软岩巷道底鼓量计算、控制及控制方法的确定方法与流程

1.本发明属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种软岩巷道底鼓量的计算及控制方法。


背景技术：

2.随着我国煤炭开采逐渐走向深部，地应力也随之增大，布置在地下岩层内的巷道处于不利的复杂围岩应力环境之中，巷道矿压显现明显，特别软岩巷道底鼓问题尤为突出，表现为巷道底板向上隆起。大量数据表明，发生底鼓后导致巷道断面缩小，阻碍运输和行人，矿井通风、排水也都会受到不同程度的影响，剧烈的底鼓会导致整个巷道失稳，许多矿井不得不投入大量的人力和物力去做“起底”等临时的处理工作，对矿井安全和高效生产造成极大危害。我国有大量的软岩巷道，这些巷道的底板较软，强度较低，由于影响底鼓的因素较多，故底鼓量难以确定，控制底鼓支护手段不合理等。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种软岩巷道底鼓量控制方法，其底板支护工艺简单，降低了底鼓治理的成本，实用性强，推广应用价值高。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种软岩巷道底鼓量控制方法，其特征在于，包括巷道底角注浆锚索加固，巷道底板间隔设置反拱梁，反拱梁之间的巷道底板上设置金属网；
5.所述巷道底角注浆锚索加固包括：底角锚索钻孔施工，锚索安装及封孔施工，检查封孔质量，注浆设备安装、注浆；
6.所述巷道底板间隔设置反拱梁包括：反拱梁基础开挖，模板安装，绑扎钢筋，混凝土浇筑。
7.上述的一种软岩巷道底鼓量控制方法，其特征在于：所述底角锚索钻孔施工是从工作面切眼采空侧至两顺槽停采线处，钻孔沿底角45
°
倾斜向下施工；
8.所述锚索安装及封孔施工中锚索采用中空注浆锚索，每根锚索使用快速锚固剂进行锚固，锚索安装前先将止浆塞套入锚索铁套管处，再将塑料套管套入锚索和止浆塞靠近使止浆塞、塑料套管距锚索端头约300mm后进行安装；
9.所述检查封孔质量是在锚索安装后，先检查封孔质量，再进行张拉，直至达到设计值，停止张拉，最后检查锚索托盘是否贴紧底板；
10.所述注浆设备安装包括将注浆设备设置在注浆锚索施工10m范围内和将qb152便携式注浆泵和搅拌器装配起来，并连接风、水管路和注浆器；
11.所述注浆的注浆液选用水泥单浆液,水泥为52.5#普通硅酸盐水泥,w/c＝0.45～0.5,并掺加水泥重量2％的复合早强高效减水剂；
12.上述的一种软岩巷道底鼓量控制方法，其特征在于：所述注浆包括以下步骤：
13.步骤301、注浆前，首先用清水将注浆泵、搅拌桶和连接管路冲刷干净，并对搅拌器
和注浆泵进行调试运转；
14.步骤302、配料时先加入清水，然后边搅拌边缓慢加入水泥，搅拌桶内料搅拌到一定的粘稠程度，必须确保水泥浆液内无较大颗粒，防止注浆时堵塞注浆管路；
15.步骤303、注浆时，先卸下锚索尾部的丝堵，将注浆器连接到锚索尾部的螺纹上，然后用注浆管路将注浆器与注浆泵进行连接。确保搅拌器和注浆泵正常运行。
16.步骤304、注浆器及注浆管路完好、连接可靠后方可开始注浆，缓慢打开注浆泵的供风阀进行注浆，开始时慢速搅拌注浆，注浆泵正常均速工作时，可将注浆泵调到高速运转注浆，注浆压力控制在5
‑
7mpa范围之内。注浆完毕后拆除注浆管路，取下注浆器进行封孔。重复以上操作程序继续进行下一根注浆锚索注浆。
17.步骤305、注浆后待浆液初凝，30分钟后方可卸下锚索尾部的注浆器，将锚索尾部的丝堵拧紧上牢。
18.上述的一种软岩巷道底鼓量控制方法，其特征在于：所述反拱梁的纵筋上设置有锚网挂钩，所述金属网安装在反拱梁的锚网挂钩上且反拱梁之间的金属网被绷紧、拉直，所示金属网为锚网。
19.本发明还公开了一种确定如上述软岩巷道底鼓量控制方法的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
20.步骤501、构建力学模型，推导出底板最大底鼓量计算公式，确定底鼓量与底板的水平位移之间的关系；
21.步骤502、通过相似材料模拟实验模拟实际开挖，对模型施加不同载荷，根据相似模型的底板破坏规律，寻找出造成底鼓的主要因素，推断实际底板在开挖后所产生的变形破坏情况；
22.步骤503、相似模拟实验分析确定控制方案，巷道开挖后，软岩巷道底板两底角受支承压力及开采扰动的影响而首先发生剪切破坏，即失去了垂直向上的承载能力，随着垂直应力及水平的增加，软岩巷道直接底板向临空面鼓起，形成底鼓现象，采用底角注浆锚索 钢筋混凝土反拱梁 金属网联合支护方案来提高两底角岩石的强度，通过提高底板对于两帮的支撑能力来减小两帮对底板的水平挤压，进而减小底鼓量。
23.上述软岩巷道底鼓量控制方法的确定方法，其特征在于：所述构建力学模型是根据压杆理论来建立软岩巷道底板结构力学模型，所述力学模型是将层状巷道底板看作长度为l、高度为h、宽度为h的两端铰支的压杆，所述压杆为材料均匀的理想压杆，所述压杆的轴线是直线且轴心受压；
24.所述底板最大底鼓量计算公式为：
25.本发明还公开了一种上述控制方法确定方法中软岩巷道底鼓量计算公式的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
26.步骤601、根据压杆理论来建立软岩巷道底板结构力学模型，所述力学模型是将层状巷道底板看作长度为l、高度为h、宽度为h的两端铰支的压杆，所述压杆为材料均匀的理想压杆，所述压杆的轴线是直线且轴心受压；
27.步骤602、将力学模型的边界条件带入压杆挠曲线微分方程中得到挠曲线方程；
28.步骤603、根据力学模型中的能量关系及几何关系，分别得到水平载荷f与压杆中
点挠度δ的关系及压杆水平位移δ与压杆中点挠度δ的关系，即得到方程式(1)，
29.所述方程式(1)为：
30.方程式(1)中，δ为杆件水平位移，δ为杆件中点的挠度，l为杆件的长度，w为压杆挠度，x为压杆任意一点的横坐标；
31.步骤604、根据方程式(1)可计算出底板最大底鼓量计算公式(2)，
32.所述公式(2)为：
33.公式(2)中，δ为杆件中点的挠度，δ为杆件水平位移，l为杆件的长度。
34.上述的一种软岩巷道底鼓量的计算方法，其特征在于：所述步骤二中压杆挠曲线微分方程为公式(3)，
35.所述公式(3)为：
36.公式(3)中，w为压杆挠度，x为压杆任意一点的横坐标，其中，k为常系数，f
cr
为压杆失稳的临界压力，ei为压杆的抗弯刚度；
37.所述挠度的一般解为公式(4)，
38.所述公式(4)为：w(x)＝c1sinkx c2coskx，
39.公式(4)中，w为压杆挠度，x为压杆任意一点的横坐标，k为常系数，c1、c2为积分常数；
40.所述力学模型的边界条件为当x＝0时，挠度w＝0；当x＝l
‑
δ,挠度w＝0；将该边界条件带入公式(4)可以得到挠曲线方程式(5)，
41.所述方程式(5)为：
42.方程式(5)中，w为压杆挠度，δ为杆件中点的挠度，δ为杆件水平位移，l为杆件的长度，x为压杆任意一点的横坐标。
43.本发明与现有技术相比具有以下优点：
44.1、本发明可在巷道开挖前预判其底鼓量，为后期底鼓治理技术提供依据。
45.2、本发明的计算过程简单，在已知巷道底板水平移进量的前提下便可计算出底鼓量。
46.3、本发明促进了底鼓治理技术革新，对于底鼓量较大的矿井，可防止因支护不足而进行二次支护的问题，节约了底鼓支护成本，而且丰富和完善了底鼓支护技术理念，改善了矿井安全生产环境。
47.4、本发明间接降低了工人起底施工强度，节约了施工时间，提高了采煤机的开机率，为该矿井高产高效的建设创造了良好条件，在类似矿井推广使用，可取得显著的经济效益。
附图说明
48.图1为本发明底板结构力学模型图。
49.图2为本发明相似模拟实验左帮底角剪切破坏图。
50.图3为本发明相似模拟实验右帮底角剪切破坏图。
51.图4为本发明相似模拟实验底板破坏图。
52.图5为本发明巷道横截面图。
53.图6为本发明反拱梁的俯视图。
54.图7为本发明反拱梁的横截面图。
55.图8为本发明反拱梁与锚网的平面布置图。
具体实施方式
56.下面结合具体是实施例对本发明中的方法做详细的说明，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
57.1.底鼓量的确定
58.软岩巷道开掘后，受支承压力及开采扰动的影响，层状软弱底板岩层两端发生渐进破坏，即失去垂直向上的承载能力，当两帮水平挤压应力超过临界应力时，巷道底板向临空面弯曲。依次发生破坏，直到稳定的岩层为止。
59.故可根据压杆理论来建立软岩巷道底板结构力学模型，底板结构力学模型如图1所示。现将层状巷道底板看作长度为l、高度为h、宽度为h的两端铰支的压杆，所述压杆的高度和宽度相等。则底板可以看成由这些杆件连接而成的板，因此仅研究其中一个杆件就可以近似得知板整体的变化量。此处假设底板为理想压杆，即认为底板的材料是均匀的，轴线是直线且轴心受压。
60.由材料力学可知，压杆挠曲线微分方程为：
61.其中
62.压杆挠曲线微分方程(3)挠度的一般解为w(x)＝c1sinkx c2coskx(4)
63.当x＝0时，挠度w＝0；当x＝l
‑
δ,挠度w＝0，将上述边界条件带入(4)式可以得到挠曲线方程
64.式中：w为压杆挠度，δ为杆件中点的挠度，δ为杆件水平位移。
65.由公式(5)可知，要想确定挠曲线方程，必须求解杆件中点的挠度δ，用能量关系及几何关系分别得到了水平载荷f、杆件水平位移δ与杆件中点的挠度δ的关系。计算过程如下，
66.利用几何关系可知
67.根据(1)式可计算出底板最大底鼓量
68.由公式(2)可知，巷道底板的水平位移δ对于软岩巷道底鼓有显著影响，由于巷道
底板受水平应力及垂直应力的作用，巷道底板容易产生水平变形，最终加剧了底鼓的形成，故对于底鼓的防治，要重视底板的水平变形量。
69.2.控制措施：
70.软岩巷道开掘后，由于巷道底板内部的破坏的隐蔽性，其破坏形式很难得知。故通过相似模拟的方法来模拟巷道“开挖”后围岩移动、变形和破坏情况，相似材料模拟方法的实质就是依据相似原理，使用相似材料将矿山岩层按照一定的比例制成模型，然后模拟实际情况进行“开挖”，通过对模型施加不同载荷，根据相似模型的底板破坏规律，寻找出造成底鼓的主要因素，推断实际底板在开挖后所产生的变形破坏情况。
71.笔者通过相似模拟发现，巷道开挖后软岩巷道底板两底角受支承压力及开采扰动的影响而首先发生剪切破坏，如图2至图4所示，即失去了垂直向上的承载能力，所以随着垂直应力及水平的增加，软岩巷道直接底板向临空面鼓起，形成底鼓现象。欲采用底角注浆锚索 钢筋混凝土反拱梁 金属网联合支护方案来提高两底角岩石的强度，通过提高底板的对于两帮的支撑能力来减小两帮对底板的水平挤压，进而减小底鼓量。
72.巷道底角注浆锚索加固的原理利用注浆锚索将高压浆液注入底角破碎围岩之间的裂隙内，避免底角岩石之间的破裂面进一步扩大，提高了底角岩石的强度。同时，底角锚索可以将巷道两底角深部稳定岩体作为锚固点和支护结构的基础，提高更优的着力点与支护强度，同时可以平衡水平应力对底板的破坏作用，减小巷道底板处产生较大的水平位移，提高底板抗变形能力，避免底板出现围岩变形破坏。
73.此外，反拱梁对底板施加反方向的被动支护作用力，同时拱角可以平衡两帮水平应力对底板的作用，进而减小底板水平移进，此外,从梁的受力特征角度看，拱形梁的结构有利于发挥材料的抗压强度，且相比底板全部铺设混凝地坪，拱形梁节约了支护成本，反拱梁之间用钢筋网连接，起到主动支护的目的。
74.2.1底角注浆锚索施工工艺流程：
75.底角注浆锚索加固技术主要工艺流程为：底角锚索钻孔施工
→
锚索安装
→
检查封孔质量
→
注浆设备安装
→
注浆。具体底角注浆锚索加固施工工艺如下：
76.(1)底角锚索钻孔施工：
77.钻孔施工作业从工作面切眼采空侧至两顺槽停采线处，钻孔沿底角45
°
倾斜向下施工，如图5所示。
78.(2)锚索安装：
79.打眼后，进行锚索的安装及封孔施工，锚索采用中空注浆锚索，每根锚索使用快速锚固剂进行锚固。安装前先将止浆塞套入锚索铁套管处，再将塑料套管套入锚索和止浆塞靠近使止浆塞、塑料套管距锚索端头约300mm后进行安装。
80.(3)检查封孔质量：
81.锚索安装后，先检查封孔质量，再进行张拉，直至达到设计值，停止张拉，最后检查锚索托盘是否贴紧底板。
82.(4)注浆设备安装：
83.①
注浆设备安装在注浆锚索施工10m范围内。
84.②
将qb152便携式注浆泵和搅拌器装配起来，并连接风、水管路和注浆器。
85.(5)注浆：
86.注浆液选用水泥单浆液,水泥为52.5#普通硅酸盐水泥,w/c＝0.45～0.5,并掺加水泥重量的2％的复合早强高效减水剂,以增加浆液的流动性。
87.①
注浆前，首先用清水将注浆泵、搅拌桶和连接管路冲刷干净，并对搅拌器和注浆泵进行调试运转。
88.②
配料时先加入清水，然后边搅拌边缓慢加入水泥，搅拌桶内料搅拌到一定的粘稠程度，必须确保水泥浆液内无较大颗粒，防止注浆时堵塞注浆管路。
89.③
注浆时，先卸下锚索尾部的丝堵，将注浆器连接到锚索尾部的螺纹上，然后用注浆管路将注浆器与注浆泵进行连接。确保搅拌器和注浆泵正常运行。
90.④
注浆器及注浆管路完好、连接可靠后方可开始注浆，缓慢打开注浆泵的供风阀进行注浆，开始时慢速搅拌注浆，注浆泵正常均速工作时，可将注浆泵调到高速运转注浆，注浆压力控制在5
‑
7mpa范围之内。注浆完毕后拆除注浆管路，取下注浆器进行封孔。重复以上操作程序继续进行下一根注浆锚索注浆。
91.⑤
注浆后待浆液初凝，30分钟后方可卸下锚索尾部的注浆器，将锚索尾部的丝堵拧紧上牢。
92.2.2反拱梁工艺流程
93.反拱梁基础开挖
→
模板安装
→
绑扎钢筋
→
混凝土浇筑
→
安装。
94.(1)反拱梁基础开挖：
95.按照设计要求，开挖反拱梁基础，测量反拱标高，复核反拱角度。
96.(2)模板安装：
97.基础坑内铺设提前拼接的模板，钢筋混凝土反拱梁模板内模可釆用厚木板，背肋用方木，模板内表面铺设塑料膜，以便拆模。
98.(3)绑扎钢筋：
99.钢筋绑扎时首先安装无矛盾的箍筋，形成钢筋骨架，箍筋与纵筋应捆绑结实，加强钢筋的保护，不得随意踩踏钢筋骨架。
100.(4)混凝土浇筑：
101.混凝土浇筑前应检查模板尺寸、形状、接缝及模具牢固情况，清除模板内的杂物，放入捆扎好的钢筋骨架。经验收合格后浇筑混凝土，浇筑应使梁顶与底板齐平，并预埋好锚网挂钩，用平板振捣梁初平，滚杠提浆，人工二次抹平。
102.(5)金属网(锚网)安装：
103.如图6至图8所示，反拱梁的纵筋上设置有锚网挂钩，安装时，将锚网安装在反拱梁的锚网挂钩上，反拱梁之间的锚网应绷紧、拉直。
104.本发明的计算过程简单，实现方便，大大缩短了计算过程的复杂性，节约了支护成本，既降低了工作人员的劳动强度，可靠性高，支护效果良好，又改善了工作环境，保护了作业人员的身体健康，实用性强，推广应用价值高。
105.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。