CN110792450B - 一种确定注浆锚索超前支护的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定注浆锚索超前支护的方法，包括以下步骤：Z1、基于巷道收敛量预测L1和巷道安全收敛量L2建立作业安全性评价；Z2、得到巷道收敛量预测L3，比较L2与L3值的大小；当L3的值大于等于L2的值时，则需要重新选取最大安全支护参数，直至L3的值小于L2的值；当L3的值小于L2的值时，继续步骤Z3；Z3、得到巷道实际收敛量L4，比较L2与L4值的大小；当L4的值大于等于L2的值时，则需要重新确定超前支护参数，直至L4的值小于L2的值；当L4的值小于L2的值时，则表明该回采巷道采用的注浆锚索进行超前支护安全可靠。本发明确定的注浆锚索超前支护参数安全性高，是一种方便快捷、工程应用性极佳的确定注浆锚索超前参数的方法。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井开采领域，尤其涉及一种确定注浆锚索超前支护的方法。
背景技术
采煤工作面回采方向与巷道交汇处向前受采动影响区域是行人、通风、设备运输的咽喉位置，工作面超前段空间小、设备多、作业人员多，是工人进出工作面的必经之路特殊的空间环境使该区域极易存在安全隐患。同时该区域受采动及多种支承压力影响，矿压显现复杂，巷道维护困难，工作面超前段的安全有效支护一直是矿井围岩控制的重点和难点。特别是开采进入深部以后，随着岩体自重应力和构造应力的显著增大及复杂多变，超前段矿压显现更加剧烈，往往造成顶板下沉、巷帮收缩、底鼓，甚至冲击等强烈矿压现象，导致巷道断面急剧减小。我国常用的超前支护方式主要为：单体支柱“π”型梁支护、超前液压支架支护。
单体支柱“π”型梁支护。采用π型梁与单体液压支柱结合作为基本支护，替代铰接顶梁与单体支柱配套的支护方式，也是一种被动支护为主的支护方式。其支护整体性强，对于地质构造影响，造成的破碎顶板，支护效果明显好于铰接顶梁。与铰接顶梁相比，π型梁降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，降低了安全管理的难度。但是与超前液压支架相比，单体支柱“π”型梁支护操作麻烦，工人劳动强度较大。随着综采技术的发展，单体支柱“π”型梁支护已满足不了机械大型化后的支护要求。
超前液压支架机械化程度高、支护强度大、工人劳动强度低，是大型综采工作面常用的支护方式。超前支架其充足的的支承力和大面积的支承范围以及自身可靠的稳定性能是单体液压支柱与π梁组成的棚设支护无法比拟的，但正因为其充足的支承力和大面积的支承范围，导致材巷顶板在经过多次反复支承后破碎离层，有时甚至出现局部冒顶现象，同时因超前支架自身体积较大，加之顶板破碎时下沉以及巷道变形等因素非常容易造成巷道有效断面积减小量较大，引起风速超限等安全隐患，同时其较大的支承覆盖面积在支承过程中造成部分顶部锚索外漏部分严重变形，导致锚索托盘无法回收复用引起材巷老空区悬顶面积过大，形成了材料的浪费与重大顶板事故。
《煤矿安全规程》第九十七条规定：采煤工作面所有安全出口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护，且加强支护的巷道长度不得小于20m，而且没有明确指出采用何种形式在超前支护段予以加强支护，只要能够满足巷道超前段支护强度要求，可以在当前已有的支护技术内选择适合的超前支护形式。基于此，提出回采工作面超前支护段拟采用中空注浆锚索加强支护，该支护方式相较传统的单体液压支柱或超前液压支架超前支护形式，注浆锚索可大幅降低劳动强度，提高机械化程度，提高施工效率，减少支护成本，由于超前段支护形式发生变化，因此，需论证超前支护段注浆锚索加强支护强度是否满足安全生产要求。
因此，有必要发展一种基于钻孔探测以及围岩变形及锚杆受力特征、松动圈发育规律等矿压显现规律，确定注浆锚索超前支护参数的方法，对提高回采工作面安全、高效开采具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定注浆锚索超前支护的方法，该方法能够确保注浆锚索超前支护的安全性，是一种方便快捷、工程应用性极佳的确定注浆锚索超前参数的方法。
本发明在综采工作面巷道原有永久支护(锚网联合支护)的基础采用注浆锚索超前的方法，锚索锚入顶板稳定围岩中，将煤层顶板悬吊于上层坚固岩层，并且对顶板成施加轴向约束力，形成稳定结构进行承载；通过注浆把破碎顶板的缝隙和孔体充实，将巷道顶板胶结成整体。基于钻孔探测以及围岩变形及锚杆受力特征、松动圈发育规律等矿压显现规律确定注浆锚索超前支护参数的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种确定注浆锚索超前支护的方法，包括以下步骤：
Z1、根据现场情况进行巷道收敛量预测L1，根据巷道超前支护规范确定巷道安全收敛量L2，基于巷道收敛量预测L1和巷道安全收敛量L2建立作业安全性评价；
Z2、根据注浆锚索支护结构及原理，计算得到注浆锚索超前支护参数，选取最大安全支护参数，从中得到巷道收敛量预测L3，比较L2与L3值的大小；当L3的值大于等于L2的值时，则需要调整超前支护参数，重新选取最大安全支护参数，直至L3的值小于L2的值；当L3的值小于L2的值时，继续步骤Z3；
Z3、按照确定的超前支护参数中最大安全支护参数进行施工，并进行现场监测，得到巷道实际收敛量L4，比较L2与L4值的大小；当L4的值大于等于L2的值时，则需要调整步骤Z2中的超前支护参数，重新确定超前支护参数，直至L4的值小于L2的值；当L4的值小于L2的值时，则表明该巷道采用的注浆锚索进行超前支护安全可靠。
进一步的，步骤Z1中的巷道收敛量预测L1基于的现场情况包括工程地质概况、生产条件和巷道支护结构。
再进一步的，步骤Z1中的巷道安全收敛量L2是基于巷道超前支护规范通过类比方法、数值模拟和模型试验，确定在工作面采动影响下以及侧向支承压力的叠加作用下的巷道围岩变形破坏特征，以及应力分布情况，确定巷道超前支承压力分布规律，确定超前支护距离，得到围岩裂隙的演化特征，顶板离层特征以及顶板岩层完整性，确定该巷道在保证施工安全的前提下，确定巷道安全收敛量L2。
再进一步的，步骤Z1中在确定巷道安全收敛量L2时，结合钻孔探测。
再进一步的，步骤Z2中，针对注浆锚索支护结构及原理，确定其应力分布特征和强度准则，针对施工巷道建立力学本构模型，进行理论计算、数值模拟和模拟实验，确定注浆锚索对顶板的应力承载作用以及应力分布特征，建立支护巷道在工作面开采扰动以及侧向支撑压力的作用下巷道的应力演化特征，以及锚固注浆结构特征，并基于应力分布特征初步确定注浆锚索超前支护参数。
再进一步的，步骤Z3中，对巷道超前支护范围内，采用注浆锚索进行超前支护，随着工作面的推进，在巷道沿着工作面推进方向，进行注浆锚索超前支护，在巷道始终保持一定超前支护安全距离，并对超前支护巷道进行现场监测，监测巷道的围岩裂隙演化规律，矿山压力显现规律，围岩松动圈的变化范围，分析塑性区分布特征、应力分布特征及围岩变形特征，进而对超前支护段的顶板稳定性进行分析，并得到巷道实际收敛量L4。
再进一步的，步骤Z3中的现场监测包括钻孔探测、表面位移监测和顶板离层监测。
再进一步的，步骤Z3中的现场监测通过矿压在线观测***、巷道表面位移检测、顶板离层仪和钻孔探测仪实现；所述矿压在线观测***包括钻孔应力计、顶板位移传感器、锚索应力计；巷道表面位移检测通过矿压人工观测点检测；所述钻孔应力计、矿压人工观测点、顶板离层仪、顶板位移传感器、锚索应力计均沿巷道延伸方向间隔设置有多个。
再进一步的，所述钻孔应力计设置在巷帮上；所述矿压人工观测点设置在顶板或巷帮上；所述顶板离层仪、顶板位移传感器及锚索应力计设置在顶板上。
再进一步的，相邻两个所述钻孔应力计间隔距离为25m；相邻两个所述矿压人工观测点间隔距离为25m；相邻两个所述锚索应力计间隔距离为25m；相邻两个所述顶板离层仪间隔距离为25m；所述顶板位移传感器设置在相邻两个顶板离层仪的中间位置。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
本发明通过巷道收敛量预测L1与巷道安全收敛量L2对比对施工安全性进行评价；根据注浆锚索支护结构及原理，计算得到注浆锚索超前支护参数，最终得到巷道收敛量预测L3，利用巷道安全收敛量L2与巷道收敛量预测L3进行比较，反馈修改注浆锚索超前支护参数；按照确定的超前支护参数中最大安全支护参数进行施工，并进行现场监测，得到巷道实际收敛量L4，利用巷道安全收敛量L2与巷道实际收敛量L4进行比较，反馈修改注浆锚索超前支护参数；使确定的注浆锚索超前支护参数安全性高，是一种方便快捷、工程应用性极佳的确定注浆锚索超前参数的方法。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为确定注浆锚索超前支护的方法的具体研究技术路线图。
具体实施方式
如图1所示，一种确定注浆锚索超前支护的方法，可分为三个步骤，步骤Z1施工安全性评价、步骤Z2超前支护参数的确定、步骤Z3现场工业性试验。其中施工安全性评价Z1对超前支护参数的确定Z2、现场工业性试验Z3起到辅助评价作用，以及理论与实践基础的作用。
施工安全性评价Z1主要包括巷道收敛量预测L1S3和巷道安全收敛量L2S14。巷道收敛量预测L1S3通过对工程地质概况、生产条件和巷道支护结构S2为基础对巷道围岩变形规律进行分析，了解巷道围岩空间演化特征，分析塑性区分布特征、应力分布特征及围岩变形特征，进而对超前支护段的顶板稳定性进行分析，并以此推断巷道收敛量L1S3。巷道安全收敛量L2S14，基于巷道超前支护规范S11通过类比方法、数值模拟和模型试验S12，确定在工作面采动影响下以及侧向支承压力的叠加作用下的巷道围岩变形破坏特征，以及应力分布情况，结合钻孔探测S13，确定巷道超前支承压力分布规律，确定超前支护距离，得到围岩裂隙的演化特征，顶板离层特征以及顶板岩层完整性，确定该巷道在保证施工安全的前提下，确定巷道围岩的安全收敛量L2S14。其中所述的钻孔探测通过钻孔探测仪实现，岩层钻孔探测仪所得探测结果包括每个钻孔的录像、钻孔展开图和柱状图，为了便于对钻孔孔壁的分析处理，一般要将上述三种图像信息进行综合对比。为了弥补现场操作条件和减弱水、泥、雾等不利因素影响，增强图像美观、实现最优状态，应用图像处理技术处理所得图片。把现场记录的探测孔的位置，距离等信息与图像对应起来，同时对图像显示的孔壁的深度、破坏状态进行说明。通过对各测站钻孔内岩体结构、裂隙发育程度进行分析，观察岩体内裂隙发育情况。在为了确定合理的超前支护技术参数，实测巷道顶板围岩松动圈范围。总之根据上述本领域的常规技术手段确定出巷道安全收敛量L2。基于巷道收敛量预测L1S3和巷道安全收敛量L2S14对比对施工安全性进行科学性评价。
超前支护参数的确定Z2，针对注浆锚索支护结构及原理S112，确定其应力分布特征和强度准则，针对施工巷道建立力学本构模型，进行理论计算、数值模拟和模拟实验S113，确定注浆锚索对顶板的应力承载作用以及应力分布特征，建立支护巷道在工作面开采扰动以及侧向支撑压力的作用下巷道的应力演化特征，以及锚固注浆结构特征，并基于应力分布特征初步确定注浆锚索超前支护参数S114，在保证安全的前提下，基于注浆锚索初步支护参数S114，选取注浆锚索超前支护最大安全支护参数S115，对比该支护结构下，得到巷道收敛量预测L3S116，比较L2与L3值的大小。当L3的值大于等于L2的值时，则需要调整超前支护参数，重新选取最大安全支护参数，直至L3的值小于L2的值，通过巷道安全收敛量L2的反馈提高选取的超前支护参数的安全性。当L3的值小于L2的值时，则进行现场工业性试验Z3。
现场工业性试验Z3，对巷道超前支护范围内，采用注浆锚索进行超前支护，随着工作面的推进，在巷道沿着工作面推进方向，进行注浆锚索超前支护，在巷道始终保持一定超前支护安全距离。并对超前支护巷道进行现场监测，监测巷道的围岩裂隙演化规律，矿山压力显现规律，围岩松动圈的变化范围，分析塑性区分布特征、应力分布特征及围岩变形特征，进而对超前支护段的顶板稳定性进行分析，并得到巷道实际收敛量L4，比较L2与L4值的大小。当L4的值大于等于L2的值时，则需要调整步骤Z2中的超前支护参数，重新确定超前支护参数，直至L4的值小于L2的值，通过巷道安全收敛量L2的反馈提高巷道实际收敛量L4的安全性。当L4的值小于L2的值时，则表明该巷道采用的注浆锚索进行超前支护安全可靠。
现场工业性试验Z3中的现场监测包括钻孔探测、表面位移监测和顶板离层监测，通过矿压在线观测***、巷道表面位移检测、顶板离层仪、钻孔探测仪实现。巷道表面位移检测通过矿压人工观测点检测。所述矿压在线观测***包括钻孔应力计、顶板位移传感器、锚索应力计。钻孔应力计、顶板位移传感器、锚索应力计、矿压人工观测点、顶板离层仪和钻孔探测仪的结构及使用方法均为现有技术，是本领域技术人员的常规技术手段，在此不再赘述。本具体实施例中所特有的是，所述钻孔应力计、矿压人工观测点、顶板离层仪、顶板位移传感器、锚索应力计均沿巷道延伸方向间隔设置有多个。所述钻孔应力计设置在巷帮上；所述所述矿压人工观测点设置在顶板或巷帮上；所述顶板离层仪、顶板位移传感器及锚索应力计设置在顶板上。相邻两个钻孔应力计间隔距离为25m，相邻两个矿压人工观测点间隔距离为25m，相邻两个锚索应力计间隔距离为25m，相邻两个顶板离层仪间隔距离为25m，顶板位移传感器设置在相邻两个顶板离层仪的中间位置。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于，包括以下步骤：
Z1、根据现场情况进行巷道收敛量预测L1，根据巷道超前支护规范确定巷道安全收敛量L2，基于巷道收敛量预测L1和巷道安全收敛量L2建立作业安全性评价；
Z2、根据注浆锚索支护结构及原理，计算得到注浆锚索超前支护参数，选取最大安全支护参数，从中得到巷道收敛量预测L3，比较L2与L3值的大小；当L3的值大于等于L2的值时，则需要调整超前支护参数，重新选取最大安全支护参数，直至L3的值小于L2的值；当L3的值小于L2的值时，继续步骤Z3；
Z3、按照确定的超前支护参数中最大安全支护参数进行施工，并进行现场监测，得到巷道实际收敛量L4，比较L2与L4值的大小；当L4的值大于等于L2的值时，则需要调整步骤Z2中的超前支护参数，重新确定超前支护参数，直至L4的值小于L2的值；当L4的值小于L2的值时，则表明该巷道采用的注浆锚索进行超前支护安全可靠。
2.根据权利要求1所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z1中的巷道收敛量预测L1基于的现场情况包括工程地质概况、生产条件和巷道支护结构。
3.根据权利要求1所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z1中的巷道安全收敛量L2是基于巷道超前支护规范通过类比方法、数值模拟和模型试验，确定在工作面采动影响下以及侧向支承压力的叠加作用下的巷道围岩变形破坏特征，以及应力分布情况，确定巷道超前支承压力分布规律，确定超前支护距离，得到围岩裂隙的演化特征，顶板离层特征以及顶板岩层完整性，确定该巷道在保证施工安全的前提下，确定巷道安全收敛量L2。
4.根据权利要求3所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z1中在确定巷道安全收敛量L2时，结合钻孔探测。
5.根据权利要求3所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z2中，针对注浆锚索支护结构及原理，确定其应力分布特征和强度准则，针对施工巷道建立力学本构模型，进行理论计算、数值模拟和模拟实验，确定注浆锚索对顶板的应力承载作用以及应力分布特征，建立支护巷道在工作面开采扰动以及侧向支撑压力的作用下巷道的应力演化特征，以及锚固注浆结构特征，并基于应力分布特征初步确定注浆锚索超前支护参数。
6.根据权利要求1所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z3中，对巷道超前支护范围内，采用注浆锚索进行超前支护，随着工作面的推进，在巷道沿着工作面推进方向，进行注浆锚索超前支护，在巷道始终保持一定超前支护安全距离，并对超前支护巷道进行现场监测，监测巷道的围岩裂隙演化规律，矿山压力显现规律，围岩松动圈的变化范围，分析塑性区分布特征、应力分布特征及围岩变形特征，进而对超前支护段的顶板稳定性进行分析，并得到巷道实际收敛量L4。
7.根据权利要求6所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z3中的现场监测包括钻孔探测、表面位移监测和顶板离层监测。
8.根据权利要求7所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：步骤Z3中的现场监测通过矿压在线观测***、巷道表面位移检测、顶板离层仪和钻孔探测仪实现；所述矿压在线观测***包括钻孔应力计、顶板位移传感器、锚索应力计；巷道表面位移检测通过矿压人工观测点检测；所述钻孔应力计、矿压人工观测点、顶板离层仪、顶板位移传感器、锚索应力计均沿巷道延伸方向间隔设置有多个。
9.根据权利要求8所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：所述钻孔应力计设置在巷帮上；所述矿压人工观测点设置在顶板或巷帮上；所述顶板离层仪、顶板位移传感器及锚索应力计设置在顶板上。
10.根据权利要求9所述的确定注浆锚索超前支护的方法，其特征在于：相邻两个所述钻孔应力计间隔距离为25m；相邻两个所述矿压人工观测点间隔距离为25m；相邻两个所述锚索应力计间隔距离为25m；相邻两个所述顶板离层仪间隔距离为25m；所述顶板位移传感器设置在相邻两个顶板离层仪的中间位置。
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