巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构及施工方法与流程

本发明属于采矿工程巷道支护技术领域，具体涉及一种巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构及施工方法。

背景技术：

随着煤炭资源的逐步开采，煤矿开采深度日益增大、采动环境日益复杂、深部岩体呈现出软岩特性、巷道断面增长至大断面或特大断面，致使巷道底鼓问题日趋严重。对于煤矿巷道底板变形控制，目前常用的支护技术手段主要有：封闭支架支护、反底拱支护、锚杆支护、锚索支护以及注浆加固等，虽然采用常规技术手段减轻了巷道底板变形，但仍然存在以下问题：在支护设计思路上，仍然存在“重顶板和两帮、轻底板”的问题；在底板变形控制技术上，则存在底板“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，致使底板破坏深度持续增大，使得底板处于“经常翻修、经常底鼓”的恶性循环当中，巷道底鼓问题得不到有效根治。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构及施工方法，该方法在对顶板和两帮进行强力支护的基础上，将“预应力锚索群支护和注浆加固”有机结合起来，可有效解决现有巷道底板变形控制技术中“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，并通过注浆加固主动强化底板承载能力，真正实现巷道底板“高强度、高预应力、大深度”主动及时支护，进而有效控制深部高应力作用下软岩巷道严重底鼓问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构，包括若干组锚索束，每组锚索束均设置在巷道底板内的竖向钻孔内，每组锚索束均包括一个导向帽、一个托盘、一套三孔锚具和三根钢绞线，三根钢绞线的下端固定连接有伸入到竖向钻孔底部的导向帽，竖向钻孔的孔口处水平设置有若干根槽钢梁，将2组或3组锚索束共同使用一根槽钢梁，槽钢梁上开设有钢绞线穿线孔和穿管孔，三根钢绞线上端向上穿过钢绞线穿线孔，托盘套在三根钢绞线上，在竖向钻孔底部注入水泥浆将导向帽预埋凝固后形成灌浆锚固段，三根钢绞线对应穿在三孔锚具的孔内，并对三根钢绞线上端施加预应力张紧；在竖向钻孔内的灌浆锚固段以上设置有注浆加固段和封孔段；若干组与灌浆锚固段、注浆加固段、封孔段相结合的锚索束配套槽钢梁组合起来即形成预应力锚索群与注浆协调加固结构。

导向帽的上部为圆筒形结构，导向帽的下部为下尖上粗的圆锥形结构，三根钢绞线的下端伸入到导向帽内并与导向帽的内圈焊接为一体。

三根钢绞线外部套设有若干个固定套环，固定套环沿钢绞线的长度均匀布置，固定套环内壁与三根钢绞线之间具有摩擦力。

封孔段的上部设置有将槽钢梁、钢绞线上端、三孔锚具和托盘预埋的底板硬化层，底板硬化层由钢筋混凝土浇筑而成。

巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构的施工方法，包括以下步骤，

（1）首先在地下岩层中掘进设定断面形状和尺寸的巷道，然后根据巷道的顶板和两帮的支护设计参数，在顶板和两帮铺设金属网，钻锚杆孔、锚索孔和注浆孔，在锚杆孔和锚索孔内打设锚杆和锚索并锚固，对注浆孔内进行注浆，最后喷射混凝土，通过高强高预紧力锚网索支护和注浆加固强力支护，确保顶板和两帮的稳定性，以减小底板变形；

（2）将3根直径22mm的高强度钢绞线组合成一体，制作成锚索束，在锚索束的最下端固定设置导向帽，且每间隔500mm配备一对用于拢紧锚索束的固定套环，在锚索束的上端制作配套的槽钢梁、托盘和三孔锚具；

（3）在巷道掘出且顶板、两帮支护完成后，滞后掘进迎头40m-60m，按照底板内竖向钻孔的布置参数，打设若干个竖向钻孔至设计深度；然后将制作好的带有导向帽和固定套环的锚索束推送至竖向钻孔的孔底，锚索束的上端向上穿过槽钢梁的钢绞线穿线孔，在槽钢梁上开设的穿管孔内穿入塑料胶管并伸入到竖向钻孔的孔底，并将搅拌好的水泥浆通过塑料胶管进行反灌浆，边灌浆边往上提塑料胶管，直至达到设计灌浆深度，形成灌浆锚固段，导向帽被预埋到灌浆锚固段内；将塑料胶管取出，并通过槽钢梁上的穿管孔预埋设计长度的注浆管，并使用编织袋缠绕在锚索束上部以用于之后的封孔，编织袋距离竖向钻孔的孔口500mm；

（4）待灌浆锚固段凝固2天后，将2组或3组锚索束通过铺设槽钢梁组合起来，然后在锚索束上安装托盘和三孔锚具，并将组成锚索束的3根钢绞线分别张拉至设计预紧力；将锚索束通过槽钢梁按照间排拒为1800×1800mm组合起来形成预应力锚索群，实现巷道底板的高强度、高预应力、大深度主动支护；

（5）在编织袋上的竖向钻孔内注入水泥浆进行封孔，凝固后形成封孔段；

（6）封孔完成后，对巷道底板地面进行硬化，形成底板硬化层，硬化厚度300mm，槽钢梁、钢绞线上端、三孔锚具和托盘埋入底板硬化层内，注浆管上端伸出底板硬化层；

（7）巷道底板地面硬化完成后，根据底板注浆参数，采用风动注浆泵，通过预埋的注浆管对灌浆锚固段和封孔段之间的竖向钻孔内注入水泥浆，加固底板破碎围岩，凝固后形成注浆加固段。

在步骤（2）、（5）、（6）中，制作锚索束的钢绞线的数量和规格、相邻固定套环之间的距离以及与锚索束配套的槽钢梁、托盘和三孔锚具的规格、封孔材料以及地面硬化厚度根据实际生产条件进行调整。

在步骤（3）中，竖向钻孔的钻进深度要求进入稳定岩层2m以上，灌入的浆液的材料类型及参数应根据底板与浆液的作用特征确定。

在步骤（4）中，锚索束的设计预紧力要求达到极限载荷的50%以上，锚索束的间距和排距的合理选择应能达到有效扩散预应力和有效注浆的目的。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：本发明在对巷道顶板和两帮进行强力支护的基础上，采用“预应力锚索群支护和注浆加固的结构”协同控制巷道底板变形，通过采用“先灌浆锚固、再张拉预紧、后注浆加固”的施工方法，既实现了预应力锚索群对破碎岩层的高强主动支护，又通过注浆加固主动强化底板承载能力，将浅部岩层锚固在深部稳定岩层中，真正实现了“高强度、高预应力、大深度”主动及时支护，能够有效解决现有底板控制技术中“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，从而保证复杂困难条件下巷道底板稳定性。

本发明中的导向帽为下尖上粗的圆锥形结构，在锚索束向下落入到竖向钻孔底部的过程中，可避免孔壁凹凸不平结构的阻挡，使下落到孔底的过程更加顺利。另外导向帽在预埋到灌浆锚固段内，起到牢靠锚固钢绞线下端的作用。

另外，由于三根钢绞线为一组锚索束，为了使三根钢绞线在向下落入到竖向钻孔底部的过程中不抖开、不缠绕，特地在三根钢绞线的外部均匀设置若干个固定套环，在张紧钢绞线时，固定套环不会影响三根钢绞线之间的任一条的张紧。

附图说明

图1为本发明巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构的正视图；

图2为本发明巷道底板预应力锚索群支护布置的俯视图；

图3为本发明中一组锚索束及注浆的结构示意图。

图1-图3中，1为巷道，2为金属网，3为锚杆，4为锚索，5为混凝土喷层，6为注浆孔，7为锚索束，8为导向帽，9为固定套环，10为槽钢梁；11为托盘，12为三孔锚具，13为竖向钻孔，14为注浆管，15为编织袋，16为钢绞线，17为预应力锚索群，18为底板硬化层，ⅰ为灌浆锚固段，ⅱ为注浆加固段，ⅲ为封孔段。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构，包括若干组锚索束7，每组锚索束7均设置在巷道底板内的竖向钻孔内，每组锚索束7均包括一个导向帽8、一个托盘11、一套三孔锚具12和三根钢绞线16，三根钢绞线16的下端固定连接有伸入到竖向钻孔底部的导向帽8，竖向钻孔的孔口处水平设置有若干根槽钢梁10，将2组或3组锚索束7共同使用一根槽钢梁10，槽钢梁10上开设有钢绞线穿线孔和穿管孔，三根钢绞线16上端向上穿过钢绞线穿线孔，托盘11套在三根钢绞线16上，在竖向钻孔内注入水泥浆将导向帽8预埋凝固后形成灌浆锚固段ⅰ，三根钢绞线16对应穿在三孔锚具12的孔内，并对三根钢绞线16上端施加预应力张紧；在竖向钻孔内的灌浆锚固段ⅰ上设置有注入水泥浆后凝固后形成的注浆加固段ⅱ和封孔段ⅲ。若干组与灌浆锚固段ⅰ、注浆加固段ⅱ、封孔段ⅲ相结合的锚索束配套槽钢梁10组合起来即形成预应力锚索群与注浆协调加固结构。

导向帽8的上部为圆筒形结构，导向帽8的下部为下尖上粗的圆锥形结构，三根钢绞线16的下端伸入到导向帽8内并与导向帽8的内圈焊接为一体。

三根钢绞线16外部套设有若干个固定套环9，固定套环9沿钢绞线16的长度均匀布置，固定套环9内壁与三根钢绞线16之间具有摩擦力。

封孔段ⅲ的上部设置有将槽钢梁10、钢绞线16上端、三孔锚具12和托盘11预埋的底板硬化层18，底板硬化层18由钢筋混凝土浇筑而成。

巷道底板预应力锚索群与注浆协调加固结构的施工方法，包括以下步骤，

（1）首先在地下岩层中掘进设定断面形状和尺寸的巷道1，然后根据巷道1的顶板和两帮的支护设计参数，在顶板和两帮铺设金属网2，钻锚杆孔、锚索孔和注浆孔6，在锚杆孔和锚索孔内打设锚杆3和锚索4并锚固，对注浆孔6内进行注浆，最后喷射混凝土形成混凝土喷层5，通过高强高预紧力锚网索支护和注浆加固强力支护，确保顶板和两帮的稳定性，以减小巷道底板变形；

（2）将3根直径22mm的高强度钢绞线16组合成一体，制作成锚索束7，在锚索束7的最下端固定设置导向帽8，且每间隔500mm配备一对用于拢紧锚索束7的固定套环9，在锚索束7的上端制作配套的槽钢梁10、托盘11和三孔锚具12；

（3）在巷道1掘出且顶板、两帮支护完成后，滞后掘进迎头40m-60m（此距离可以根据实际情况调整，以不影响掘进为前提），按照底板上竖向钻孔的布置参数，打设若干个竖向钻孔至设计深度；然后将制作好的带有导向帽8和固定套环9的锚索束7推送至竖向钻孔的孔底，锚索束7的上端向上穿过槽钢梁10的钢绞线穿线孔，在槽钢梁10上开设的穿管孔内穿入塑料胶管并伸入到竖向钻孔的孔底，并将搅拌好的水泥浆通过塑料胶管进行反灌浆，边灌浆边往上提塑料胶管，直至达到设计灌浆深度，形成灌浆锚固段ⅰ，导向帽8被预埋到灌浆锚固段ⅰ内；将塑料胶管取出，并通过槽钢梁10上的穿管孔预埋设计长度的注浆管14，并使用编织袋15缠绕在锚索束7上部以用于之后的封孔，编织袋15距离竖向钻孔的孔口500mm；

（4）待灌浆锚固段ⅰ凝固2天后，将2组或3组锚索束7通过铺设槽钢梁10组合起来，然后在锚索束7上安装托盘11和三孔锚具12，并将组成锚索束7的3根钢绞线16分别张拉至设计预紧力；将锚索束7通过槽钢梁10按照间排拒为1800×1800mm组合起来形成预应力锚索群17，实现巷道底板的高强度、高预应力、大深度主动支护；

（5）在编织袋15上的竖向钻孔内注入水泥浆进行封孔，凝固后形成封孔段ⅲ；

（6）封孔完成后，对巷道底板地面进行硬化，形成底板硬化层18，硬化厚度300mm，槽钢梁10、钢绞线16上端、三孔锚具12和托盘11埋入底板硬化层18内，注浆管14上端伸出底板硬化层18；

（7）巷道底板地面硬化完成后，根据底板注浆参数，采用风动注浆泵，通过预埋的注浆管14对灌浆锚固段ⅰ和封孔段ⅲ之间的竖向钻孔内注入水泥浆，加固底板破碎围岩，凝固后形成注浆加固段ⅱ。

在步骤（2）中，制作锚索束7的钢绞线16的数量和规格、相邻固定套环9之间的距离以及与锚索束7配套的槽钢梁10、托盘11和三孔锚具12的规格、封孔材料以及地面硬化厚度根据实际生产条件进行调整。

在步骤（3）中，竖向钻孔的钻进深度要求进入稳定岩层2m以上，灌入的浆液（水泥浆）的材料类型及参数应根据底板与浆液的作用特征确定。

在步骤（4）中，锚索束7的设计预紧力要求达到极限载荷的50%以上，锚索束7的间距和排距的合理选择应能达到有效扩散预应力和有效注浆的目的。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。