專利名稱：深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)防突水的方法，尤其涉及一種深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法。
背景技術(shù)：
巷道滯后出水是一種比較常見的井下地質(zhì)現(xiàn)象，其發(fā)生前常出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)、底板拱起、頂?shù)装鍧B水等征兆，通過加強出水機理研究，掌握其發(fā)生規(guī)律，巷道斷層滯后出水是可以得到預(yù)防和治理的。在現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用方面，已有的技術(shù)成果主要有:(I)井巷工程施工前，作好施工區(qū)域水文地質(zhì)條件探查工作。采取鉆探、物探等手段探查研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育情況，查清斷層位置、落差、導(dǎo)水性等基本特征，根據(jù)斷層水害威脅程度，分別采取留設(shè)防水煤柱、設(shè)置防水閘門等安全措施。斷層導(dǎo)水性不是一成不變的，對已控制斷層要根據(jù)新揭露的情況進行重新評價，防止由于條件變化使不導(dǎo)水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)化為導(dǎo)水?dāng)鄬印?2)建立專門的斷層臺帳，加強對斷層等構(gòu)造的管理。對井巷工程揭露的有導(dǎo)水跡象和大中型斷層要進行定期觀測、評價，要結(jié)合礦井水動態(tài)觀測、礦壓觀測及礦井排水系統(tǒng)、防隔離設(shè)施評價等，對斷層可能引起的水害進行綜合預(yù)測、評價。(3)制定完善的注漿加固措施，保證施工質(zhì)量、效果。對危險地區(qū)進行注漿加固時，必須編制專門設(shè)計和安全技術(shù)措施。鉆孔開孔位置要避開集中壓力區(qū)和構(gòu)造破碎帶，要選擇合適的注漿材料，確定鉆探、注漿施工順序和注漿層位，一般應(yīng)先對含水層進行注漿改造，然后對斷層帶加固。斷層帶注漿時要嚴(yán)格控制注漿壓力、時間，防止壓力過高對斷層帶造成破壞。上述技術(shù)雖具有原理簡單、成果直觀等特點，但同時也有著預(yù)防效果不明顯，監(jiān)測預(yù)報困難等不足之處。特別是近幾年來隨著煤礦開采深度的不斷加大，由此而暴露出來的一些新問題，使那些傳統(tǒng)方法和理論的工程應(yīng)用受到一定的限制。因此，探討解決新問題的新方法，再次擺在了人們的面前。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于:包括( I)確定初步支護方案；( 2)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化；(3)支護方案及支護參數(shù)確定；(4)斷層破碎帶含水層探測與注漿加固；(5)巷道矸石充填。優(yōu)選所述確定初步支護方案包括:①特殊地質(zhì)條件下巷道初步支護
掘進過程中，采用井下地震探測、瑞利波探測或瞬變電磁儀探測方法超前探測斷層巖性變化的地質(zhì)異常情況，確定斷層及斷層破碎帶具體位置；在斷層位置超前注漿，使用加強錨網(wǎng)索或錨桿錨索桁架支護，所述錨桿錨索桁架中采用左旋預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力鳥巢錨索；采用螺旋注漿錨桿對斷層破碎帶進行后續(xù)注漿；②底鼓、流變圍巖巷道初步支護 若掘進過程中出現(xiàn)較嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，首先采用數(shù)值模擬方法確定底鼓的影響范圍；加強底鼓位置處兩幫支護，增加錨桿支護密度和錨桿、錨索支護長度；然后采用螺旋注漿錨桿對底鼓位置處的底板進行注漿加固，若仍達不到強度要求則采用混凝土鋼管反底拱梁進行支護；③巷道錨桿錨索平衡初步支護首先進行巷道圍巖應(yīng)力分布實測或數(shù)值模擬，確定巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況；根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況，布置讓壓管錨桿解決讓壓問題，同時采用預(yù)應(yīng)力部件解決讓壓管錨桿協(xié)同受力問題。優(yōu)選所述錨桿支護參數(shù)優(yōu)化包括:利用有限元法建立巷道支護模型，確定松散破碎區(qū)的范圍；根據(jù)圍巖松散破碎區(qū)的分布分析，確定錨桿長度以保證至少600_的錨桿錨固在穩(wěn)定巖石中；通過改變模型中錨桿的安裝載荷，進行模型運算最終獲得合理的安裝載荷的大小，以達到無離層、頂板中的拉應(yīng)力最小的最佳組合梁效果。優(yōu)選所述支護方案及支護參數(shù)確定包括:軌道下山錨桿間排距900 X 800mm,頂板選用Φ 20mm、長度200mm的左旋螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2200mm的左旋無縱筋滾絲錨桿；運輸下山錨桿間排距1200X 1200mm;二次支護五花布置錨桿，錨桿間排距1200X 1200mm，噴漿總厚度不低于150mm;工作面下順槽半圓拱形斷面采用錨網(wǎng)索永久支護，巷道拱部選用Φ22πιπι、長度2400mm的全螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2000mm的全螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000 X 1000mm，錨桿預(yù)緊力不小于4t。優(yōu)選所述斷層破碎帶含水層探測與注漿加固包括:采用瞬變電磁法對巷道圍巖及斷層破碎帶進行富水性探測，確定注漿加固區(qū)域；注漿設(shè)備選用Z2W-7.5-65/45型注漿機及相匹配的高壓注漿管；所述巷道矸石充填包括:巖巷掘進頭產(chǎn)生的矸石以運輸巷道一軌道大巷一水平的充填上部車場一矸石倉
上口--破碎機一砰石倉一給料機一膠帶運輸一充填巷迎頭一拋砰機的次序處理以用于
迎頭充填；充填后進行注漿加固。與現(xiàn)有預(yù)防巷道突水技術(shù)相比，本技術(shù)在理論上提出了突水過程化概念，地下巖體受采礦活動的影響從底板巖層受采動影響破壞、失穩(wěn)、突水通道形成乃至突水事故的發(fā)生是一個由量變到質(zhì)變的連續(xù)發(fā)育過程。開挖的巖體只要發(fā)生突水，突水點及其附近巖體就會產(chǎn)生與突水有關(guān)的圍巖變形和破壞。這一變形、破壞過程符合圍巖的基本流動變形破壞規(guī)律-差異變形破壞；通過實驗驗證了巖體蠕變特性與承壓水突出的時效性問題；解決了通過優(yōu)化支護參數(shù)、預(yù)防巷道流動變形、增加保護巖體的防突潛能預(yù)防滯后突水問題。由于巷道大部分在煤層中掘進，容易受到采空區(qū)的影響，煤體強度變低，巷道成形較差，同時巷道還將經(jīng)受采煤工作面回采時超前支撐壓力的影響，因此巷道表面控制對于充分發(fā)揮錨桿支護系統(tǒng)的作用非常重要。有效的表面控制系統(tǒng)應(yīng)保證無片幫和片頂現(xiàn)象，錨桿和表面控制系統(tǒng)一起形成最佳組合梁。通過現(xiàn)場實測和數(shù)值仿真技術(shù)對巷道錨桿支護長度、錨桿安裝應(yīng)力、以及錨桿受力等支護參數(shù)進行了優(yōu)化，驗證了巷道支護參數(shù)在預(yù)防巷道流動變形、增加防突水潛能或保護巖體的防突潛能等方面是有效的。提出了通過巷幫充填減少巷道變形，預(yù)防滯后突水的安全開采方案，并結(jié)合工程實踐進行了應(yīng)用。濟寧礦業(yè)集團陽城煤礦-650m三條水平大巷必須經(jīng)過季莊斷層，通過對巷道兩幫的回采巷道實施的矸石充填，增加了巷道兩幫及頂?shù)装宓募s束力，縮小了巷道變形和應(yīng)力影響范圍及塑性區(qū)范圍，增大了充填巷兩幫煤柱的承載能力，提高了巷道兩幫煤柱的整體穩(wěn)定性，充填效果明顯。從預(yù)防巷道圍巖變形方面來講，矸石充填起到了明顯的作用，對于有發(fā)生滯后突水危險的巷道來說，將井下原生矸石進行廢棄巷道充填或者巷道充填開采，是一種安全開采方案。
附圖1為本 發(fā)明所述深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法的流程圖。
具體實施例方式參見附圖1，其描述了根據(jù)本發(fā)明所述深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法的一個優(yōu)選實施例。該方法包括五個步驟，分別為:( I)確定初步支護方案；( 2)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化；(3)支護方案及支護參數(shù)確定；(4)斷層破碎帶含水層探測與注漿加固；(5)巷道 干石充填。下面對各個步驟做進一步的詳細介紹。確定初步支護方案步驟包括以下工藝內(nèi)容:①特殊地質(zhì)條件下巷道初步支護掘進過程中，采用井下地震探測、瑞利波探測或瞬變電磁儀探測方法超前探測斷層巖性變化的地質(zhì)異常情況，確定斷層及斷層破碎帶具體位置；在斷層位置超前注漿，使用加強錨網(wǎng)索或錨桿錨索桁架支護，所述錨桿錨索桁架中采用左旋預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力鳥巢錨索；采用螺旋注漿錨桿對斷層破碎帶進行后續(xù)注漿；②底鼓、流變圍巖巷道初步支護若掘進過程中出現(xiàn)較嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，首先采用數(shù)值模擬方法確定底鼓的影響范圍；加強底鼓位置處兩幫支護，增加錨桿支護密度和錨桿、錨索支護長度；然后采用螺旋注漿錨桿對底鼓位置處的底板進行注漿加固，若仍達不到強度要求則采用混凝土鋼管反底拱梁進行支護；③巷道錨桿錨索平衡初步支護首先進行巷道圍巖應(yīng)力分布實測或數(shù)值模擬，確定巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況；根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，煤及巖層傾角、性質(zhì)、厚度，巷道斷面形狀、斷面積等進行巷道平衡支護的方案設(shè)計；根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況，布置讓壓管錨桿解決讓壓問題，同時采用預(yù)應(yīng)力部件解決讓壓管錨桿協(xié)同受力問題。錨桿支護參數(shù)優(yōu)化步驟包括以下工藝內(nèi)容:利用有限元法建立巷道支護模型，確定松散破碎區(qū)的范圍；根據(jù)圍巖松散破碎區(qū)的分布分析，確定錨桿長度以保證至少600_的錨桿錨固在穩(wěn)定巖石中；通過改變模型中錨桿的安裝載荷，進行模型運算最終獲得合理的安裝載荷的大小，在保證無離層的情況下使頂板中的拉應(yīng)力最小。明確錨桿桿體的受力和受力過程，進行錨桿受力分析。錨桿的受力包括兩部分:預(yù)應(yīng)力和由于巷道開挖后圍巖變形而引起的變形載荷。錨桿的受力將經(jīng)過三個階段:安裝應(yīng)力；掘進期間的變形載荷；長壁回采時的動壓變形載荷。綜合考慮上述錨桿的受力情況，選擇滿足安裝應(yīng)力、變形載荷和動壓變形載荷要求的錨桿，同時針對本發(fā)明的需要，錨桿的公稱使用載荷應(yīng)在上述三種載荷的最大值的兩倍以上。支護方案及支護參數(shù)確定步驟包括以下工藝內(nèi)容: 軌道下山錨桿間排距900 X 800mm,頂板選用Φ 20mm、長度200mm的左旋螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2200mm的左旋無縱筋滾絲錨桿；運輸下山錨桿間排距1200X 1200mm;二次支護五花布置錨桿，錨桿間排距1200X 1200mm，噴漿總厚度不低于150mm;工作面下順槽半圓拱形斷面采用錨網(wǎng)索永久支護，巷道拱部選用Φ22πιπι、長度2400mm的全螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2000mm的全螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000X IOOOmm ;上述所有錨桿預(yù)緊力都不小于4噸。斷層破碎帶含水層探測與注漿加固步驟包括以下工藝內(nèi)容:采用瞬變電磁法對巷道圍巖及斷層破碎帶進行富水性探測，確定注漿加固區(qū)域；注漿設(shè)備選用Z2W-7.5-65/45型注漿機及相匹配的高壓注漿管；巷道矸石充填步驟包括以下工藝內(nèi)容:巖巷掘進頭產(chǎn)生的矸石以運輸巷道一軌道大巷一水平的充填上部車場一矸石倉
上口--破碎機一砰石倉一給料機一膠帶運輸一充填巷迎頭一拋砰機的次序處理以用于
迎頭充填；充填后進行注漿加固。以上所述， 僅為本發(fā)明專利較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于:包括 (1)確定初步支護方案； (2)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化； (3)支護方案及支護參數(shù)確定； (4)斷層破碎帶含水層探測與注漿加固； (5)巷道矸石充填。
2.如權(quán)利要求1所述的深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于: 所述確定初步支護方案包括: ①特殊地質(zhì)條件下巷道初步支護 掘進過程中，采用井下地震探測、瑞利波探測或瞬變電磁儀探測方法超前探測斷層巖性變化的地質(zhì)異常情況，確定斷層及斷層破碎帶具體位置；在斷層位置超前注漿，使用加強錨網(wǎng)索或錨桿錨索桁架支護，所述錨桿錨索桁架中采用左旋預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力鳥巢錨索；采用螺旋注漿錨桿對斷層破碎帶進行后續(xù)注漿； ②底鼓、流變圍巖巷道初步支護 若掘進過程中出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，首先采用數(shù)值模擬方法確定底鼓的影響范圍；加強底鼓位置處兩幫支護，增加錨桿支 護密度和錨桿、錨索支護長度；然后采用螺旋注漿錨桿對底鼓位置處的底板進行注漿加固，若仍達不到強度要求則采用混凝土鋼管反底拱梁進行支護； ③巷道錨桿錨索平衡初步支護 首先進行巷道圍巖應(yīng)力分布實測或數(shù)值模擬，確定巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況；根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力的分布狀況，布置讓壓管錨桿解決讓壓問題，同時采用預(yù)應(yīng)力部件解決讓壓管錨桿協(xié)同受力問題。
3.如權(quán)利要求1所述的深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于: 所述錨桿支護參數(shù)優(yōu)化包括: 利用有限元法建立巷道支護模型，確定松散破碎區(qū)的范圍；根據(jù)圍巖松散破碎區(qū)的分布分析，確定錨桿長度以保證至少600_的錨桿錨固在穩(wěn)定巖石中；通過改變模型中錨桿的安裝載荷，進行模型運算最終獲得合理的安裝載荷的大小，以達到無離層、頂板中的拉應(yīng)力最小的最佳組合梁效果。
4.如權(quán)利要求1所述的深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于: 所述支護方案及支護參數(shù)確定包括: 軌道下山錨桿間排距900 X 800mm,頂板選用Φ20πιπι、長度200mm的左旋螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2200mm的左旋無縱筋滾絲錨桿；運輸下山錨桿間排距1200X 1200mm ；二次支護五花布置錨桿，錨桿間排距1200 X 1200mm，噴漿總厚度不低于150mm ;工作面下順槽半圓拱形斷面采用錨網(wǎng)索永久支護，巷道拱部選用Φ22πιπι、長度2400mm的全螺紋鋼錨桿，兩幫選用Φ20πιπι、長度2000mm的全螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000X 1000mm，錨桿預(yù)緊力不小于4t。
5.如權(quán)利要求1所述的深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，其特征在于: 所述斷層破碎帶含水層探測與注漿加固包括: 采用瞬變電磁法對巷道圍巖及斷層破碎帶進行富水性探測，確定注漿加固區(qū)域；注漿設(shè)備選用Z2W-7.5-65/45型注漿機及相匹配的高壓注漿管； 所述巷道矸石充填包括: 巖巷掘進頭產(chǎn)生的矸石以運輸巷道一軌道大巷一水平的充填上部車場一矸石倉上口--破碎機一砰石倉一給料機一膠帶運輸一充填巷迎頭一拋砰機的次序處理以用于迎頭充填；充填后進行注 漿加固。
全文摘要
一種深部開采優(yōu)化支護參數(shù)預(yù)防巷道滯后突水的方法，包括(1)確定初步支護方案；(2)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化；(3)支護方案及支護參數(shù)確定；(4)斷層破碎帶含水層探測與注漿加固；(5)巷道矸石充填。本方法在理論上提出了突水過程化概念，通過實驗驗證了巖體蠕變特性與承壓水突出的時效性問題；解決了通過優(yōu)化支護參數(shù)、預(yù)防巷道流動變形、增加保護巖體的防突潛能預(yù)防滯后突水問題。
文檔編號E21D11/38GK103195443SQ20131011186
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者劉偉韜, 申建軍, 劉承論, 劉云娟, 薄福利, 魏佑山, 王連富, 劉鴻斌, 李媚 申請人:山東科技大學(xué)