一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法.pdf

一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法，其所述方法是在巷道两帮打入锚杆支护，在巷道拱脚和拱顶植入自钻式注浆锚杆，并注入快硬注浆材料，形成顶板快速加固区；后采用型钢构成与巷道顶板锚杆支护后相应的巷道断面加强支护结构，并由单体液压支柱顶升支护后，焊接构成拱形支撑复合顶板结构。本发明实现了对高应力溶洞群复合顶板的有效控制，大大减少了该类巷道的维护工程量，同时有效的提高了煤矿生产及经济效益。

1.  一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法，其所述快速支护方法是按以下步骤进行的：
（一）在巷道开挖形成后，先在巷道两帮打入帮锚杆（1）,后在巷道拱脚和拱顶分别按间排距1.0～1.5m植入自钻式拱脚注浆锚杆（5）和自钻式拱顶注浆锚杆（6）；
（二）在自钻式拱脚注浆锚杆（5）和自钻式拱顶注浆锚杆（6）中以2.5Mpa的注浆压力，在10分钟内注入快硬注浆材料ａ，形成顶板快速加固区P；
所述快硬注浆材料ａ是按原料组成及其质量份配比为：CTG快硬注浆粉料：锰矿渣粉料：水玻璃：水＝51.5-62.3∶31.5-38.6∶11.2-14.5∶23.6-29.7，进行充分搅拌混合而成；
其中，所述CTG快硬注浆粉料是按原料组成及其质量份配比为：水泥：有机硅粉：石膏粉＝13.2-14.5∶33.7-35.6∶8.4-9.6进行均匀混合而成；
（三）快速注入快硬注浆材料ａ，30分钟后安装锚索（７）和顶板锚杆（8），实现巷道顶板锚杆支护；
（四）采用与巷道顶板锚杆支护后复合顶板相应的拱梁支撑结构，按排距为0.8～1.2m进行加强支护；
所述拱梁支撑结构是将25U型钢拱梁（9）制作成与巷道顶板相应的钢结构拱梁，并通过加强筋（12）与工字钢横梁（3）焊接构成拱形支撑结构；在拱形支撑结构的工字钢横梁（3）上设置有对称的两个与钢结构支护件（4）相应的两个咬合支撑结构，并在两个钢结构支护件（4）上分别连接有两个单体液压支柱（2），在两个单体液压支柱（2）的支脚处通过两端带螺纹（10）的连杆（11）进行连接固定，构成拱梁支撑结构。

一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法
技术领域
本发明涉及一种矿井巷道复合顶板支护方法，具体地说，它是一种用于高应力区煤矿巷道、且巷道顶板中含有较多的溶洞群的巷道复合顶板支护方法。
背景技术
近年来，随着矿井开采深度的不断增加，巷道开采活动受高地应力及各种高复杂构造应力的影响越来越大，矿井巷道围岩的变形、破坏程度越来越严重，不仅如此，煤矿巷道顶板由于受地下水和岩浆岩侵蚀，顶板岩层中分布着大小不一、排列无序、相互导通的岩层溶洞，其中包覆大量软弱黄泥及碗状岩石硬核，且该类巷道顶板上方存在大流量的含水层，导致顶板溶洞大量涌水，巷道顶板淋水严重及锚杆（索）支护工作无法顺利进行；由于大量的涌水溶洞的存在，在巷道掘进过程中，巷道围岩因开挖遭到破坏，剧烈变形后释放出的高应变能量使原有的溶洞群围岩进一步扩展，产生新的松动破坏后，顶板上方含水层导通顶板溶洞群，造成矿井水灾，给掘进施工带来很大安全威胁。
复杂的溶洞周围应力集中现象极其剧烈，顶板岩层已无法保持一定的连续、完整性，导致巷道顶板承载强度大大降低，加之巷道围岩受高地应力的冲击，巷道极不稳定，施工过程稍不慎，便会导致顶板事故的发生，轻则损坏施工设备，重则危及生命。
针对这种复杂的高应力区导水溶洞群复合顶板的矿井巷道，迄今为止，本领域内大部分学者通过采用注浆、砌碹、“双壳”支护、修筑淋水引流装置等手段，对这种导水溶洞顶板的治理效果均不明显，该类巷道的掘进、支护施工等工序面临着前所未有的障碍。因此基于本科研团队数年的研究与实践，认为这种复杂的高应力区导水溶洞群复合顶板治理，不仅是某种方法能够实现的，而是某几种方法通过空间、时间上的相互配合形成一掘进施工体系而完成的，因此只有采用适当的施工工艺，且各种工艺间应高效地相互配合才能有效的加固导水溶洞构造带，阻止巷道围岩由于掘进开挖造成的持续破坏，给巷道支护带来方便,确保巷道的安全施工。
现有的支护体系，其支护能力在这种复杂地质条件下无法达到预期支护效果,而围岩压力过大、巷道顶板涌水严重等现象，造成巷道无法正常施工。为了有效控制导水溶洞顶板围岩的变形破坏和顶板涌水，可通过注浆降低顶板涌水量和提高围岩承载性能的基础上，配合采用强力支护结构，对导水溶洞顶板巷道围岩进行综合加固与控制。溶洞群注浆，一方面是利用浆液将溶洞内的各种弱面空间充实、将支离破碎的顶板重新胶结起来，提高顶板围岩整体性和自身力学承载性能另一方面是隔断溶洞顶板上方的含水层，阻断含水层对顶板溶洞群的充灌路径，降低顶板涌水量。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法。
实现上述快速支护方法的思路是将注浆加固及高预应力锚索支护结合为一种 “拱形支撑结构”和单体液压支柱配合使用的超前加强支护结构来解决高应力区导水溶洞群巷道顶板。即首先植入帮锚杆，随后采用自钻式锚杆注入一种快硬注浆材料对巷道上方进行封堵加固，加固完成后，巷道顶板形成整体承载结构，在巷道顶板中植入高预应力锚索及顶板锚杆，完成了锚杆支护工序，最后安装 “拱形支撑结构”对巷道进行加强支护，用以抵抗高应力围岩对巷道的冲击，这种注浆加固和锚杆联合支护加之与拱形巷道U型钢相匹配的“拱形支撑结构”构成的支护体系，实现了对高应力溶洞群特殊顶板的有效控制，大大减少了该类巷道的维护工程量，基本实现了巷道的零翻修，同时有效的提高了煤矿生产及经济效益。
其具体支护方法的技术方案如下：
1、一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法，其所述快速支护方法是按以下步骤进行的：
（一）在巷道开挖形成后，先在巷道两帮打入帮锚杆,后在巷道拱脚和拱顶分别按间排距1.0～1.5m植入自钻式拱脚注浆锚杆和自钻式拱顶注浆锚杆；
（二）在自钻式拱脚注浆锚杆和自钻式拱顶注浆锚杆中以2.5Mpa的注浆压力，在10分钟内注入快硬注浆材料ａ，形成顶板快速加固区P；
所述快硬注浆材料ａ是按原料组成及其质量份配比为：CTG快硬注浆粉料：锰矿渣粉料：水玻璃：水＝51.5-62.3∶31.5-38.6∶11.2-14.5∶23.6-29.7，进行充分搅拌混合而成；
其中，所述CTG快硬注浆粉料是按原料组成及其质量份配比为：水泥：有机硅粉：石膏粉＝13.2-14.5∶33.7-35.6∶8.4-9.6进行均匀混合而成；
（三）快速注入快硬注浆材料ａ，30分钟后安装锚索和顶板锚杆，实现巷道顶板锚杆支护；
（四）采用与巷道顶板锚杆支护后复合顶板相应的拱梁支撑结构进行加强支护；
所述拱梁支撑结构是将25U型钢拱梁制作成与巷道顶板相应的钢结构拱梁，并通过加强筋与工字钢横梁焊接构成拱形支撑结构；在拱形支撑结构的工字钢横梁上设置有对称的两个与钢结构支护件相应的两个咬合支撑结构，并在两个钢结构支护件上分别连接有两个单体液压支柱，在两个单体液压支柱的支脚处通过两端带螺纹的连杆进行连接固定，构成拱梁支撑结构。
实现本发明上述技术方案是在有溶洞群的顶板条件下，通过注浆锚杆注入的快硬材料以改变巷道顶板溶洞中的软弱充填介质的物理力学性质，使之强化固结，使顶板围岩形成坚固的承载结构体，为顶板锚杆及巷道U型钢的支护工作提供有力稳定的着力面或根基。本发明的“拱形支撑结构”与巷道U型钢支护，安装过程方便快捷，能够有效抵抗高应力对巷道围岩的冲击破坏，这种注浆、锚杆联合支护及拱形支撑结构的支护方式，实现了高应力区巷道复合顶板溶洞入侵时，一次支护成功，克服了巷道返修的困难，减少了巷道维护工程量，大大节约了支护成本，提高煤矿的生产效益。
附图说明
图1是本发明高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法的支护结构示意图。
图2是本发明图1的D-D剖面结构示意图。
图中：1：帮锚杆；2：单体液压支柱；3：工字钢横梁；4：钢结构支护件； 5：拱脚注浆锚杆6：拱顶注浆锚杆；7：锚索；8：顶板锚杆；9：29U型钢拱梁；10：螺纹；11：连杆；12：加强筋。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
结合附图1-2，实施一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法，该方法是在巷道掘成以后，立即对巷帮进行锚杆支护，提高煤体的粘结力和内摩擦力，增强煤帮强度，控制巷帮煤体的进一步收敛、变形，使之形成承载结构体。
待煤帮支护完成以后，在巷道顶板植入自钻式注浆锚杆，准备进行注浆工作，这样不但可以充分发挥锚杆组合梁对顶板的锚固作用，而且可以提高顶板的承载强度和完整性。
本方法采用“拱形支撑结构”与巷道U型钢支护匹配支护，加之每架“拱形支撑结构”通过带螺纹的圆钢连杆连接，既实现了每架“拱形支撑结构”组间的稳定，又能适应巷道U型钢支护的排距变化，解决了巷道在受高应力作用下的二次破坏，提高巷道的整体承载能力，延长了巷道使用年限。
本方法顶板注浆加固的目的是在有溶洞群的顶板条件下，通过注浆锚杆注入的快硬材料改变巷道顶板溶洞中的软弱充填介质的物理力学性质，使之强化、固结，使顶板围岩形成坚固的承载结构体，为顶板锚杆（索）及巷道U型钢的支护工作提供有力、稳定的着力面或根基。本方法的“拱形支撑结构”与巷道U型钢支护匹配啮合，安装过程方便快捷，能够有效抵抗高应力对巷道围岩的冲击破坏，这种注浆、锚杆（索）联合支护及加强支护的方式实现了高应力区巷道复合顶板溶洞入侵时，一次支护成功，克服了巷道返修的困难，减少了巷道维护工程量，节约成本，提高煤矿生产效益。
实施例1
实施一种用于高应力导水溶洞群复合顶板巷道快速支护方法，其所述方法是以按下步骤进行的:
步骤一、在巷道开挖形成后，先在巷道两帮打入帮锚杆1支护，先对煤帮进行控制，随后在巷道拱脚和拱顶植入自钻式拱脚注浆锚杆5和自钻式拱顶注浆锚杆6，间排距为1.0～1.5m。
这种支护方法是由于巷道开挖，拱形巷道两拱脚及拱顶部位会产生应力集中现象，两拱脚部为最大应力可达到原岩应力的2～５倍，植入注浆锚杆一方面能够提高巷道拱顶及拱脚部位岩体的承载能力，有效控制肩部岩体的滑落失稳变形，另一方面是为下一步注浆工作做准备。
步骤二、通过两拱脚部的拱脚注浆锚杆５与拱顶注浆锚杆6注入快硬注浆材料ａ，形成顶板快速加固区P，完成了对顶板上方的有效封堵，具体实施过程是将拱脚注浆锚杆５和拱顶注浆锚杆6以2.5Mpa的注浆压力在10分钟内注入快硬注浆材料，注浆速度为25～30Ｌ/min。
在本步骤中，所用快硬注浆材料ａ按质量份的配比为，CTG快硬注浆材料：锰矿渣粉料：水玻璃：水＝51.5-62.3∶31.5-38.6∶11.2-14.5∶23.6-29.7，其中，水玻璃是提高各材料间凝结程度，保证注浆的致密性；锰矿渣粉料作为浆液的细骨料，粒径小于1mm，为注浆结构体提供一定的强度；CTG快硬注浆材料按质量份的配比为，水泥∶有机硅粉∶石膏粉＝13.2-14.5∶33.7-35.6∶8.4-9.6，其中有机硅粉的粒径小于0.75mm，主要是提高注浆的致密性，起到堵水和增强注浆结构体的强度；石膏粉粒径小于0.75mm，主要是利用其缓凝性对注浆材料凝固时间进行合理控制，避免速凝造成注浆不充分，一定程度上较好地防止了顶板的淋水。
步骤三、待快速加固区P稳定后，巷道顶板上方构成了统一的整体承载结构，然后再进行锚索７和顶板锚杆8的安装，分别完成钻锚杆（索）孔、安装锚索７和顶板锚杆8及张拉预紧，完成巷道顶板中锚杆（索）支护工作。
步骤四、巷道顶板及两帮支护完成并稳定后，采用25U型钢拱梁9对巷道断面进行加强支护，具体方法是首先将25U型钢拱梁9制作成与巷道顶板相应的钢结构拱梁，并通过加强筋12与工字钢横梁3焊接构成“拱形支撑结构”；在拱形支撑结构的工字钢横梁3上设置有对称的两个与钢结构支护件4相应的两个咬合支撑结构，并通过两个相应的咬合支撑结构与两个钢结构支护件4咬合连接进行支护；在两个钢结构支护件4上分别连接有两个单体液压支柱2，并在两个单体液压支柱2的支脚处通过两端带螺纹10的连杆11进行连接固定。然后，在巷道顶板按排距为0.8～1.2m进行加强支护。由于巷道围岩处在高应力区环境，因此采用“拱形支撑结构”，这种结构对高应力巷道围岩来压具有超强的抵御能力。