深部破碎围岩超前支护用的注浆锚杆索组合梁及支护方法

摘要

本发明公开了深部破碎围岩超前支护用的注浆锚杆索组合梁及支护方法，它是在钢梁的两端分别固定有方形护板，在钢梁和护板的中心均设有锚索孔，孔径大于锚索直径；在护板上设有四个锚杆孔，每个锚杆孔对应一个楔形垫块，楔形垫块的平面紧贴护板，四个托盘的弧形部位均朝向护板中心，注浆锚杆依次穿过托盘和护板通过锚固剂固定在顶板岩层中，锚杆自由端通过螺母施加预紧力；锚索穿过锚索孔通过锚固剂固定在上覆稳定岩层中，锚索自由端通过索具进行固定。本发明利用组合梁对回采巷道浅部和深部的依次注浆施工，实现了回采巷道围岩由浅到深、由表及里的分级递进式加固，有利于实现软弱、破碎顶板条件下回采巷道的控制和维护。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿工程支护技术领域，特别涉及一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁及支护方法。

背景技术

目前，煤炭资源在我国一次能源消费中约占60％，井工开采占煤炭资源生产的90％左右。在井工开采过程中，每年需要开掘大量巷道，其支护一般分为两个阶段，即巷道开挖阶段的永久支护和回采准备阶段的超前支护。工作面的超前支护一直是制约煤矿安全高效生产的重点和难点，尤其是对于深部破碎围岩条件，受到高地应力和多次回采扰动的双重影响，煤岩体力学特性及工程响应变得极为复杂，回采巷道超前段围岩易发生冒顶、片帮等现象。

我国传统的超前支护手段主要有：单体支柱+铰接顶梁支护、液压支架支护。其中，单体支柱+铰接顶梁支护属于被动支护方式，虽然可以较好的实现小及中等断面回采巷道顶板的控制和维护，但是也存在护顶面积小、支护强度低、劳动强度大、投入成本高、顶板适应性差和安全性低等缺点。液压支架支护也属于被动支护，它在一定程度上克服了单体支柱支护的缺陷，具有支护强度大、机械化程度高和良好的动态让压特性，对于降低工人劳动强度、减少生产安全隐患和提高工作效率等具有重要作用。然而采用液压支架进行超前支护时，反复移架会加剧顶板变形破坏，特别是在软弱、破碎顶板条件下会造成局部冒顶等现象，不利于顶板控制及管理。

为了解决上述难题，现有技术中有一种小断面回采巷道混合式超前支护方法(专利号：201910917514.6)，该方法采用单体支柱+注浆锚索的超前支护方式，在一定程度上提高了支护强度，增加了回采巷道作业空间。但是，该方法依然采用单体支护进行超前支护，对于软弱、破碎条件下的巷道顶板，单体支柱立柱、回撤操作困难，容易造成柱体倾斜、滑倒，导致超前支护失效。

现有技术中还有一种回采工作面超前支护系统及方法(专利号：201811237479.5)，该方法采用桁架+注浆锚索的支护方式，有效的提高了支护强度且具有造价低廉、施工方便等优点。然而，该方法未给出明确的注浆施工时间和措施，无法保证浆液的扩散范围，桁架的间距根据经验值确定，无法实现精准施工；另外锚索桁架虽然具有协调能力好、支护跨度大的特点，但是其变形能力差，承载能力有限，无法有效的控制顶板变形破坏。

现有技术中还有一种注浆锚索超前支护方法(专利号：201811583423.5)，该方法采用注浆锚索进行超前支护，显著提高了支护强度和施工速度，实现了主动加固巷道顶板围岩的目的。但是该方法并未对注浆区域进行区分，在施工时存在盲目性且易造成浆液的浪费；另外，通过锚杆+注浆锚索交替布置可形成线形组合加固拱结构，但是在注浆施工过程中浆液不容易扩散，注浆加固围岩范围小，无法保证支护效果。

现有技术中还有一种实验室内确定锚注支护最佳注浆时机的方法(专利号：201810225980.3)，该方法利用双轴流变和注浆耦合试验获得了岩石内部裂隙发育程度与注浆固结体强度之间的变化规律，进而确定了最佳注浆时机。然而，该方法仅局限于理想条件下的室内试验，无法有效的指导现场注浆施工；另外，该方法仅考虑了注浆浆液在岩石内部裂隙中的扩散规律，未能模拟锚杆或锚索对于岩石的加固支撑作用。

另外，上述技术所用的注浆锚杆托盘都是传统托盘，这种结构的托盘虽然理论上适合任意斜度的钻孔，但在实际应用中发现，当钻孔斜度较大且多个钻孔斜度不一致时，会出现有的锚杆的紧固螺母和托盘无法安装的情形，另外，同时在某一区域打多根锚杆，而多根锚杆的倾斜角度不同，这造成托盘安装困难和相互覆盖叠加的情况。

因此现有技术有待进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明拟提供一种斜孔用的托盘，以及用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁及支护方法，以保持回采巷道在超前支承压力下的完整稳定。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种斜孔用的托盘，其特征在于，它是一个楔形垫块，楔形垫块上下两面分别是平面和斜面，垫块上设有锚杆孔，楔形垫块斜面的角度应保证托盘使用时，锚杆垂直于托盘斜面布置。

进一步，托盘的楔形尖端为内凹的圆弧状。

由上述托盘组成的用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁，其特征在于，它包括钢梁、注浆锚索、注浆锚杆、方形护板、托盘、紧固螺母和锚索锁具；上述各部件的连接关系是：

在钢梁的两端分别固定有方形护板，在钢梁和护板的中心均设有锚索孔，孔径大于锚索直径；在护板上设有四个锚杆孔，每个锚杆孔对应一个托盘，托盘的平面紧贴护板，四个托盘的弧形部位均朝向护板中心，注浆锚杆依次穿过托盘和护板通过锚固剂固定在顶板岩层中，锚杆自由端通过螺母施加预紧力；锚索穿过锚索孔通过锚固剂固定在上覆稳定岩层中，锚索自由端通过索具进行固定。

进一步，为了适应不同斜度的钻孔，所述护板上的锚杆孔为长圆孔，且孔径应大于注浆锚杆直径，使得锚杆在锚杆孔中可以移动，以适应钻孔角度的变化，同时可提高钻孔施工过程中的容错率。

本发明楔形垫块的斜面倾角根据现场具体条件以及需求定制，在实际操作时，可以事先将楔形垫块按照斜面角度大小做成标准套件，现场使用时，根据具体条件选用相应角度的垫块。

本发明组合梁主要适用于有较大断层和大量岩石碎块的顶板条件，在实际中，可根据顶板内部裂隙发育程度进行选择性注浆，当顶板内部裂隙比较发育且相互贯通时，注浆锚杆注浆数目为6-8根；当顶板完整稳定，仅有少数微小裂隙及节理时，单个组合梁注浆锚杆注浆数目为0-3根。

利用上述组合梁对深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护方法是：

步骤一：采用应力解除法对工作面超前支承压力进行监测

随着工作面推进，回采工作面后方顶板逐渐垮落形成采空区，在回采巷道中超前工作面一定范围内沿煤层走向在巷道实体煤帮处布置若干钻孔，利用钻孔应力计进行应力监测，获得工作面前方围岩应力相对变化，进而分析超前支承压力分布特征并绘制应力曲线，通过应力曲线划分出超前应力影响范围；

步骤二：采用钻孔窥视法对回采巷道顶板进行探测

2.1：在超前应力影响范围内沿煤层走向在巷道顶板处布置若干钻孔，利用钻孔电视进行顶板裂隙探测，获得顶板裂隙发育高度范围以及破坏程度，通过顶板裂隙发育高度范围以及破坏程度，确定钻孔的角度，根据每个钻孔的角度选择与各自钻孔相匹配的垫块；

2.2：以钻孔轴线中点为分界线，孔口至中点范围内划为钻孔的浅部，中点至孔底范围内划为钻孔的深部，对2.1步的钻孔窥视结果进行分析，包括裂隙条数和裂隙张开度，将第一个受超前支承压力影响浅部出现裂隙的钻孔与第一个深部出现裂隙的钻孔之间的范围划定为浅部注浆区；将第一个深部出现裂隙的钻孔与最靠近应力峰值位置的钻孔之间划定为深部注浆区。

步骤三：回采巷道顶板超前段补强支护设计

3.1：确定布置组合梁时的排距P

所述组合梁的注浆锚杆注浆浆液在围岩内的最大扩散范围K为：

K＝R+S式中：

R为注浆锚杆垂直布置时浆液扩散半径，单位为m；

S为注浆锚杆倾斜布置时浆液扩散范围，单位为m；

所述注浆锚杆垂直布置时浆液扩散半径R为：

Q为单位时间内的注浆量，单位为m

T为注浆持续时间，单位为min；

N为岩层孔隙率，可由室内岩石力学试验获得；

H为一次注入岩层厚度，单位为m。

所述一次注入岩层厚度H可确定为：

H＝L·sinθ式中：

L为注浆锚杆长度，单位为m；

θ为注浆锚杆在顶板围岩内的倾角，且θ＝90°-α，其中α为垫块倾斜角度，单位为°；

所述注浆锚杆倾斜布置时浆液扩散范围S为：

组合梁的布置排距P应满足：

P≤2S·cosβ，

式中：β为注浆锚杆在围岩内的俯视倾角，单位为°；

3.2：在超前支承压力影响范围之外按照排距P布置注浆锚杆索组合梁，在此过程中对注浆锚杆和注浆锚索进行预紧但不进行注浆施工，实现对回采巷道的初步补强支护及加固；

步骤四：回采巷道顶板浅部围岩注浆施工

当施工到超前支承压力的影响范围之内的区域时，回采巷道围岩由浅部向深部逐渐发生破坏，根据顶板裂隙带探测结果对进入浅部注浆区内的注浆锚杆进行选择性注浆施工，实现回采巷道浅部围岩的补强加固。

步骤五：回采巷道顶板深部围岩注浆施工

随着工作面继续推进，对进入深部注浆区内的注浆锚索进行注浆施工，同时对进入浅部注浆区的注浆锚杆进行注浆施工，达到回采巷道围岩由浅到深、由表及里的分级递进式加固。

工作面每完成一个循环进尺，重复上述步骤1-5，从而实现对整个回采巷道的补强加固。

上述步骤中的注浆施工，尽量在检修班开始集中注浆，并尽快完成，给注浆材料凝固提供稳定的围岩环境。

本发明的注浆锚杆和注浆锚索均全采用全长锚固形式。

本发明的优点在于：

(1)一种用于工作面超前支护的注浆锚杆索组合梁，采用护板和钢梁相结合的方式，克服了传统钢带易发生剪切破坏的缺陷，增大了护顶面积；同时取消了传统的锚杆锚索托盘，从根本上避免了因托盘压入钢带造成的支护结构失效问题，使得组合梁紧贴顶板，承压和控顶能力强。

(2)注浆锚索超前支护不仅具有锚索锚固深度大、承载能力高、可施加较大预紧力等特点，同时根据钻孔角度确定注浆锚杆的浆液扩散面积，进一步得到精确的组合梁排距，可将顶板破碎围岩胶结固定为一个整体并牢固固定在上覆稳定岩层中，使二者同步运动，从而避免因产生离层而造成冲击；同时采用护板和垫块相结合的方式，实现了不同角度的锚杆注浆，有效扩大了注浆面积，有利于控制围岩塑性区发展，主动修复受损围岩结构，大幅提高了围岩整体性及自承力，达到改善围岩受力状态，维护巷道围岩稳定的目的。

(3)利用应力解除法获得回采巷道顶板超前支承压力分布曲线，通过钻孔窥视的方式获得超前支承压力峰值之前顶板的裂隙发育情况，实现了对注浆区域的划分。该方法通过现场监测的手段明确了注浆施工时机和施工顺序，避免了注浆施工的盲目性，有效保证了注浆效果，避免了注浆浆液的浪费，降低了工人劳动强度，提高了生产安全性。

(4)通过浅部和深部的依次注浆施工，实现了回采巷道围岩由浅到深、由表及里的分级递进式加固，有利于实现软弱、破碎顶板条件下回采巷道的控制和维护。

(5)本发明将传统的托盘改为楔形垫块，不但可以适合任意角度的钻孔，而且根据角度还可以算出锚杆的注浆扩散范围，从而准确得到组合梁的施工排距，避免锚固出现漏洞，实现精准支护。

附图说明

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。

图1为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁整体示意图；

图2为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁的护板及钢梁结构示意图；

图3为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁的垫块示意图；

图4为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁正视图；

图5为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁仰视图；

图6为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁支护方法中步骤三示意图；

图7一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁支护方法中步骤四示意图；

图8一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁支护方法中步骤五示意图；

图9为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁支护效果图；

图10为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁支护断面图；

图11为一种用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁注浆浆液扩散俯视图。

图12为注浆锚杆围岩内部浆液扩散沿A-A方向剖面图。

图中：1-护板；2-垫块；3-钢梁；4-锚索孔；5-锚杆孔；6-注浆锚杆；7-注浆锚索；8-回采巷道；9-紧固螺母；10-索具；11-回采工作面；12-采空区；13- 超前支承压力区；131-浅部注浆区；132-深部注浆区；14-原岩应力区；141-未注浆区；15-超前支承压力曲线；16-注浆锚杆注浆范围；17-注浆锚索注浆范围。

具体实施方式

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。

本发明组合梁中用到的托盘参照图3所示，图中示出的是四个托盘设在护板1上的状态，从图中看出，所述的托盘是一个楔形垫块2，楔形垫块2上下两面分别是平面和斜面，楔形垫块2上设有锚杆孔5，楔形垫块1斜面的角度应保证托盘使用时，锚杆垂直于托盘斜面布置，也就是说，锚杆孔5是垂直于托盘斜面的，实施例中楔形垫块1的楔形尖端为内凹的圆弧状，设置成内凹的圆弧状是避免影响护板1中心安装注浆锚索7。

由上述托盘组成的用于深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护的注浆锚杆索组合梁见图1-5，它包括钢梁3、注浆锚索7、注浆锚杆6、方形的护板1、楔形的垫块2、紧固螺母9和锚索索具10；从图看出，方形护板1固定在钢梁3 的两端，实施例中采用焊接的方法实现固定，在钢梁3和护板1的中心均设有锚索孔4，孔径大于注浆锚索7直径；在护板2上设有四个锚杆孔5，施工时，每个锚杆孔5对应一个楔形的垫块2(也就是所谓的托盘)，垫块的平面紧贴护板1，四个垫块2围绕着锚索孔4布置，垫块2的弧形部位均朝向护板1中心，这样刚好留出安装注浆锚索7的位置。在施工现场，注浆锚杆6依次穿过垫块2 和护板1通过锚固剂固定在顶板岩层中，注浆锚杆6自由端通过紧固螺母9施加预紧力；注浆锚索7穿过锚索孔4通过锚固剂固定在上覆稳定岩层中，注浆锚索7自由端通过索具10进行固定。

从图2看出，所述护板1上的锚杆孔5为长圆孔，且孔径应大于注浆锚杆6 直径，这是为了适应不同斜度的钻孔，使得注浆锚杆6在锚杆孔5中可以移动，以应变钻孔角度的变化，同时可提高钻孔施工过程中的容错率。

参照图6-12，利用上述组合梁对深部回采巷道高应力破碎围岩超前支护方法是：

步骤一：采用应力解除法对工作面超前支承压力进行监测

随着工作面推进，回采工作面11后方顶板逐渐垮落形成采空区12，在回采巷道8中超前工作面一定范围内(一般约为20m)沿煤层走向在巷道实体煤帮处布置若干钻孔，利用钻孔应力计进行应力监测，获得工作面前方围岩应力相对变化，进而分析超前支承压力分布特征并绘制超前支承压力曲线15，通过超前支承压力曲线15划分出超前应力影响范围，也就是图中示出的超前支撑应力区13；

步骤二：采用钻孔窥视的方法对回采巷道顶板进行探测

2.1：在超前支撑应力区13内沿煤层走向在巷道顶板处布置若干钻孔，利用钻孔电视进行顶板裂隙探测，获得顶板裂隙发育高度范围以及破坏程度，通过顶板裂隙发育高度范围以及破坏程度，确定钻孔的角度，根据每个钻孔的角度选择与各自钻孔相匹配的垫块；

2.2：以钻孔轴线中点为分界线，孔口至中点范围内划为钻孔的浅部，中点至孔底范围内划为钻孔的深部，对2.1步的钻孔窥视结果进行分析，包括裂隙条数和裂隙张开度，将第一个受超前支承压力影响浅部出现裂隙的钻孔与第一个深部出现裂隙的钻孔之间的范围划定为图7和图8所示的浅部注浆区131；将第一个深部出现裂隙的钻孔与最靠近应力峰值位置的钻孔之间划定为图8所示的深部注浆区132。

步骤三：回采巷道顶板补强支护设计

3.1：确定布置组合梁时的排距P

如图11-12，所述组合梁的注浆锚杆6注浆浆液在围岩内的最大扩散范围K 为：

K＝R+S式中：

R为注浆锚杆6垂直布置时浆液扩散半径，单位为m；

S为注浆锚杆倾斜布置时浆液扩散范围，单位为m；

所述注浆锚杆6垂直布置时浆液扩散半径R为：

Q为单位时间内的注浆量，单位为m

T为注浆持续时间，单位为min；

N为岩层孔隙率，可由室内岩石力学试验获得；

H为一次注入岩层厚度，单位为m。

所述一次注入岩层厚度H由图12看出为：

H＝L·sinθ式中：

L为注浆锚杆长度，单位为m；

θ为注浆锚杆在顶板围岩内的倾角，且θ＝90°-α，其中α为垫块倾斜角度，单位为°；

所述注浆锚杆倾斜布置时浆液扩散范围S为：

组合梁的布置排距P应满足：

P≤2S·cosβ，

式中：β为注浆锚杆在围岩内的俯视倾角，单位为°；

3.2：在超前支承压力区13之外也就是原岩应力区14按照排距P布置注浆锚杆索组合梁，在此过程中对注浆锚杆6和注浆锚索7进行预紧但不进行注浆施工，见图7所示的未注浆区141，实现对回采巷道8的初步补强支护及加固；

步骤四：回采巷道顶板浅部围岩注浆施工

当施工到超前支承压力区13内区域时(见图7)，回采巷道8围岩由浅部向深部逐渐发生破坏，根据顶板裂隙带探测结果对进入浅部注浆区131内的注浆锚杆6进行选择性注浆施工，实现回采巷道浅部围岩的补强加固。

步骤五：回采巷道顶板深部围岩注浆施工

随着工作面继续推进，对进入深部注浆区132内的注浆锚索7进行注浆施工，同时对进入浅部注浆区131的注浆锚杆6进行注浆施工，达到回采巷道围岩由浅到深、由表及里的分级递进式加固。注浆锚杆注浆范围16和注浆锚索注浆范围17见图11。

工作面每完成一个循环进尺，重复上述步骤1-5，从而实现对整个回采巷道的补强加固。

上述步骤中的注浆施工，尽量在检修班开始集中注浆，并尽快完成，给注浆材料凝固提供稳定的围岩环境。

本发明实施例中的四个垫块斜度是相同的，这是为了图形美观而有意设计的，在现实中，四个垫块的斜角是不一定相同的。另外，本发明组合梁主要适用于有较大断层和大量岩石碎块的顶板条件，所以每块护板上布置有四根锚杆，在实际中，可根据顶板内部裂隙发育程度进行选择性注浆，当顶板内部裂隙比较发育且相互贯通时，注浆锚杆注浆数目范围为6-8根；当顶板完整稳定，仅有少数微小裂隙及节理时，单个组合梁注浆锚杆注浆数目范围为0-3根。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。