深部巷道顶板支护形式和支护深度的确定方法 【技术领域】
本发明涉及深部煤矿巷道支护技术领域。
背景技术
煤矿巷道掘进后，会打破原来的岩石应力平衡状态，从而导致围岩发生变形和破坏，需要一定的支护手段来防止围岩变形防止破坏，目前，巷道支护有多种方法，如砌碹支护、锚杆支护、锚喷支护、锚网喷支护、锚索支护、金属拱形支架支护、料石支护、钢筋混凝土支护以及各类支护之间的联合支护等，在深部开采中，巷道支护除了采用上述方式之外，还采用锚注支护，在上述锚杆、锚索支护中，都根据经验选取锚杆、锚索的长度，科学依据不充分，如选取太长造成很费，如选取太短，又达不到支护效果。与本发明有关的支护方法是锚杆支护方法、锚喷支护方法、锚网喷支护方法、锚索支护方法和锚注支护方法。在这些支护方法中，都是以锚杆支护为基础，支护时首先在巷道围岩上布置钻孔，再在钻孔中固定上锚杆。目前在布置锚杆时，锚杆的长度(即支护深度)都是按标准设计选取的，标准设计来自于普通的经验，科学依据不充分，由于每个矿的每个地段的地质条件岩石赋存情况都有所区别，所以围岩变形破坏的深度各不一样。若按目前标准设计选取锚杆，带来以下不足，如果选取太长，造成施工量大，浪费锚杆材料；如选取太短，又不达到支护效果，仍会发生围岩变形破坏。到目前为止，还没有形成一种公认的科学方法来定量确定不同围岩情况下的锚杆或锚索长度。
随着科技的发展，钻孔电视技术已很成熟，所谓钻孔电视技术是就是利用智能钻孔成像仪观测到钻孔内岩层裂隙分布、离层等图像，其内置控制模块对图像进行采集、处理、编辑、显示、存贮及传输，从而得到测量钻孔孔壁的周边岩性和原生裂隙分布情况。具体工作方法是：利用导杆沿钻孔轴心推进智能钻孔成像仪的彩色摄像头，并由深度计数器同时记录推进深度，直到钻孔底部，在推进过程中，彩色摄像探头观测钻孔内岩层图像，内置模块对图像进行处理、编辑，并由视频传输线将视频信号传输到主机液晶显示屏上，在显示屏幕上可显示钻孔内壁离层、破裂、错位、岩性变化等情况。这种技术观测精度高，定位准确，现场操作简单，已广泛应用于工程地质、地质找矿、岩土工程、矿山等部门，但还没有应用到锚杆支护中。采用这些新技术可为锚杆支护提供可靠的技术设计依据。
【发明内容】
为推进煤矿巷道锚杆支护技术进步，申请人承担了国家973项目“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究”，在进行该项目的研究试验中，发明了一种“确定深部巷道顶板支护形式和支护深度的方法”。上述方法中，包括确定是锚杆支护、锚索支护或者锚杆锚索联合支护，以及支护深度。根据本发明确定的支护深度可以进一步确定锚杆的长度和锚索的长度。
本发明技术方案采取以下步骤：
第一步：测量孔的确定
在已掘进的深部巷道顶板上垂直岩面向围岩深部打钻孔，钻孔布置在巷道断面的靠近中轴线上。由于煤矿巷道一般宽度不超过5米、高度不超过3米。在这种巷道断面尺寸下，对巷道支护有明显影响的顶板厚度范围不超过巷道高度的3倍。同时，对于同一条沿煤层走向布置的巷道，一般在80-100米巷道长度范围内的地质情况可代表整个巷道的地质情况。因此，沿巷道走向每间隔15-20米布置一个孔，钻孔深度10米，连续布置六个孔，将100米巷道长度作为测量区。
第二步：测量孔的探测
在巷道内布置智能钻孔成像仪，采用钻孔电视技术对钻孔孔壁岩性、原生裂隙的方向、缝隙间隔距离进行探测，其探测过程为：
(1)打开智能钻孔成像仪，使其处于录制状态，并清零；
(2)利用导杆沿钻孔轴心推进摄像头，直到钻孔底部，若钻孔深，可以外接导杆加长；
(3)在推进过程中彩色摄像探头实测钻孔内岩层图像，由视频传输线将视频信号传输到主机液晶显示屏上，由深度计数器记录彩色摄像头推进到钻孔的深度，在显示屏幕上显示出不同深度钻孔内壁岩性、裂隙分布和离层情况的图像和数据。
第三步：破裂带的确定
根据第二步得到的数据和图像，利用智能钻孔电视成像仪的计算机图像处理软件对图像进行编辑处理，从而得到每个钻孔围岩内破裂带和完整带的交替间隔产状及空间分布情况，即每个钻孔内破裂带和完整带的层数及其厚度，规定大于等于30cm厚度无破裂的的构造带为完整带，从孔口算起依次称为第一构造带、第二构造带，第三构造带，依此类推，再将所有钻孔处于同一层构造带的厚度分别相加平均得到测区内每个构造带的平均厚度；
上述构造带包括交替分布的完整带和破裂带，分布形式有两种，即：
当第一构造带为完整带时，第二构造带为破裂带，第三构造带为完整带，依此类推；
当第一构造带为破裂带时，第二构造带为完整带，第三构造带为破裂带，依此类推；
第四步：确定支护形式及支护深度
(1)当第一构造带为大于3米的完整带时，不用锚固支护，可采用简单棚架支护等其它支护形式；
(2)当仅有三个构造带、且第一构造带为小于3米但大于2米的完整带时，采用锚索支护，锚索应穿过第二构造带锚固在第三构造带中；
(3)当仅有两个构造带、且第一构造带为大于2米的破裂带时，采用锚索支护，锚索锚固端应锚固在第二构造带中；
(4)当仅有两个构造带、且第一构造带为小于2米的破裂带时，采用锚杆支护，锚杆锚固在第二构造带中；
(5)当第一构造带为小于2米破裂带、且存在两个以上的间隔破裂带时，需要锚杆、锚索联合支护，锚杆锚固端应锚固在第二构造带中，锚索锚固端应从第一构造带穿过直至锚固在大于50cm厚的完整带中。
本发明的积极效果是：设计锚杆、锚索的支护深度时，得到充分地科学依据，使支护参数更加经济合理，在最经济的条件下达到最佳的支护效果。本发明能够科学地定量确定深部巷道的锚固形式以及顶板锚杆、锚索的长度，为实现深部高应力巷道锚固支护定量设计，保障深部巷道的顶板安全具有重要推动价值。
附图说明：
图1是以某煤矿为例在实施中的钻孔布置剖面示意图。
图2是本申请钻孔沿巷道走向布置示意图。
图3、图4、图5和图6分别为构造带不同情况下的支护形式图。
图中：1-智能钻孔成像仪，2-巷道，3-顶板，4-导杆，5-彩色摄像头，6-钻孔，7-锚杆，8-锚索，I-第一构造带，II-第二构造带，III-第三构造带，IV-第四构造带；
【具体实施方式】
现结合附图并以某矿为例，详细说明本发明的技术方案。
一、首先根据图1和图2所示布置钻孔，实测孔内图像和计算确定构造带情况，具体如下：
(1)沿着巷道2走向确定100米的测区，在顶板3轴线上，每间隔隔20m打一钻孔6，在100m的测区内钻六个钻孔1#、2#、3#、4#、5#、6#(如图2)，钻孔6深为10.5m、直径为43mm，并在巷道2内布置智能钻孔成像仪1。
(2)打开智能钻孔成像仪1，使其处于录制状态，并清零；
(2)利用导杆4沿钻孔6轴心推进彩色摄像头5，直至推进到钻孔6底部，若钻孔6深，可以外接导杆加长；
(3)在推进过程中彩色摄像头5实测钻孔6内岩层图像，由视频传输线将视频信号传输到智能钻孔成像仪1的主机液晶显示屏上，由智能钻孔成像仪1的深度计数器同时记录彩色摄像头5地推进深度。在显示屏幕上显示出钻孔6深度范围内的构造情况。
(4)根据得到的数据和图像，利用智能钻孔成像仪1的计算机图像处理软件对图像进行编辑处理，得出构造带的情况，并规定大于30cm厚的岩石无破裂时为完整带，有破裂的为破裂带，再将六个钻孔处于同一层构造带的厚度分别相加平均后得到测区内每个构造带的平均厚度，从而得到破裂带和完整带的交替间隔分布情况，即每个带的厚度和构造带的层数。从孔口算起依次称为第一构造带、第二构造带，第三构造带，依此类推；
上述构造带包括交替分布的完整带和破裂带，分布形式有两种，即：
当第一构造带为完整带时，第二构造带为破裂带，第三构造带为完整带，依此类推；
当第一构造带为破裂带时，第二构造带为完整带，第三构造带为破裂带，依此类推；
二、根据上述每个构造带的厚度和分布情况，确定支护形式和支护深度。下面根据图3、图4、图5和图6举几个例子进行说明。
图3所示的构造带分布情况是：第一构造带I为完整带，厚度2.1米；第二构造带II为破碎带，厚度2.5米；第三构造带III为完整带，厚度大于4.6米；属于第一构造带为小于3米大于2米的完整带情况，所以采用锚索8支护，锚索8锚固端锚固在第三构造带III中，支护深度为2.5+2.1＝4.6米，锚索长为4.6+0.8(锚固长度)+0.1(外露长度)＝5.5米。
图4所示的构造带分布情况是：第一构造带I为厚度2.5米的破裂带，第二构造带II为大于2.5米的完整带，仅有二个构造，属于第一构造带I小于3.0米大于2.0米的情况，所以采用锚索8支护，锚索8锚固端锚固在第二构造带II中，支护深度为2.5米，锚索长度2.5+0.8(锚固长度)+0.1(外露长度)＝3.4米。
图5所示的构造带分布情况是：第一构造带I为厚度1.5米的破裂带，第二构造带II为大于8.5米的完整带，属于仅有二个构造带且第一构造带I小于2.0米的破裂带情况，所以采用锚杆7支护，锚杆7锚固端应锚固在第二构造带II中，支护深度为1.5米，锚杆7长度为1.5+0.4(锚固长度)+0.1(外露长度)＝2.0米。
图6所示的构造带分布情况是：第一构造带I为1.5米厚的破裂带，第二构造带II为0.4米厚的完整带，第三构造带III为0.45米厚破裂带，第四构造带IV为大于7.65米的完整带，属于第一构造带I为小于2.0米破裂带，且存在二个以上间隔破裂带的情况，所以采用锚杆7和锚索8联合支护。锚杆7锚固在第二构造带II中，锚杆7长度取1.5+0.4+0.1＝2.0米，锚索7应穿过第一构造带I、第二构造带II、第三构造带III锚固在第四构带IV中，锚索长度为1.5+0.4+0.45+0.8(锚深)+0.1(外露)＝3.25米。