CN109026070B - 一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 - Google Patents
一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109026070B CN109026070B CN201810946607.7A CN201810946607A CN109026070B CN 109026070 B CN109026070 B CN 109026070B CN 201810946607 A CN201810946607 A CN 201810946607A CN 109026070 B CN109026070 B CN 109026070B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ring
- hydraulic
- rock
- roadway
- anchor rod
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 claims description 38
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 36
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 31
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 claims description 18
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 16
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 7
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 5
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 19
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 14
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 13
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 13
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 13
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 10
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 8
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 7
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 5
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000011440 grout Substances 0.000 description 3
- 241000219991 Lythraceae Species 0.000 description 2
- 235000014360 Punica granatum Nutrition 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000011378 shotcrete Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 1
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- PYLLWONICXJARP-UHFFFAOYSA-N manganese silicon Chemical compound [Si].[Mn] PYLLWONICXJARP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000003469 silicate cement Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
- E21D11/04—Lining with building materials
- E21D11/10—Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
- E21D11/14—Lining predominantly with metal
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
- E21D11/14—Lining predominantly with metal
- E21D11/15—Plate linings; Laggings, i.e. linings designed for holding back formation material or for transmitting the load to main supporting members
- E21D11/152—Laggings made of grids or nettings
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
- E21D11/14—Lining predominantly with metal
- E21D11/15—Plate linings; Laggings, i.e. linings designed for holding back formation material or for transmitting the load to main supporting members
- E21D11/155—Laggings made of strips, slats, slabs or sheet piles
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D20/00—Setting anchoring-bolts
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D21/00—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geology (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
Abstract
本发明公开了一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法，该方法在巷道开挖并进行临时支护以后实施，包括步骤：沿巷道径向将周围岩体由近及远依次划分为岩柱圈以及裂隙圈和/或拱形圈，在巷壁钻凿若干钻孔，使各钻孔依次穿过岩柱圈以及裂隙圈和/或拱形圈，然后对裂隙圈进行预裂和/或对拱形圈进行注浆，最后采用具有恒阻大变形特性的液压锚杆对岩柱圈进行支护，实现恒阻大变形让压释能。将液压锚杆支护与预裂和/或注浆工艺相结合，在应力稳态释放基础上分别实现近场高应力高效阻断和/或转移降阶的多级调控效果，从根本上解决了深部巷硐围岩大变形、冒顶片帮和岩爆等岩石灾变难题。
Description
技术领域
本发明涉及矿山地压管理技术领域，特别涉及一种基于稳态让压释能液压锚杆支护的深埋巷硐围岩近场应力调控方法，可广泛用于高应力环境下的巷道、隧洞、隧道和硐室等深埋工程，尤其适用于高应力条件下巷道和硐室围岩大变形和岩爆等岩石灾变的防控。
背景技术
随着世界经济全球化的加速，经济发展巨大的资源消耗使得地球浅部资源逐渐枯竭，深部开采已成为各国矿业开发的新常态。目前，全球范围内煤矿和金属矿最大开采深度分别达1500m和4350m，预计在未来10～15年内我国将有1/3以上矿山开采深度达到或超过1000米。深部开采环境比较复杂，最显著的特征是存在高初始地应力，据南非地应力测定结果，1000～5000m深度地应力达到50～135MPa。地应力是岩石灾变和矿压显现的根本驱动力，巷硐等地下工程开挖以后，围岩应力产生集中进一步形成高采动应力，由此诱导岩爆和大变形等各种高量级灾害频繁高发，岩体非常规破坏现象(板裂、岩心饼化、分区破裂等)日益凸显。深部活动面临的诸多地压灾害及技术难题，归根到底是深部采动作用下高应力环境及其变异引起的。
目前，矿山针对深部围岩大变形支护多采用提高围岩强度(注浆加固、锚注等)和强力支护技术(砌喧、架棚、锚网等)进行控制。研究发现，提高支护阻力对围岩应力场和塑性区分布影响有限，进入深部高应力环境后上述方法难以奏效，巷硐需要多次返修。此外，金属矿山深部硬岩初始储能极高，动力灾害倾向性更大，开挖扰动下弹性应变能极易瞬态释放，而现有被动防控技术难以从根本上解决岩爆等灾害难题。可见，研究深部高应力调控方法，解除近场高应力状态并向低应力进行良性转换在深埋工程中显得尤为必要。目前，人们对煤炭高应力卸压开采开展了一些探索和实践，涉及到与深井采矿相关的开采保护层、优化开拓***和采准工程布置、强制放顶、孔槽卸压、***/水力致裂、巷外掘巷等，但应力调控效果不明显。例如，公开号CN107083961A的中国专利公开了基于压裂圈的强地压巷道应力转移方法，通过对巷道围岩进行压裂形成压裂圈阻断深部高应力的传播，由于压裂圈***岩难以形成自承载结构，应力阻断效果有限。专利号CN103726872A、CN103899330A、CN204267040U、CN104763432A和CN103061808A均采用钻孔/槽或辅以***预裂方式进行卸压，破坏了围岩的稳定性，造成巷道围岩难以控制。其他相关专利，如CN102852522A、CN105569659A和CN103758570A借助水力割缝或机械切割预制切槽采用水力压裂或***方式切断巷道上覆坚硬顶板，消除了应力集中的影响，但无法改变深部巷硐围岩近场高初始应力状态。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法，将应力稳态释放与应力阻断和/或转移相结合，以改变近场应力的分布特征和分布规律，形成预期的卸荷低应力区，抑制岩石灾变发生。
为实现上述目的，本发明所采用的一种技术方案是：
一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法，在巷道开挖并进行临时支护以后实施，包括步骤：
(S11)沿巷道径向将周围岩体由近及远依次划分为岩柱圈和裂隙圈；
(S12)在巷壁钻凿若干钻孔，使各钻孔依次穿过岩柱圈和裂隙圈；
(S13)用第一封堵器封堵孔内岩柱圈和裂隙圈的交界区域，对裂隙圈进行预裂形成裂隙，并使相邻钻孔周边裂隙彼此贯通，阻断应力传递路径；
(S14)采用具有恒阻大变形特性的液压锚杆对岩柱圈进行支护，所述液压锚杆包括液压恒阻装置以及与液压恒阻装置相连的锚杆杆体，液压恒阻装置包括可伸缩传动轴和自动放液装置，可伸缩传动轴能在锚杆杆体带动下在液压恒阻装置内进行伸缩，可伸缩传动轴伸长的方向封装有液压油，使得可伸缩传动轴在伸长的同时能对液压油施加挤压力，自动放液装置用于在油压增大时实现自动卸液并保持恒定工作阻力；在支护过程中，一定的围岩变形力使锚杆杆体拉动可伸缩传动轴伸长，触发自动放液装置自动卸液，实现恒阻大变形让压释能。
优选的，在裂隙圈外划定拱形圈，对应的，各钻孔依次穿过岩柱圈和裂隙圈延伸至拱形圈外边界，所述步骤(S13)之前还包括步骤：用第二封堵器封堵孔内裂隙圈和拱形圈的交界区域，对拱形圈进行注浆，根据普氏拱理论利用拱形圈自承载特性实现拱形圈内近场高应力的转移降阶。更优选的，所述注浆液采用水泥-水玻璃双液体系。更优选的，所述第一、第二封堵器均采用钢编高压橡胶软管材料制成，封堵器充气后可迅速膨胀，能有效封堵钻孔，防止漏液，而且具有耐磨、耐压和可重复使用等优点。
优选的，所述预裂方式为水力压裂或***定向预裂。进一步，所述预裂方式为水力压裂，在实施水力压裂之前，还包括在对应钻孔压裂段开设若干预裂槽的步骤，以引导裂纹扩展。更优选的，所述预裂槽采用水力割缝或机械切割方式形成，最优选的方案是采用水力割缝法，并在高压水中掺杂石榴砂磨料，实现高强度岩体的水力割缝。
优选的，所述预裂槽深度40～60cm，宽度5～10cm，间距20～40cm。
优选的，所述岩柱圈厚度比巷道围岩塑性区厚度大N米，其中0.5≤N≤2。
优选的，所述钻孔深度4～6m、孔径56～90mm，孔间距800～2500mm。
优选的，所述支护方式为联合支护。更优选的，所述联合支护为锚网让压支护，所述锚网让压支护采用液压锚杆辅以金属网对岩柱圈进行支护，或所述联合支护采用所述锚网让压支护辅助喷射混凝土、钢带、锚索、架棚等对岩柱圈进行支护。
优选的，所述岩柱圈、裂隙圈和拱形圈在千米埋深条件下的厚度分别为2.5～3.0m、0.5～1.0m、1.0～2.0m，埋深达到2000m以上时，各圈层厚度适当增大0.5～1.5m。
优选的，所述液压恒阻装置还包括液压缸以及密封套接在液压缸内壁的可前后自由移动的活塞，活塞将液压缸内腔分隔为空腔和液压油腔两部分，空腔内设置有可伸缩传动轴，可伸缩传动轴一端与活塞前端面固定连接，另一端固定设置在空腔内与活塞前端面相对的一侧，活塞后端面与锚杆杆体相连，在支护过程中，一定的围岩变形力使锚杆杆体拉动活塞向液压油腔挤压滑动，触发自动放液装置自动卸液。
优选的，所述液压恒阻装置与锚杆杆体可拆卸连接，在巷硐废弃使用后，可拆除出液压恒阻装置，以备复用。更优选的，所述自动放液装置为三用阀，具有注液、卸液及保持油压恒定多种功能，能保证液压恒阻装置的安全性，便于其维修保养，提高使用寿命。
本发明所采用的另一种技术方案是：
一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法，在巷道开挖并进行临时支护以后实施，其特征在于，包括步骤：
(S21)沿巷道径向将周围岩体由近及远依次划分为岩柱圈和拱形圈；
(S22)在巷壁钻凿若干钻孔，使各钻孔依次穿过岩柱圈和拱形圈；
(S23)用第三封堵器封堵孔内岩柱圈和拱形圈的交界区域，对拱形圈进行注浆，利用拱形圈自承载特性实现近场高应力的转移降阶；
(S24)采用具有恒阻大变形特性的液压锚杆对岩柱圈进行支护，所述液压锚杆包括液压恒阻装置以及与液压恒阻装置相连的锚杆杆体，液压恒阻装置包括可伸缩传动轴和自动放液装置，可伸缩传动轴能在锚杆杆体带动下在液压恒阻装置内进行伸缩，可伸缩传动轴伸长的方向封装有液压油，使得可伸缩传动轴在伸长的同时能对液压油施加挤压力，自动放液装置用于在油压增大时实现自动卸液并保持恒定工作阻力；在支护过程中，一定的围岩变形力使锚杆杆体拉动可伸缩传动轴伸长，触发自动放液装置自动卸液，实现恒阻大变形让压释能。
优选的，所述第三封堵器采用钢编高压橡胶软管材料制成。
本发明的有益效果：
采用具有恒阻大变形特性的液压锚杆对岩柱圈进行支护，不仅可以释放围岩压力，而且可以适应并控制围岩大变形，稳态释放岩体中高应力和弹性应变能。进一步在岩柱圈***划定裂隙圈和/或拱形圈，并采用预裂和/或钻孔注浆方式分别达到应力高效阻断和/或转移降阶的目的，实现巷硐围岩高应力向低应力的良性转换，从根本上解决了深部巷硐围岩大变形、冒顶片帮和岩爆等岩石灾变难题。鉴于上述优异特性，本发明尤其适用于深部高应力环境下服务年限较长的巷道和硐室等工程，以消除深部巷硐等工程频繁返修带来的不利影响，并保证施工安全性。
附图说明
图1为本发明优选方案实施效果图；
图2为注浆***结构示意图；
图3为水力压裂***结构示意图；
图4为可拆卸式液压锚杆结构示意图；
图中：1-巷道，2-岩柱圈，3-裂隙圈，4-拱形圈，5-钻孔，6-预裂槽，7-第一封堵器，8-可拆卸式液压锚杆，9-第二封堵器，301-高压水发生器，302-磨料发生装置，303-输水管，304-输砂管，305-连接头，306-注水管，307-预裂槽，308-喷射切割头，401-水玻璃搅拌桶，402-水泥浆搅拌桶，403-吸浆管，404-注浆泵，405-输浆管，406-流量调节阀，407-混合器，408-连接软管，409-快速接头，410-注浆管，801-螺母，802-托盘，803-吸能板，804-液压恒阻装置，805-连接套，806-锚杆杆体，807-搅拌头，8041-六角头，8042-柱筒，8043-可伸缩传动轴，8044-真空空腔，8045-活塞，8046-液压油腔，8047-连杆，8048-孔口，8049-三用阀。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1-4，为本发明深埋巷硐围岩近场应力调控方法的一种优选方案。该方案应力调控的基本思路是：巷道1开挖以后进行临时支护，将周围岩体沿巷道1径向依次划分为岩柱圈2、裂隙圈3和拱形圈4。岩柱圈2、裂隙圈3和拱形圈4在千米埋深条件下的厚度分别为2.5～3.0m、0.5～1.0m、1.0～2.0m，埋深达到2000m以上时，各圈层厚度适当增大0.5～1.5m。在巷道1内沿巷壁采用钻机向岩体中钻若干钻孔5，通过向拱形圈4、裂隙圈3和岩柱圈2分别进行钻孔注浆、水力压裂和锚网让压支护构建三级应力调控体系，分别实现近场高应力的转移降阶、高效阻断和稳态释放，彻底消除深埋工程高应力灾变环境的影响。该应力调控体系的构建顺序如下：
步骤一：构建应力转移降阶体系。
参见图2，采用水泥-水玻璃双液注浆***通过各钻孔5向拱形圈4岩体进行注浆，自底板钻孔向顶板钻孔依次进行，通过提高深部岩体强度构筑一封闭的、具有自承载特性的直墙拱形刚性平衡结构，将覆岩压力转移至拱形圈4拱脚两侧实现自平衡，有效改善巷硐围岩应力分布状态，使巷硐围岩处于平衡拱形圈4以内低应力卸荷区域，实现巷硐围岩近场高应力的转移降阶。所述的双液注浆***包括水玻璃搅拌桶401、水泥浆搅拌桶402、吸浆管403、注浆泵404、输浆管405、流量调节阀406、混合器407、连接软管408、快速接头409、注浆管410和第一封堵器7。具体的，注浆工艺步骤如下：
(a1)在巷道1中准备凿岩设备，根据事先勘察的位置标出眼位，采用凿岩钻机沿巷硐岩壁向围岩深部钻凿深度4.0～6.0m和孔径56～90mm的钻孔5，钻进方向与开挖区域自由面成预定倾角，钻孔5间排距800～2500mm。钻孔完成后，采用高压风清理孔内岩屑并检查成孔质量。
(a2)组装双液注浆***：将水玻璃搅拌桶401和水泥浆搅拌桶402均通过吸浆管403与双液注浆泵404相连，两种浆体经输浆管405到达混合器407进行混合，混合后的浆体经连接软管408通过快速接头409与注浆管410相连接。双液浆的配比通过输浆管405上安置的流量调节阀406进行调节。注浆***组装完成后进行压水试验，检查设备状态是否正常。
(a3)将第二封堵器9和注浆管410连接置于孔内预定位置，并使第二封堵器器9位于钻孔内裂隙圈3和拱形圈4的交界区域。开启第二封堵器9进行固定，注浆管410头部开有出浆的圆孔，注浆管头部以下杆体可由多节通过螺旋或销接连接方式实现接长。注浆材料选择硅酸盐水泥和水玻璃复配，按照水灰比0.5:1～1.5:1、水玻璃浓度为25～40波美度、水玻璃浆和水泥浆体积比0.3:1～1:1的配比进行制浆，注浆泵404压力范围根据拱形圈钻孔取芯岩体质量设为0.5～6.0MPa，从巷硐底板向顶板逐孔进行注浆，当吸浆量小于20～60L/min并稳定20～30min时停止注浆，拆卸并清洗设备。
步骤二：构建应力高效阻断体系。
参加图3，采用水力压裂***在钻孔5中先沿径向切割形成若干预裂槽307，预裂槽307起裂方向与钻孔5径向夹角可控，优选为90°。用第一封堵器7在钻孔内岩柱圈2和裂隙圈3的交界区域进行封堵，开展水力压裂，直至各钻孔5压裂段围岩裂隙相互贯通，使裂隙圈3岩体丧失介质连续性，有效切断拱形圈4外高应力和巷道围岩近场应力的联系，阻断拱形圈4外高应力向巷硐围岩近场进行传播。所述的水力压裂***包括高压水发生器301、磨料发生装置302、输水管303、输砂管304、连接头305、注水管306、预裂槽307和喷射切割头308等。水力压裂详细实施步骤如下：
(b1)组装水力压裂***：将井下供水水管接入超高压水发生器301进行增压，开启磨料发生装置302、高压水经输水管303与输砂管304，输出的高压水和磨料在连接头305处进行混合，并与注水管306相连，***连接后接通水、电等管路，并进行测试实验。
(b2)切割预裂槽307：在注水管306最远端安装喷射切割头308，将喷射切割头308置于钻孔5预定位置，开启磨料发生装置302，根据裂隙圈3岩体强度设定60～120MPa水压，按照由巷道顶板向底板的施工顺序在钻孔5内裂隙圈3区域由里向外切割形成若干与钻孔5成预定夹角的预裂槽307，为水力压裂提供扩展方向，预裂槽307深度40～60cm，宽度5～10cm，间距20～40cm。
(b3)所有预裂槽307施工完工以后，退出注水管306，拆除喷射切割头308和磨料发生装置302，向岩柱圈2和裂隙圈3的交界区域位置安装第一封堵器7形成封闭压裂段。开启水力压裂***进行测漏实验，***正常时，设定60～120MPa水压，对钻孔5内裂隙圈3岩体进行注水压裂，使相邻钻孔周边裂隙彼此贯通，阻断应力传递路径，之后拆除设备。
步骤(b3)中，水力压裂只是一种实施方式，还可以采用***定向预裂等多种方式等同替代，同理，步骤(b2)中，预裂槽307可采用钻头机械切割方式进行变换。喷射切割头308与注水管306之间角度可灵活调整，磨料采用石榴砂，实现高强度岩体的水力割缝。
上述步骤中，第一、第二封堵器均采用钢编高压橡胶软管材料制成，内含受压膨胀结构，与小型手动气泵连接可快速实现充气膨胀和卸压，能有效封堵钻孔5，防止漏液，而且具有耐磨、耐压和可重复使用等优点，便于回收使用。
步骤三：构建应力稳态释放体系。
参见图4，采用可拆卸式液压锚杆8辅以金属网对裂隙圈3以内巷道顶板及两帮的岩柱圈2进行支护，岩柱圈2厚度比巷道围岩塑性区厚度大0.5～2.0m，避免巷道围岩开挖扰动形成的塑性区与裂隙圈3产生贯通造成锚网支护失效。可拆卸式液压锚杆8采用液压恒阻装置804在保持高支护强度不变的条件下通过卸液让压主动适应和控制深部围岩变形，稳态释放围岩中高弹性储能，实现巷道围岩近场应力的稳态释放，有效保证巷道围岩稳定性。该锚杆包括螺母801、托盘802、吸能板803、液压恒阻装置804、连接套805、锚杆杆体806、搅拌头807。其中，液压恒阻装置804包括六角头8041、柱筒8042、可伸缩传动轴8043、真空空腔8044、活塞8045、液压油腔8046、连杆8047、孔口8048和三用阀8049，活塞8045密封套接在柱筒8042内，将柱筒8042分为真空空腔8044和液压油腔8046两个腔室，活塞8045前后端面沿液压缸轴向分别焊接有可伸缩传动轴8043和连杆8047，孔口8048附近安装有三用阀8049，通过连杆8047带动活塞8045向液压油腔8046滑动使可伸缩传动轴8043随活塞8045运动产生伸缩，同时三用阀8049在液压油腔8046被挤压时进行自动卸液并保持恒定工作阻力，实现恒阻大变形让压释能。详细的锚杆支护实施步骤如下：
(c1)准备锚固剂、锚杆机等支护设备及材料，组装可拆卸式液压锚杆8，锚杆杆体806头部焊接有连接套805，尾部焊接有搅拌头807，连杆8047从孔口8048伸出，与锚杆杆体806通过连接套805实现螺纹连接，然后依次将吸能板803和托盘802套装在在液压恒阻装置804头部，并旋上螺母801用以紧固。
(c2)采用炮泥封堵拱形圈4和裂隙圈3对应的钻孔段，并对支护段钻孔进行清孔。
(c3)将2～3卷树脂或水泥砂浆锚固剂装入钻孔5中指定位置后，向液压恒阻装置804注液直至达到设计压力，沿巷道两帮及顶板岩壁铺设金属网，借助锚杆机将组装的锚杆穿过金属网孔推入钻孔5并搅拌锚固剂20～30s，待孔底锚固剂凝固后拧紧液压恒阻装置804上的螺母801对其施加一定预紧力，当深部围岩变形力超过可拆卸式液压锚杆8额定工作阻力时，液压恒阻装置804通过三用阀8049让压卸液自动发生延伸，不断适应和控制围岩变形。
(c4)支护结束后，拆除液压恒阻装置804，进行回收利用。
可拆卸式液压锚杆8长度大于巷道围岩塑性区厚度0.5～1.0m，并且不超过岩柱圈2厚度。可伸缩传动轴8043将锚杆机作用在六角头8041扭矩传递给连杆8047，实现连杆8047和连接套805的连接和拆卸。可伸缩传动轴8043包括若干段轴节，各轴节通过花键键接，轴节段数及其长度根据需要设定，继而调控锚杆伸缩量达到设计要求。三用阀8049具备注液阀、安全阀和卸液阀件的多种功能，其中注液阀用来向液压油腔8046中注入高压抗磨液压油，注入油压根据工作阻力设定；安全阀用来保持恒阻工作特性，当围岩出现大变形或围岩能量突然释放时，可以通过安全阀缓慢卸液实现活塞8045的稳态滑动并保持恒定工作阻力；在拆除液压恒阻装置804后，通过泄液阀卸掉液压油有利于保护液压恒阻装置804的安全性，便于其维修保养。液压恒阻装置804将液压阻尼和可伸缩传动有效结合，提高了锚杆可伸缩量和抗冲击能力，改善了工作阻力可调性，能够在保持支护强度不变的条件下适应并控制围岩变形，稳态释放围岩中高弹性储能，实现锚杆恒阻大变形。搅拌头807呈麻花状，增大了与锚固剂的接触面积，有利于锚固剂的快速搅拌及其与锚杆杆体806的耦合，提高了锚杆杆体806锚固端与围岩之间的锚固力。为满足耐磨、耐用、耐压和抗腐蚀的性能要求，孔口8048采用纳米陶瓷材料元件密封，液压恒阻装置804的金属构件采用全新27硅锰材料铸造。
基于上述特点，可拆卸式液压锚杆8不仅可以用来控制矿山巷硐围岩变形和能量释放，而且对于交通工程中隧道、水利工程中隧洞和边坡及坝体等均具有较好的支护效果和动力型灾害防控能力。当然，上述锚网让压支护还可辅助其他方式进行联合支护，所述其他方式包括但不限于喷射混凝土、钢带、锚索、架棚中的至少一种，且不限制于巷硐顶板及两帮，巷硐底板发生底鼓时同样采用锚网让压支护等联合支护。
为更好地说明上述方案的应用，以下例举一种实施方法进行详细说明：
本方法中，直墙半圆拱形巷道1断面尺寸5000×3700mm，采用钻孔电视法测得的巷道围岩塑性区厚度为1.5～1.8m。开挖后采用前探梁进行临时支护，采用Boomer K111液压凿岩台车自巷道顶板围岩向底板围岩依次钻凿深度为5.0m、孔径为56mm的钻孔5，钻孔5间排距均为800mm。岩柱圈2、裂隙圈3和拱形圈4宽度分别为2.5m、1.0m和1.5m。
采用注浆***通过钻孔5向拱形圈4岩体进行注浆，自巷硐底板钻孔向顶板钻孔依次进行。注浆材料水灰比0.8:1，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水玻璃浓度为35波美度，水泥采用42.5硅酸盐水泥，注浆泵压力设为5.0MPa。第一封堵器7和第二封堵器9均采用钢编高压橡胶软管材质制成，充气后可迅速膨胀，其长度15cm，直径46mm，最大膨胀外径84mm，最大耐压高达200MPa，置于钻孔5中可有效封堵钻孔5防止漏浆漏水。注浆管410为空心钢管，直径为42mm，头部长0.5m，开有直径5mm出浆的圆孔，圆孔间距10cm，头部以下杆体由长度1.0～1.5m的多节组成，通过螺旋结构进行连接。
注浆完成后，采用水力压裂***向裂隙圈3岩体进行水力割缝和水力压裂，水力割缝形成若干预裂槽307，预裂槽307深度50cm，宽度5cm，间距20cm，由水力压裂***的磨料发生装置302辅助喷射切割头308完成，水压定为80Mpa，喷射切割方向与注水管306轴向之间夹角为90°。
注浆和水力压裂完成后，采用可拆卸式液压锚杆8辅以金属网对岩柱圈2进行支护，金属网规格为
锚杆杆体806为延伸性好的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，长度1.5m。锚杆杆体806截面直径18mm，麻花状搅拌头807长度15～30cm，左旋麻花扭转角度540°/mm，二者材质均为Q235普通钢材。连接套805长度10cm，内径18mm，内置全长螺纹，使连杆8047与连接套805的连接力大于锚杆杆体806的极限抗拉强度。液压恒阻装置804中，柱筒8042长90cm，外径48mm，壁厚5mm；活塞8045直径38mm，厚度20mm，连杆8047长70cm，直径与锚杆杆体806一致，柱筒8042最前端开设外螺纹长10cm，六角头8041公称直径41mm，厚度12mm。通过三用阀8049注入高压抗磨液压油，根据液压恒阻装置材料屈服强度可计算液压恒阻装置804产生的理论工作阻力达150～250kN。在实际应用中，锚杆杆体806及连杆8047直径并不局限于上述尺寸，根据钻孔5及液压恒阻装置804外径不同，二者杆径均可变动，如矿山常用的尺寸有16、18、20、22mm，当然，连杆8047直径与锚杆杆体806也可以不一致，在相同工作阻力条件下，连杆8047直径设计较小或柱筒8042直径设计较大可以增大液压油腔8046里的有效截面积，避免因外注的液压油压强过大而影响液压恒阻装置804的使用寿命。为使连接受力较为均匀，3段传动轴节通过矩形花键联接，每段轴节长30cm，总伸缩量为60cm，相邻轴节首尾部的变径量为1～2mm。螺母801采用M48六角螺母，与液压恒阻装置804连接强度大于锚杆杆体806抗拉强度。托盘802为金属蝶形托盘，尺寸为120mm×120mm×10mm，中心圆形通孔直径60mm。吸能板803由泡沫铝制成，能防止围岩能量突然释放冲坏螺母801和托盘802，其尺寸为200mm×200mm×40mm，中心圆形通孔直径60mm。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效法界定。
Claims (8)
1.一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法，在巷道开挖并进行临时支护以后实施，其特征在于，包括步骤：
(S11)沿巷道径向将周围岩体由近及远依次划分为岩柱圈和裂隙圈；
(S12)在巷壁钻凿若干钻孔，使各钻孔依次穿过岩柱圈和裂隙圈；
(S13)用第一封堵器封堵孔内岩柱圈和裂隙圈的交界区域，对裂隙圈进行预裂形成裂隙，并使相邻钻孔周边裂隙彼此贯通，阻断应力传递路径；
(S14)采用具有恒阻大变形特性的液压锚杆对岩柱圈进行支护，所述液压锚杆包括液压恒阻装置以及与液压恒阻装置相连的锚杆杆体，液压恒阻装置包括可伸缩传动轴和自动放液装置，可伸缩传动轴能在锚杆杆体带动下在液压恒阻装置内进行伸缩，可伸缩传动轴伸长的方向封装有液压油，使得可伸缩传动轴在伸长的同时能对液压油施加挤压力，自动放液装置用于在油压增大时实现自动卸液并保持恒定工作阻力；在支护过程中，一定的围岩变形力使锚杆杆体拉动可伸缩传动轴伸长，触发自动放液装置自动卸液，实现恒阻大变形让压释能；
还包括：在裂隙圈外划定拱形圈，对应的，各钻孔依次穿过岩柱圈和裂隙圈延伸至拱形圈外边界，所述步骤(S13)之前还包括步骤：用第二封堵器封堵孔内裂隙圈和拱形圈的交界区域，对拱形圈进行注浆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预裂的方式为水力压裂或***定向预裂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预裂的方式为水力压裂，在实施水力压裂之前，还包括在对应钻孔段开设若干预裂槽的步骤，以引导裂纹扩展。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预裂槽的深度为40～60cm，宽度为5～10cm，间距为20～40cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩柱圈的厚度比巷道围岩塑性区厚度大N米，其中0.5≤N≤2。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钻孔的深度为4～6m、孔径为56～90mm，孔间距为800～2500mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支护的方式为联合支护。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液压恒阻装置还包括液压缸以及密封套接在液压缸内壁的可前后自由移动的活塞，活塞将液压缸内腔分隔为空腔和液压油腔两部分，空腔内设置有可伸缩传动轴，可伸缩传动轴一端与活塞前端面固定连接，另一端固定设置在空腔内与活塞前端面相对的一侧，活塞后端面与锚杆杆体相连，在支护过程中，一定的围岩变形力使锚杆杆体拉动活塞向液压油腔挤压滑动，触发自动放液装置自动卸液，实现恒阻大变形让压释能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810946607.7A CN109026070B (zh) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810946607.7A CN109026070B (zh) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109026070A CN109026070A (zh) | 2018-12-18 |
| CN109026070B true CN109026070B (zh) | 2020-07-28 |
Family
ID=64631394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810946607.7A Active CN109026070B (zh) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109026070B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109372556B (zh) * | 2018-09-30 | 2020-08-25 | 淮阴工学院 | 一种适于高应力软岩隧巷道围岩支护的夹心拱及施工方法 |
| CN109670275B (zh) * | 2019-02-12 | 2022-06-07 | 内蒙古科技大学 | 一种u型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法 |
| CN110849316A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-02-28 | 华北水利水电大学 | 一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法 |
| CN112459813B (zh) * | 2020-10-30 | 2022-11-18 | 山东东山新驿煤矿有限公司 | 一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法 |
| CN114738021A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-07-12 | 盾构及掘进技术国家重点实验室 | 一种高地应力软岩隧道大变形的短锚让压支护结构及方法 |
| CN116480392B (zh) * | 2023-06-21 | 2023-09-29 | 矿冶科技集团有限公司 | 一种岩柱加固方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10231520A (ja) * | 1997-02-20 | 1998-09-02 | Raito Kogyo Co Ltd | 地中アンカー工法におけるグラウト材の健全度検査方法 |
| CN102220866B (zh) * | 2011-04-17 | 2013-09-18 | 山东科技大学 | 深部煤巷冲击地压卸压与加固协同防治方法 |
| CN102518436B (zh) * | 2011-11-14 | 2014-01-08 | 山东科技大学 | 煤矿巷道掘进时构造型冲击地压防治方法 |
| CN105781572B (zh) * | 2016-03-11 | 2017-12-19 | 中南大学 | 深部矿山硬岩巷道应力吸附层结构化支护方法 |
| CN107035387B (zh) * | 2016-12-12 | 2019-01-04 | 贵州理工学院 | 一种强烈动压影响下巷道围岩控制方法 |
-
2018
- 2018-08-20 CN CN201810946607.7A patent/CN109026070B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109026070A (zh) | 2018-12-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109026070B (zh) | 一种深埋巷硐围岩近场应力调控方法 | |
| AU2017301079B2 (en) | Supporting Method of An Extensible Reaming Self-Anchoring Anchor Rod | |
| CN109779633A (zh) | 煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法 | |
| CN102644471B (zh) | 封孔器及使用封孔器进行小孔径注浆锚固锚索的封孔方法 | |
| CA2994061C (en) | Supporting method of an extensible reaming self-anchoring anchor rod | |
| CN103206903B (zh) | 一种坚硬顶板定向承压***控制方法 | |
| CN102505687B (zh) | 可预爆钻注锚一体化锚杆及施工方法 | |
| CN102278128B (zh) | 一种高水平应力不良岩层巷道支护工艺 | |
| CN110656936A (zh) | 基于静力膨胀剂的矿山顶板定向切顶卸压方法 | |
| CN202416312U (zh) | 一种可预爆钻注锚一体化的锚杆 | |
| AU3800499A (en) | Controlled foam injection method and means for fragmentation of hard compact rock and concrete | |
| CN110939404A (zh) | 煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法 | |
| CN112647944A (zh) | 酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备及方法 | |
| CN110080763B (zh) | 一种基于内注式静态破碎卸压机构的煤层围岩卸压方法 | |
| CN219622725U (zh) | 一种自进式注浆囊袋锚杆 | |
| CN108756883A (zh) | 一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及*** | |
| CN111485918A (zh) | 一种工作面过断层预注浆加固方法以及注浆装置 | |
| CN116804369A (zh) | 一种tbm穿越不良地层组合施工方法 | |
| CN110645033A (zh) | 一种砂卵石地层盾构施工洞内深层注浆的装置及其方法 | |
| CN211008565U (zh) | 煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置 | |
| CN112160753B (zh) | 一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法 | |
| CN114876536A (zh) | 一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置及方法 | |
| CN210977540U (zh) | 一种砂卵石地层盾构施工洞内深层注浆的装置 | |
| CN112282808A (zh) | 一种大采高防片帮的锚煤注顶装置及其使用方法 | |
| Li | Design principles of rock support for underground excavations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |