长度的中心布置，且所述的一个高强锚索5或中空注浆锚索6在巷道2的长度方向间隔布置。
30.如图1所示，一种松软厚煤层巷道分次支护方法，步骤如下：第一步：巷道帮部围岩环境改善巷道断面开挖根据煤层倾角，使两帮部分置于煤层底板岩层11中，提高巷道2两帮围岩强度（如图2所示）；第二步：巷道顶板围岩超前支护采用骨架注浆锚杆1超前支护结构进行超前支护，骨架注浆锚杆1长度根据掘进循环进度选定，骨架注浆锚杆1紧贴迎头棚梁上沿，骨架注浆锚杆1与巷道顶板夹角呈仰角3～5
°
，骨架注浆锚杆1与巷道2方向一致，确保形成一个平面，利用骨架注浆锚杆1注浆，注浆材料、注浆量、注浆压力根据现场煤岩性进行调节，待浆液凝固后，继续向前施工；骨架注浆锚杆1以其自身作为骨架，将注浆后的松软煤层连接为一个整体；该步骤中，用骨架注浆锚杆1注浆形成超前锚注加固区域，注浆固化顶板，提高巷道顶板稳定性，加固后顶板便于锚杆或锚索钻孔打设，不易塌孔（如图4所示）；第三步：巷道围岩u型钢棚初次支护巷道顶板围岩超前支护加固后，首先铺设钢筋网12，相邻的两块钢筋网12相互搭接，钢筋网12的底端搭接处绑紧；随后在巷道顶板和帮部安装u型钢棚3，u型钢棚3覆盖骨架注浆锚杆1，在u型钢棚3施工时，使u型钢棚3棚腿固定在底板岩层11中，保证两帮棚腿生根牢固，顶板和帮部的u型钢棚进行搭接形成u型钢棚支护结构体；架棚时，棚梁紧贴上方骨架注浆锚杆1，u型钢棚覆盖骨架注浆锚杆时，施工下一循环的骨架注浆锚杆超前锚注加固后再继续进行巷道围岩u型钢棚初次支护，为巷道提供表面支护力，减小巷道表面位移；在此过程中，u型钢棚支护结构体对步骤二中已经形成的超前支护加固区域起到加强支撑的作用（如图4所示）；
第四步：锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6加强支护巷道围岩u型钢棚初次支护后，在巷道顶部施工高强锚索和中空注浆锚索，在数量上，沿巷道走向采用“n1n”的布置方式，在锚索类型上，高强锚索5和中空注浆锚索6间隔布置；在巷道帮部沿高度方向施工不少于二排锁腿锚杆，所述的锁腿锚杆沿巷道走向上、下交错设置，在岩层和煤层中均有布置；所述的高强锚索和中空注浆锚索穿过初次支护加固区域和超前支护加固区域并伸入巷道岩层中，对顶板形成立体支护；同时锁腿锚杆、高强锚索和中空注浆锚索的托盘将相邻u型钢棚连接固定，随后利用中空注浆锚索注浆，注浆材料、注浆量、注浆压力根据现场煤岩性进行调节，待浆液凝固后，完成一个松软厚煤层巷道分次支护施工循环，为巷道提供深层支护力，形成组合加固拱（如图2-7所示）。
31.实施例1本实施例通过对松软厚煤层巷道分次支护施工情况的描述，进一步的说明了松软厚煤层巷道分次支护结构，以及松软厚煤层巷道分次支护方法。
32.本实施例中煤层4厚度为7.5m，巷道2设计断面为三心拱形式，巷道2高度为3.5m，宽度为5.0m。如图2所示，将巷道2约1.2m高度布置在煤层4底板岩层中。
33.如图2和图3所示，首先将长2600mm、直径25mm的骨架注浆锚杆1布置到巷道迎头的顶板上，骨架注浆锚杆1布置间距为200mm，外露150mm，骨架注浆锚杆1与巷道2顶板夹角呈仰角3～5
°
。骨架注浆锚杆1布置完成后对每根骨架注浆锚杆1进行注浆，浆液为水泥浆液，水灰比为0.7，注浆压力为2~3mpa，注浆时间为50~150s。
34.如图4、6、7所示，注浆完成后在巷道铺设钢筋网，相邻的两块钢筋网相互搭接，钢筋网的底端搭接处利用钢筋梯和铁丝绑紧，之后进行u型钢棚支护，u型钢棚采用u36的u型钢，巷道2两帮部处u型钢长度为2.5m，顶板处u型钢长度为6.0m，巷道2顶板和帮部处的u型钢棚3搭接长度100mm，顶板和帮部处的u型钢棚3搭接使用2副限位块10、3副抱箍卡缆8。
35.如图2、3、4所示，随后进行锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6加强支护，在巷道2顶部施工3排锚索，采用“212”交错布置，高强锚索5和中空注浆锚索6间隔布置，高强锚索5长度为6300mm，直径22mm，间排距为1400
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1400mm，中空注浆锚索6长度为6300mm，直径22mm，间排距为1400
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1400mm，巷道2帮部施工2排锁腿锚杆7，交错布置，分别距离底板1000mm、2000mm，如图5所示，锁腿锚杆7、高强锚索5和中空注浆锚索6的托盘9将相邻u型钢棚3连接固定，托盘9开设有槽口9-1，托盘9上所开的槽口与u型钢棚3相咬合，并用抱箍卡缆8固定。最后对中空注浆锚索6进行注浆，注浆浆液为水泥浆液，水灰比为0.7，注浆压力为3~5mpa，注浆时间为200~300s，待浆液凝固后，完成一个松软厚煤层巷道分次支护施工循环。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。