專利名稱：煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法
技術領域：
本發明涉及煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，尤其適用于預防和治理煤礦埋深大、高應力作用下存在軟弱夾層(煤線、泥巖)地質弱面的巷道(煤巷、巖巷)復合頂板。
背景技術：
隨著對煤炭資源的需求增大，我國大部分礦區煤礦開采已進入深部開采階段。由于深部條件下，地質構造復雜，各種地質條件(斷層、地下水等)相互影響，環境的未知性、復雜性、不可重復性使得深部巷道開挖與維護變得越來越困難。復合頂板巷道由于圍巖內層理、節理等不連續面非常發育，巖層松軟破碎，屬困難條件巷道，支護難度大，巷道返修成本高，頂板層間粘結系數小，同層容易造成大面積冒頂事故，嚴重影響巷道的安全掘進。目前錨桿支護及其它錨桿組合支護體系中多采用統一長度的錨桿，雖能有效控制頂板變形，但是沒有考慮頂板地質層分布形式，存在部分區域失穩現象，同時也造成了較大的成本浪費。也有采用長短錨桿組合支護結構，但是一般根據模擬計算的地應力進行設計，對地層結構考慮較少，支護效果隨機風險性大，對頂板離層控制效果差。

發明內容
技術問題本發明的目的是克服已有技術中的不足之處，提供一種方法簡單、成本低、能控制高應力破碎的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法。技術方案本發明的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，包括如下步驟
a.在預開掘的巷道頂板中部安放沿掘進方向的縱、橫面發射電磁脈沖的地質雷達，通過地質雷達向縱面發射多個不同角度a的電磁脈沖，沿橫面發射多個不同角度的電磁脈沖，橫面發射電磁脈沖的多個角度β對應縱面發射電磁脈沖的多個角度σ，構成向縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向發射電磁脈沖；
b.通過地質雷達接收縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向電磁脈沖的反射信號，根據反射信號得到每個角度方向的完整巖體區與上破裂巖體區的交界面、上破裂巖體區與下破碎巖體區交界面至地質雷達的距離Z，通過距離L、角度a、角度β確定三維坐標系中對應的各點，連接各點構成三維復合頂板結構地質模型；
c.根據三維復合頂板結構地質模型中的完整巖體區、上破裂巖體區的破裂巖體區任意豎向截面高度和下破碎巖體區的破碎巖體區任意豎向截面高度，采用差異尺度的錨桿LI、L2、L3、金屬網和鋼帶對開掘巷道的復合頂板進行聯合支護，其中，差異尺度的錨桿LI、L2、L3滿足錨桿LI的長度 > 錨桿L2的長度 > 錨桿L3的長度；錨桿的間距為700cm 1000cm,排距為700cm IOOOcm ；
d.開掘巷道每前進50 IOOm時，重復步驟a、b、c，直至完成整個巷道的掘進。所述縱面發射的多個不同角度ο·的電磁脈沖角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七個角度；所述橫面發射的不同角度盧的電磁脈沖為0°、30°、60°、90°、120。、150。、180。七個角度。所述差異尺度的錨桿LI、L2、L3長度的確定
錨桿LI的長度為開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度的最大值和開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值之和加上IOcm ；
錨桿L2的長度為O. 25倍的開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度的最大值與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值之和；
錨桿L3的長度取O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大 值。所述差異尺度的錨桿LI、L2、L3選用
若錨桿位置對應復合頂板豎向破裂巖體區任意豎向截面高度與破碎巖體區任意豎向截面高度之和小于2800cm，且開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值小于1800cm或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值小于1800cm,選用錨桿LI ；
若錨桿位置對應復合頂板豎向破碎巖體區任意豎向截面高度小于等于O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值小于1800cm，且破裂巖體區任意豎向截面高度與破碎巖體區任意豎向截面高度之和大于2800cm，選用錨桿L2 ；
若錨桿位置對應復合頂板豎向的破碎巖體區任意豎向截面高度大于等于O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值，且開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值大于等于1800cm或破裂巖體區任意豎向截面高度與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度之和小于等于開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度的最大值，且破裂巖體區任意豎向截面高度與破碎巖體區任意豎向截面高度之和大于2800cm，選用錨桿L3。有益效果本發明通過建立的復合頂板三維地質模型，能夠非常直觀、準確地表達頂板復雜地質數據，可視化界面形式有利于現場人員操作和進行錨桿長度確定。考慮頂板結構層分布形式，根據頂板層狀分布厚度的差異，以建立的復合頂板三維地質模型為指導，合理布置差異尺度錨桿，錨桿LI的設置以懸吊理論為指導，保證頂板與強度較高的穩定圍巖組合為整體，錨桿L2保證收開挖影響頂板各分層結合，連接錨桿LI和錨桿L3作用區域，形成群錨結構，錨桿L3的設置以松動圈理論為指導，保證松動破碎范圍內破碎巖體整體性，提高破碎區圍巖抗力，根據復合頂板破裂分區確定三種尺度的錨桿的長度及選用，將懸吊理論、組合(群)共同作用原理及松動圈支護機理有機結合，形成“強補弱，弱附強”的聯合支護結構，有效控制復合頂板大變形和冒頂等問題。采用金屬網與鋼帶作為差異尺度錨桿支護的附件，與錨桿共同形成支護體系。錨桿組合支護形式，等強錨桿全長錨固滿足復合頂板地層錨固體的擴容變形和擴容應力，在復合頂板中形成一條強度大、結構穩定的承載體，有效控制圍巖變形，節省大量成本，同時充分發揮錨桿的懸吊作用和錨桿群的聯合作用，對部分薄弱區域起到了較好的控制。最適用于預防和治理應力高、夾層薄的復合頂板，配合使用錨索等其它支護方式，合理選擇錨桿的組合方式，可有效控制頂板變形，減少錨桿數量，節約大量支護材料和維修費用，提高單產、單進，確保安全生產，具有廣泛的實用性。


圖I是本發明的地質雷達探測縱向剖面示意圖。圖2是本發明的地質雷達探測俯視圖。圖3是本發明的三維地質模型示意圖。圖4是本發明的某掘進斷面分區破裂帶示意圖。圖5是本發明的某掘進斷面差異尺度錨桿布置示意圖。圖中1 一地質雷達，2—完整巖體區，3—上破裂巖體區，4一下破碎巖體區，5—二維復合頂板結構地質模型，6—破裂巖體區任意豎向截面高度，7—破碎巖體區任意豎向截面聞度，8—金屬網，9一鋼帶，10一錨桿托盤，11一錨桿螺母，12一掘進工作面，13一巷道兩幫，LI一鋪桿，L2一鋪桿，L3一鋪桿。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的描述
本發明的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法
a.在預開掘的巷道頂板中部安放沿掘進方向的縱、橫面發射電磁脈沖的地質雷達1，通過地質雷達I向縱面發射多個不同角度a的電磁脈沖，沿橫面發射多個不同角度盧的電磁脈沖，橫面發射電磁脈沖的多個角度β對應縱面發射電磁脈沖的多個角度σ，構成向縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向發射電磁脈沖；所述縱面發射的多個不同角度a的電磁脈沖角度為0°、15°、30°、45°、60°、75。、90°七個角度；所述橫面發射的不同角度盧的電磁脈沖為0°、30。、60。、90。、120。、150。、180。七個角度；
b.通過地質雷達I接收縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向電磁脈沖的反射信號，根據反射信號得到每個角度方向的完整巖體區2與上破裂巖體區3的交界面、上破裂巖體區3與下破碎巖體區4交界面至地質雷達I的距離Z，通過距離L、角度〃、角度P確定三維坐標系中對應的各點，連接各點構成三維復合頂板結構地質模型5 ；
c.選用Φ22mm左旋無縱筋高強錨桿,錨桿間排距700mmX700mm,在三維復合頂板結構地質模型5中每700_切剖一個模型斷面，如圖4所示，按間距700_確定錨桿位置，量測每個剖面開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度6及其最大值和開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7及其最大值，確定錨桿LI、錨桿L2和錨桿L3的長度及選用。差異尺度的錨桿L1、L2、L3滿足錨桿LI的長度 > 錨桿L2的長度 > 錨桿L3的長度。所述差異尺度的錨桿LI、L2、L3長度的確定
錨桿LI的長度為開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度6的最大值 和開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值之和加上IOcm ；
錨桿L2的長度為O. 25倍的開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度6的最大值與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值之和；
錨桿L3的長度取O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值。所述差異尺度的錨桿LI、L2、L3選用
若錨桿位置對應復合頂板豎向破裂巖體區任意豎向截面高度6與破碎巖體區任意豎向截面高度7之和小于2800cm，且開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度6的最大值小于1800cm或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值小于1800cm，選用錨桿LI ；
若錨桿位置對應復合頂板豎向破碎巖體區任意豎向截面高度7小于等于O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值小于1800cm，且破裂巖體區任意豎向截面高度6與破碎巖體區任意豎向截面高度7之和大于2800cm，選用錨桿L2 ；
若錨桿位置對應復合頂板豎向的破碎巖體區任意豎向截面高度7大于等于O. 75倍的開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值，且開掘巷道頂板范圍內 的破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值大于等于1800cm或破裂巖體區任意豎向截面高度6與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度7之和小于等于開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度7的最大值，且破裂巖體區任意豎向截面高度6與破碎巖體區任意豎向截面高度7之和大于2800cm，選用錨桿L3 ；
統計所需錨桿數量，標記每個剖面各長度錨桿安裝位置，繪制錨桿支護施工圖，如圖5所示，掘進工作面完成一個循環進尺，在對應位置使用錨桿鉆機安裝選用的錨桿；
全斷面敷設金屬網8,采用Φ6. 5mm盤圓鋼筋焊制而成，網幅為2mX Im,網格為100X 100mm，形狀為菱形。網與網之間搭接寬度不小于100mm，聯網時選用10#鐵絲剪成的長400 mm的小段，雙股對折，扭結圈數不小于3圈，聯結密實，聯結點間距不大于200mm ；選擇W型鋼帶9寬度250mm,厚度6mm,孔距700mm,長度1200mm,在掘進斷面頂板橫向鋪設W型鋼帶，錨桿穿入鋼帶孔眼，在鋼帶外側安裝錨桿托盤11和螺母12，初錨力不小于130KN ；
d.開掘巷道每前進50 IOOm時，重復步驟a、b、c，直至完成整個巷道的掘進。
權利要求
1.一種煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，其特征在于，包括如下步驟 a.在預開掘的巷道頂板中部安放沿掘進方向的縱、橫面發射電磁脈沖的地質雷達(1)，通過地質雷達(I)向縱面發射多個不同角度 的電磁脈沖，沿橫面發射多個不同角度衫的電磁脈沖，橫面發射電磁脈沖的多個角度衫對應縱面發射電磁脈沖的多個角度O■，構成向縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向發射電磁脈沖； b.通過地質雷達(I)接收縱、橫面多個角度乘積數量的多個方向電磁脈沖的反射信號，根據反射信號得到每個角度方向的完整巖體區(2)與上破裂巖體區(3)的交界面、上破裂巖體區(3)與下破碎巖體區(4)交界面至地質雷達(I)的距離Z，通過距離L、角度〃、角度3確定三維坐標系中對應的各點，連接各點構成三維復合頂板結構地質模型(5)； c.根據三維復合頂板結構地質模型(5)中的完整巖體區(2)、上破裂巖體區(3)的破裂巖體區任意豎向截面高度(6)和下破碎巖體區(4)的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)，采用差異尺度的錨桿L1、L2、L3、金屬網(8)和鋼帶(9)對開掘巷道的復合頂板進行聯合支護，其中，差異尺度的錨桿L1、L2、L3滿足錨桿LI的長度 > 錨桿L2的長度 > 錨桿L3的長度；錨桿的間距為700cm 1000cm，排距為700cm IOOOcm ； d.開掘巷道每前進50 IOOm時，重復步驟a、b、c，直至完成整個巷道的掘進。
2.根據權利要求I所述的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，其特征在于所述縱面發射的多個不同角度的電磁脈沖角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七個角度；所述橫面發射的不同角度盧的電磁脈沖為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七個角度。
3.根據權利要求I所述的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，其特征在于所述差異尺度的錨桿LI、L2、L3長度的確定 錨桿LI的長度為開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度(6)的最大值和開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值之和加上IOcm ； 錨桿L2的長度為0. 25倍的開掘巷道頂板寬度范圍內破裂巖體區任意豎向截面高度(6)的最大值與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值之和； 錨桿L3的長度取0. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值。
4.根據權利要求I所述的煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，其特征在于所述差異尺度的錨桿L1、L2、L3選用 若錨桿位置對應復合頂板豎向破裂巖體區任意豎向截面高度(6)與破碎巖體區任意豎向截面高度(7)之和小于2800cm，且開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(6)的最大值小于1800cm或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值小于1800cm，選用錨桿LI ； 若錨桿位置對應復合頂板豎向破碎巖體區任意豎向截面高度(7)小于等于0. 75倍的開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值或開掘巷道頂板范圍內破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值小于1800cm，且破裂巖體區任意豎向截面高度(6)與破碎巖體區任意豎向截面高度(7)之和大于2800cm，選用錨桿L2 ； 若錨桿位置對應復合頂板豎向的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)大于等于0. 75倍的開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值，且開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值大于等于1800cm或破裂巖體區任意豎向截面高度(6)與開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)之和小于等于開掘巷道頂板范圍內的破碎巖體區任意豎向截面高度(7)的最大值，且破裂巖體區任意豎向截面高度(6)與破碎巖體區任意豎向截面高度(7)之和大于2800c m，選用錨桿L3。
全文摘要
一種煤巖復合頂板差異尺度錨桿聯合支護方法，采用地質雷達對預開掘巷道頂板范圍發射電磁脈沖進行超前探測，根據地質雷達接收的反射信號對預開掘巷道50～100m復合頂板范圍內完整巖體區、破裂巖體區和破碎巖體區的交界面進行確定，并通過計算機手段形成三維復合頂板結構地質模型，通過模型切剖斷面的分區幾何參數計算差異尺度錨桿的長度并選用合適的錨桿，對復合頂板進行支護，并輔助金屬網和鋼帶形成聯合支護結構。通過建立的復合頂板三維地質模型，能夠非常直觀、準確地表達頂板復雜地質數據，可視化界面形式有利于現場人員操作和進行錨桿長度確定。可有效控制頂板變形，減少錨桿數量，節約大量支護材料和維修費用，提高單產、單進，確保安全生產。
文檔編號G01V3/12GK102661158SQ20121016737
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者東兆星, 李斌, 李貴生, 賀志宏, 齊燕軍 申請人:中國礦業大學, 山西汾西礦業(集團)有限責任公司