專利名稱：一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到礦山巷道、隧道工程破碎軟巖頂板支護(hù)的新方法，特別是高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，適用于大采深、高應(yīng)力、復(fù)合破碎的動(dòng)壓巷道軟巖頂板等頑固性支護(hù)問(wèn)題。
背景技術(shù)：
目前，礦井開(kāi)挖深度日益加深，出現(xiàn)了深部圍巖獨(dú)特的力學(xué)特性。深部三高一擾動(dòng)的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境以及開(kāi)采所要求的機(jī)械化水平的提高，滿足巷道斷面大尺寸要求，呈現(xiàn)出深部巖體明顯的不同的力學(xué)特性及其工程響應(yīng)，同時(shí)沖擊地壓、頂板冒頂、巷道大變形、采空區(qū)失穩(wěn)等災(zāi)害性礦井事故隨之而來(lái)，嚴(yán)重影響了深部礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)。常規(guī)錨桿支護(hù)已不能適應(yīng)極不穩(wěn)定巷道支護(hù)的需要，巷道圍巖支護(hù)不是一蹴而就的問(wèn)題，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，面對(duì)高地應(yīng)力的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，而一味的追求大強(qiáng)度、大剛度支護(hù)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)圍巖支護(hù)是無(wú)濟(jì)于事，也是不太現(xiàn)實(shí)的。目前，對(duì)于這類礦井巷道支護(hù)普遍采用錨網(wǎng)帶(梁)噴等之類的聯(lián)合支護(hù)以及二次或者多次的錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，雖維持了巷道的持續(xù)使用時(shí)間，但支護(hù)效果不明顯，局部地段的變形形勢(shì)依然嚴(yán)峻且出現(xiàn)前面支護(hù)后面翻修的情況。對(duì)于現(xiàn)采用的支護(hù)手段過(guò)分加大支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用，且反復(fù)施工，成本高，巷道頂板變形極不穩(wěn)定，打亂了礦井的正常采掘接替關(guān)系，影響礦井的正常生產(chǎn)。目前，針對(duì)該類礦井，上述支護(hù)中還存在著以下問(wèn)題( I)對(duì)支護(hù)材料力學(xué)特性的過(guò)高追求，致使支護(hù)成本過(guò)高；(2)依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行支護(hù)，對(duì)破碎區(qū)的范圍不能準(zhǔn)確定位；(3)脫離了支護(hù)體與圍巖的關(guān)系，僅從支護(hù)入手，未考慮圍巖的自承能力，致使設(shè)計(jì)的支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高，造成不必要的浪費(fèi)；(4)初期支護(hù)效果明顯，但后期變形嚴(yán)重，斷面收縮率大。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補(bǔ)上述技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法。其技術(shù)解決方案是一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其特征在于包括以下步驟(I)巷道開(kāi)挖后，緊跟巷道掘進(jìn)迎頭向巷道頂板中打深部鉆孔，將深孔攝像探測(cè)儀器送到鉆孔底部，記錄下不同深度的圍巖內(nèi)壁巖性、裂隙分布以及破碎區(qū)厚度h范圍；(2)緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打深為2h/3，間排距為1. 5 2. Om的注漿孔，安裝注漿管，然后在巷道圍巖表面噴射薄層混凝土以封閉巷道圍巖表面防止?jié){液外溢;
(3)通過(guò)注漿管向圍巖內(nèi)部注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 2. OMPa時(shí)，穩(wěn)壓5 IOmin,以便使?jié){液充分滲入到圍巖裂隙內(nèi)，然后停止注漿；漿液固結(jié)后，一方面和噴層一起形成整體加固結(jié)構(gòu)，另一方面改善了圍巖力學(xué)特性，使破碎區(qū)分為預(yù)留柔層區(qū)與注漿后形成的次承載區(qū)；(4)漿液固結(jié)后，向巷道圍巖表面打錨索孔，錨索孔深度超過(guò)破碎區(qū)范圍，安裝錨索，鋪鋼筋菱形網(wǎng)，調(diào)心托盤(pán)，采用全長(zhǎng)錨固方式，施加張拉預(yù)緊力，完成錨索加固；(5)按相同工序，錨注完整個(gè)巷道頂板。優(yōu)選的,步驟(2)中所述薄層混凝土的厚度為20 30cm。優(yōu)選的，步驟(3)中注漿前采用高壓風(fēng)清凈孔內(nèi)的巖粒和粉末。優(yōu)選的，步驟(4)中錨索端部采用樹(shù)脂錨固，其余采用水泥漿錨固。上述步驟(3)中軟巖固結(jié)頂板形成次承載區(qū)頂板，整個(gè)頂板一分為二 未注漿的預(yù)留柔層區(qū)與注漿后形成的次承載區(qū)。本發(fā)明的工作原理及效果如下(I)深部巷道開(kāi)挖后，在高地應(yīng)力、受強(qiáng)烈采動(dòng)影響下的巷道軟巖頂板支護(hù)比較困難，頂板節(jié)理、裂隙較淺部發(fā)育，易風(fēng)化破碎，頂板易冒落，圍巖流變性大，斷面收縮嚴(yán)重。為此，巷道開(kāi)挖后，緊跟迎頭向巷道圍巖表面噴射薄層混凝土，噴層可以提高圍巖表面張力，充填壁面裂隙，提高了巖體的粘結(jié)力和內(nèi)摩察角，提高了圍巖的強(qiáng)度，給錨桿和鋼筋網(wǎng)分配外力；另一方面，封蓋了圍巖，防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞與剝落。(2)通過(guò)向頂板圍巖打深孔，利用深孔攝像探測(cè)儀器探測(cè)圍巖內(nèi)部的破碎區(qū)范圍、巖層巖性等。在確定好的破碎區(qū)范圍(即張拉域)內(nèi)，圍巖幾乎沒(méi)有或者有很少的自承能力，為此，我們提出了預(yù)留柔層支護(hù)技術(shù)，即在確定好的破碎區(qū)范圍(即張拉域)內(nèi)，離巷道圍巖表面張拉域厚度的2/3處內(nèi)的圍巖設(shè)置為“關(guān)鍵層”即次承載區(qū)，由剩下的1/3厚度的張拉域巖層設(shè)置為“柔層”區(qū)。通過(guò)注漿來(lái)加固、改變“關(guān)鍵層”即次承載區(qū)的巖體強(qiáng)度，用漿液封堵圍巖的裂隙，使趨于惡化的圍巖條件得到加固。注漿后將松散的張拉域圍巖膠結(jié)成“關(guān)鍵層”整體即次承載區(qū)，提高了巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，厚度較大，彈性模量較高，從而強(qiáng)化巖體的力學(xué)性能，可承擔(dān)和控制其上覆的“柔層”，可作為巷道頂板上部巖層的承載主體，這充分考慮了圍巖的自支承能力，以圍巖來(lái)支護(hù)圍巖，迎合了現(xiàn)代支護(hù)理論的發(fā)展趨勢(shì)。(3)深部巷道巖體中，經(jīng)歷過(guò)地殼運(yùn)動(dòng)和沉積作用，構(gòu)造應(yīng)力或殘余構(gòu)造應(yīng)力疊合累積為高應(yīng)力，儲(chǔ)存大量的高應(yīng)力能，致使深部巖體破壞具有強(qiáng)烈的突發(fā)性的沖擊破壞性質(zhì)。為此，在支護(hù)體中預(yù)留一定范圍的變形巖層，即“關(guān)鍵層”(或次承載區(qū))上的預(yù)留“柔層”作為壓力緩沖層使其既具有充分的柔度適應(yīng)圍巖的變形，又能以變形能的形式將圍巖中積聚的高應(yīng)力能的大部分釋放掉，支護(hù)讓壓是應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力重新分布過(guò)程，大大緩解了深部巖體中的應(yīng)力問(wèn)題，使支護(hù)問(wèn)題得以解決。(4)根據(jù)關(guān)鍵層理論和主次承載區(qū)協(xié)調(diào)維護(hù)作用理論，關(guān)鍵層在覆巖運(yùn)動(dòng)中起著承載主體與骨架的控制作用；主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用的維護(hù)理論，即壓縮域?yàn)橹鞒休d區(qū)，用支護(hù)加固的張拉域?yàn)榇纬休d區(qū)，主次承載區(qū)的協(xié)調(diào)作用決定巷道圍巖的最終穩(wěn)定。支護(hù)主要作用是加固第一張拉域，支護(hù)應(yīng)提高張拉域抗變形能力，限制張拉域擴(kuò)展，控制張拉域變形的穩(wěn)定，因此只要將注漿后重新形成的“關(guān)鍵層”即次承載區(qū)錨固在破碎區(qū)以外的堅(jiān)硬巖層中，就能對(duì)頂板荷載起到了支護(hù)效果。由錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼梁組成的錨固體系，使整個(gè)巷道連為一體，形成一個(gè)巖石加固圈，加固了巷道的穩(wěn)定。(5)錨索高預(yù)緊力的施加，在錨索自由段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，形成了相互連接成一片的、疊加的有效壓應(yīng)力區(qū)，頂板與支護(hù)材料形成共同承載體，加固了支護(hù)效果；利用壓縮域承載能力，長(zhǎng)錨索則可把圍巖中兩個(gè)或兩個(gè)以上壓縮域連接在一起，承載能力將會(huì)大大提高并與淺部組合加固的圍巖聯(lián)結(jié)在一起，進(jìn)一步組合加固和懸吊作用，形成抗變形能力很強(qiáng)的支護(hù)整體，大大提高了圍巖穩(wěn)定性，從而完全杜絕了垮冒現(xiàn)象的發(fā)生。本發(fā)明基于“巖層控制的關(guān)鍵層理論”、“預(yù)留柔層”讓壓支護(hù)理論以及“主次承載區(qū)協(xié)調(diào)維護(hù)作用理論”，從理論上論證了此種方法加固巷道頂板的可行性和合理性；充分利用了巷道圍巖固有承載力，關(guān)鍵層的出現(xiàn)(即次承載區(qū))起到了承載和控制上覆巖層的作用，改善了復(fù)雜條件下的圍巖力學(xué)特性，尤其是內(nèi)摩察角和粘聚力的提高，大大提高了圍巖強(qiáng)度；將傳統(tǒng)的多次施工的永久支護(hù)優(yōu)化為強(qiáng)力一次錨注支護(hù)，為控制復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道頂板的強(qiáng)烈變形，提供了支護(hù)新技術(shù)；“預(yù)留柔層”讓壓支護(hù)理論，將預(yù)留松軟巖層作為壓力緩沖層，吸收高應(yīng)力變性能，降低巷道表面的變形量，緩解了支護(hù)的難度，施工方便，操作簡(jiǎn)單，強(qiáng)力一次支護(hù)，省去了二次或多次支護(hù)的工序，降低成本，省時(shí)省力提高了工效，實(shí)現(xiàn)了雙重錨固，達(dá)到了強(qiáng)力支護(hù)效果，特別適用于動(dòng)壓難支護(hù)的頂板中。


圖1是錨索錨注后的支護(hù)斷面圖；圖2是錨索加固后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1_主承載區(qū)，2-張拉域，3-巷道，4-預(yù)應(yīng)力錨索，5-預(yù)留柔層，6_注漿后形成的次承載區(qū)，7-初噴層，8-菱形鋼筋網(wǎng)，9-錨索托盤(pán)，10-鋼梁。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，該方法是基于“巖層控制的關(guān)鍵層理論”，“預(yù)留柔層”讓壓支護(hù)理論以及“主次承載區(qū)協(xié)調(diào)維護(hù)作用理論”。根據(jù)十幾年來(lái)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料并分析，軟巖巷道圍巖力學(xué)形態(tài)變化過(guò)程中呈現(xiàn)拉壓域分布是一個(gè)普遍的規(guī)律，這是深部圍巖變形的一個(gè)重要特征。首先，利用深孔攝像探測(cè)儀器對(duì)深部巷道頂板圍巖不連續(xù)面以及破碎區(qū)的范圍和巖性等收集資料；根據(jù)探測(cè)結(jié)果確定破碎區(qū)范圍以及巖層巖性，緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打注漿孔，安裝注漿管后，進(jìn)行噴射薄層混凝土封閉巷道圍巖表面，再對(duì)淺部圍巖進(jìn)行低壓注漿；漿液終凝后和噴層一起形成整體加固結(jié)構(gòu)，淺部頂板重新膠結(jié)成復(fù)合承載拱頂，即形成所謂的“次承載區(qū)”，然后將形成的較堅(jiān)硬的圍巖“次承載區(qū)”用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)進(jìn)行加固、懸吊到深部堅(jiān)硬巖層中(即主承載區(qū))，再加上主承載區(qū)對(duì)它的保護(hù)作用，以達(dá)到對(duì)深部復(fù)雜條件下的頑固性支護(hù)問(wèn)題的解決。本發(fā)明的具體步驟如下(I)巷道開(kāi)挖后，緊跟巷道掘進(jìn)迎頭向巷道頂板中打深部鉆孔，將深孔攝像探測(cè)儀器送到鉆孔底部，記錄下不同深度的圍巖內(nèi)壁巖性、裂隙分布以及破碎區(qū)厚度h (即張拉域)范圍；
(2)緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打深為2h/3，間排距為1. 5 2. Om的注漿孔，安裝注漿管，然后在巷道圍巖表面噴射薄層混凝土以封閉巷道圍巖表面防止?jié){液外溢;(3)通過(guò)注漿管向圍巖內(nèi)部注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 2. OMPa時(shí)，穩(wěn)壓5 IOmin,以便使?jié){液充分滲入到圍巖裂隙內(nèi)，然后停止注漿；漿液終凝后和噴層一起形成整體加固結(jié)構(gòu)，將淺部巖體重新膠結(jié)成復(fù)合承載拱頂，漿液凝結(jié)后的頂板巖性堅(jiān)硬，強(qiáng)度、彈性模量均增大，改善了圍巖力學(xué)特性，即形成所謂的“關(guān)鍵層”或“次承載區(qū)”；(4)漿液固結(jié)后，向巷道圍巖表面打錨索孔，錨索孔深度超過(guò)破碎區(qū)范圍，安裝錨索，鋪鋼筋菱形網(wǎng)，調(diào)心托盤(pán)，采用全長(zhǎng)錨固方式，施加張拉預(yù)緊力，完成錨索加固；(5)重復(fù)上述工序步驟，以排距為基準(zhǔn)，錨注完整個(gè)巷道頂板。下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明。(I)巷道3掘出后，向巷道頂板即張拉域2中打深部鉆孔，將深孔攝像探測(cè)儀器送到鉆孔底部，記錄并整理出不同深度的圍巖內(nèi)壁巖性、裂隙分布以及破碎區(qū)范圍；(2)緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打破碎區(qū)2/3厚度深、間排距為1. 5 2. Om的注漿孔，注漿前必須用高壓風(fēng)清凈孔內(nèi)的巖粒和粉末。安裝注漿管后，在巷道圍巖表面作30cm厚的初噴層7以封閉巷道圍巖表面防止衆(zhòng)液外溢；(3)通過(guò)注漿管向圍巖內(nèi)部注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1. O 2. OMPa時(shí)，穩(wěn)壓5min后停止注漿，以便使?jié){液充分滲入到圍巖裂隙內(nèi)，漿液終凝后和噴層一起形成整體加固結(jié)構(gòu)，將淺部巖體重新膠結(jié)成復(fù)合承載拱頂，漿液凝結(jié)后的頂板巖性堅(jiān)硬，強(qiáng)度、彈性模量均增大，改善了圍巖力學(xué)特性，即形成所謂的“關(guān)鍵層”或“次承載區(qū)” 6 ;(4)錨索加固；漿液固結(jié)后，向巷道圍巖表面打錨索孔(錨索孔深度超過(guò)破碎區(qū)范圍)，安裝錨索，鋪鋼筋菱形網(wǎng)，調(diào)心托盤(pán)，采用端錨方式，施加張拉預(yù)緊力，完成錨索加固。(5)重復(fù)上述工序步驟，以錨索間排距為基準(zhǔn)，錨注完整個(gè)巷道頂板。
權(quán)利要求
1.一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其特征在于包括以下步驟 (1)巷道開(kāi)挖后，緊跟巷道掘進(jìn)迎頭向巷道頂板中打深部鉆孔，將深孔攝像探測(cè)儀器送到鉆孔底部，記錄下不同深度的圍巖內(nèi)壁巖性、裂隙分布以及破碎區(qū)厚度h范圍； (2)緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打深為2h/3，間排距為1.5 2. Om的注漿孔，安裝注漿管，然后在巷道圍巖表面噴射薄層混凝土以封閉巷道圍巖表面防止?jié){液外溢； (3)通過(guò)注漿管向圍巖內(nèi)部注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.O 2. OMPa時(shí)，穩(wěn)壓5 lOmin，以便使?jié){液充分滲入到圍巖裂隙內(nèi)，然后停止注漿；漿液固結(jié)后，一方面和噴層一起形成整體加固結(jié)構(gòu)，另一方面改善了圍巖力學(xué)特性，使破碎區(qū)分為預(yù)留柔層區(qū)與注漿后形成的次承載區(qū)； (4)漿液固結(jié)后，向巷道圍巖表面打錨索孔，錨索孔深度超過(guò)破碎區(qū)范圍，安裝錨索，鋪鋼筋菱形網(wǎng)，調(diào)心托盤(pán)，采用全長(zhǎng)錨固方式，施加張拉預(yù)緊力，完成錨索加固； (5)按相同工序，錨注完整個(gè)巷道頂板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其特征在于，步驟(2)中所述薄層混凝土的厚度為20 30cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其特征在于，步驟(3)中注漿前采用高壓風(fēng)清凈孔內(nèi)的巖粒和粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其特征在于，步驟(4)中錨索端部采用樹(shù)脂錨固，其余采用水泥漿錨固。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高預(yù)應(yīng)力錨索錨注復(fù)合破碎動(dòng)壓巷道軟巖頂板支護(hù)方法，其包括以下步驟巷道開(kāi)挖后，緊跟巷道掘進(jìn)迎頭向巷道頂板中打深部鉆孔，將深孔攝像探測(cè)儀器送到鉆孔底部，記錄下不同深度的圍巖內(nèi)壁巖性、裂隙分布以及破碎區(qū)厚度范圍；緊跟巷道掘進(jìn)迎頭，先在圍巖表面打注漿孔，安裝注漿管，然后在巷道圍巖表面噴射薄層混凝土以封閉巷道圍巖表面防止?jié){液外溢；通過(guò)注漿管向圍巖內(nèi)部注漿，漿液固結(jié)后，向巷道圍巖表面打錨索孔，錨索孔深度超過(guò)破碎區(qū)范圍，安裝錨索加固。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，施工方便，省去了二次或多次支護(hù)的工序，降低成本，省時(shí)省力提高了工效，實(shí)現(xiàn)了雙重錨固，達(dá)到了強(qiáng)力支護(hù)效果，特別適用于動(dòng)壓難支護(hù)的頂板中。
文檔編號(hào)E21D21/00GK102996149SQ201210476320
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者高東川, 馬志濤, 高東忍, 王永萍, 梁賽江, 王凱, 李瑞瑞, 張孝強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)