对煤柱进行加固的方法和煤柱加固体与流程

1.本发明涉及煤矿领域，尤其涉及一种对煤柱进行加固的方法和煤柱加固体。


背景技术：

2.目前，关于在煤矿采空区构建地下水库是当下解决我国西部地区水资源严重不足问题的一个重大研究课题。构筑煤矿地下水库核心问题是解决地下水库煤柱坝体强度及受力问题。通常在采矿行业中，预留煤柱主要是在回采过程中发挥其支撑作用，未考虑作为地下水库坝体组成部分使用，用预留煤柱构筑地下水库坝体还在进一步研究中。
3.与地下水库坝体比较，地面坝体受力相对简单，而地下水库坝体则受矿压、水压、以及煤柱顶板、底板周围岩体压力以及一些难以控制的未知应力。在这样的条件下，极易造成坝体失稳、地板碎裂、坝体变形、垮塌、造成透水、淹井事故。
4.在现有技术中，地面坝体加固主要针对防渗、堵漏加固，通常采用静压注浆封堵、地下连续墙法、高喷灌浆法、注桩等方式，显然这些加固方式不适用于地下水库煤柱坝体承载力方面的加固。现有的煤柱支护方式采用轻型端锚支护，初撑力、支护阻力低，不能有效地控制煤柱发生形变，不能有效地控制煤柱塑性区的进一步扩展。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本发明提出一种对煤柱进行加固的方法和煤柱加固体，解决了现有技术中采用轻型端锚支护，初撑力、支护阻力低，不能有效地控制煤柱发生形变，不能有效地控制煤柱塑性区的进一步扩展的技术问题，能够改变煤柱应力区分布，转移部分煤柱承受的应力作用，缩减煤柱塑性区形成范围，起到加固煤柱作用，延长煤柱使用寿命。
6.本发明提出一种对煤柱进行加固的方法，包括：
7.计算得到加固坝体的宽度并选择加固材质；
8.在巷道掘进期间，先对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割；
9.采用加固材质对加固坝体进行浇筑，且在浇筑过程中使加固坝体的基座与巷道底板相连接，使加固坝体的一侧与煤柱连接且二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，使加固坝体的顶端的常规区域与顶板相接，浇筑制作切割处填充体，使切割处填充体填充到煤柱的外壁被切割处。
10.此外，加固坝体的顶端与顶板之间的空隙打入支撑部件，支撑部件至少包括支撑板和/或支撑锚具。
11.此外，计算得到加固坝体的宽度包括：
12.计算煤柱受到的应力，根据应力分配加固后煤柱的宽度和加固坝体的宽度。
13.此外，加固后煤柱的宽度与加固坝体的宽度比例为2比1。
14.此外，加固坝体的另一侧为向内凹进的曲面，且加固坝体的底端厚度、中部最薄处厚度、顶端厚度的比例关系为1.5:1:1.2。
15.此外，加固材质为钢筋混凝土。
16.此外，对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割时，进行三角形切割。
17.本发明还提出一种煤柱加固体，包括：
18.加固坝体和支撑部件；
19.加固坝体采用加固材质浇筑，且在浇筑过程中加固坝体的基座与巷道底板相连接，加固坝体的一侧与煤柱连接且二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，加固坝体的顶端的常规区域与顶板相接，浇筑制作的加固坝体的切割处填充体填充到煤柱的外壁被切割处；
20.煤柱的外壁被切割处为在巷道掘进期间，对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割形成；
21.加固坝体的顶端与顶板之间的空隙打入支撑部件。
22.此外，加固后煤柱的宽度与加固坝体的宽度比例为2比1。
23.此外，加固坝体的另一侧为向内凹进的曲面，且加固坝体的结构按照底端厚度、最薄处厚度、顶端基座厚度比为1.5:1:1.2的比例进行。
24.本发明提供的对煤柱进行加固的方法和煤柱加固体能够改变煤柱应力区分布，转移部分煤柱承受的应力作用，缩减煤柱塑性区形成范围，起到加固煤柱作用，延长煤柱使用寿命。
附图说明
25.图1为本发明一个实施例提供的对煤柱进行加固的方法的流程图；
26.图2为本发明一个实施例提供的煤柱加固体所在的水库坝体整体的示意图；
27.图3为本发明一个实施例提供的煤柱加固体的基座的示意图；
28.图4为本发明一个实施例提供的煤柱加固体的顶端的示意图；
29.图5为本发明一个实施例提供的煤柱加固体的整体示意图；
30.图6为本发明一个实施例提供的煤柱加固体的所在的水库坝体的俯视图。
具体实施方式
31.以下结合具体实施方案和附图对本发明进行进一步的详细描述。其只意在详细阐述本发明的具体实施方案，并不对本发明产生任何限制，本发明的保护范围以权利要求书为准。
32.参照图1，本发明提出一种对煤柱进行加固的方法，包括：
33.步骤s001，计算得到加固坝体的宽度并选择加固材质；
34.步骤s002，在巷道掘进期间，先对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割；
35.步骤s003，采用加固材质对加固坝体进行浇筑，且在浇筑过程中使加固坝体的基座与巷道底板相连接，使加固坝体的一侧与煤柱连接且二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，使加固坝体的顶端的常规区域与顶板相接，浇筑制作切割处填充体，使切割处填充体填充到煤柱的外壁被切割处。
36.现有技术中，采用锚杆加固+注浆加固相结合的方法加固煤柱，煤柱强度虽然有所提升，但随着埋深增大，回采过程中矿压的复杂变化，煤柱所承受应力也在不断变化，在煤柱外侧容易形成塑性破坏区，一旦达到煤柱极限强度后，塑性破坏区逐渐延伸最后到达弹
性核区，煤柱承载力不足，便发生垮塌。此外，煤层底板有倾角，煤柱的顶板及自重长期在切应力、重力作用下，也使得煤柱更容易失稳、垮塌，不能长久满足地下水库坝体强度需求。针对煤柱所承受的巨大应力问题，保护和防止煤柱大范围产生塑性破坏区，分担煤柱受力问题是解决煤柱坝体稳定性的关键技术所在。
37.在步骤s001中，首先，根据煤层的埋深、煤岩流变系数、煤岩试块的单轴抗压强度数值模拟出煤柱的承载力及极限强度；进一步可模拟计算出煤柱塑性破坏区宽度，再根据巷道高度、塑性区宽度可以进一步算出煤柱的预留宽度(w＝煤柱两侧的塑性破坏区+弹性核区，弹性核区一般取值为2倍的巷道高度)，此刻的煤柱预留宽度w是未经加固前常规模式下煤矿预留煤柱的取值；
38.根据煤柱两侧塑性破坏区的承载力及理论极限强度，大致推算出所需要的加固材质例如钢筋混凝土的承载力及抗拉伸等强度；然后，设计加固材质的比例，以选用钢筋混凝土加固坝体为例说明，选用的钢筋材质以及水泥、沙子、石料比例，钢筋混凝土加固坝体的承载力和极限强度可参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》gb/t50081-2002，《混凝土结构设计规范》gb50010-2010。根据实际演算可知钢筋混凝土加固坝体的强度远远大于等体积煤柱，所需要的加固坝体体积也远远小于煤柱的塑性破坏区范围。因此，可适当减小原设计煤柱尺寸，在原设计的煤柱宽度基础上，取w1(w1＝2/3倍的煤柱两侧的塑性破坏区宽度+弹性核区)宽度为煤柱真实宽度留设，1/3倍的煤柱两侧的塑性破坏区宽度用于做钢筋混凝土加固坝体，即加固坝体的宽度，这样钢筋混凝土加固过的煤柱比未加固的煤柱稳定性、承载力方面更强。
39.参照图2-图6，在步骤s002中，在巷道掘进期间，先对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割；
40.在组织实施加固工程前，先对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割，以释放顶板对其的压力，即释放应力，将应力暂时转移向顶板、煤柱中心区域以及支护设施上，从而使这部分煤柱不会被外部应力破坏，以保护煤柱的外侧，可选地，对煤柱的外壁上侧的顶角进行三角形切割，即切掉一个三角形。
41.在步骤s003中，采用加固材质对加固坝体进行浇筑，且在浇筑过程中使加固坝体的基座与巷道底板相连接，使加固坝体的一侧与煤柱连接且二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，使加固坝体的顶端的常规区域与顶板相接，浇筑制作切割处填充体，使切割处填充体填充到煤柱的外壁被切割处。
42.在浇筑的过程中先浇筑基座，然后逐步向上进行浇筑，当加固坝体的一侧与煤柱连接时，可能会产生空隙，此时二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，以使二者无缝隙连接。在浇筑加固坝体顶端时，首先要制作切割处填充体，然后将其填充到煤柱的外壁被切割处，使加固材质替代煤柱承载上部的压力，最后再将加固坝体的顶端进行浇筑，即顶端的常规区域与顶板相接。
43.为了实现将煤柱上的承载力转移给加固材质，例如转移给钢筋混凝土浇筑的加固坝体，在掘进巷道完毕，工作面回采之前实施加固动作，在构筑加固坝体前，确保巷道内支护良好，确保预留煤柱整体完整，外壁未遭受大面积矿压造成破损。
44.通过对预留煤柱的外壁在回采前提前加固，采用加固材质例如钢筋混凝土墙体辅助煤柱做支撑体，采用切割法对煤柱外壁塑性破坏区进行应力释放，再对煤柱进行加固，转
移煤柱受力问题。
45.本发明提供的对煤柱进行加固的方法，能够改变煤柱应力区分布，转移部分煤柱承受的应力作用，缩减煤柱塑性区形成范围，起到加固煤柱作用，延长煤柱使用寿命。
46.在其中的一个实施例中，加固坝体的顶端与顶板之间的空隙打入支撑部件，支撑部件至少包括支撑板和/或支撑锚具。
47.为了使加固坝体更好地分担转移煤柱的受力作用，在浇筑好的加固坝体与顶板相接处打入支撑部件，例如支撑板，支撑锚具。当撤掉临时性支护设施时，顶板的应力转移至煤柱中心区域以及支护处，当支撑部件打入后，顶板的应力重新分布，还原传递给加固坝体，此时的加固坝体起到初步承载作用。
48.在其中的一个实施例中，计算得到加固坝体的宽度包括：
49.计算煤柱受到的应力，根据应力分配加固后煤柱的宽度和加固坝体的宽度。
50.为了计算加固坝体的宽度，首先要计算煤柱(即预留煤柱)收到的应力，然后根据应力计算加固后的煤柱与加固坝体各自承担多少应力，从而计算得到加固后煤柱的宽度和加固坝体的宽度。
51.在其中的一个实施例中，加固后煤柱的宽度与加固坝体的宽度比例为2比1。根据计算和实践，加固后煤柱的宽度与加固坝体的宽度比例为2比1时，对煤柱起到了保护作用的同时，也使加固成本控制在合理范围内。
52.在其中的一个实施例中，加固坝体的另一侧为向内凹进的曲面，且加固坝体的底端厚度、中部最薄处厚度、顶端厚度的比例关系为1.5:1:1.2。采用这种曲面结构，使受力面积增大，使单位面积的受力强度小，而且节约加固材质的用量。
53.因为，当人工煤柱坝体承受较大围岩压力时，煤柱坝体对底板会产生较大的压力，可能造成相应的底板裂隙增加或者局部失稳破坏，出现漏水等不安全因素，因此采用增大基座与顶端的支撑面积，减小单位面积受力。
54.在其中的一个实施例中，加固材质为钢筋混凝土。
55.工作面回采时，加固坝体发挥重要作用。钢筋混凝土墙体的弹性弱及抗形变能力、承载能力极强，在工作面回采时，作用于煤柱及钢筋混凝土加固坝体的整体受力趋势为：钢筋混凝土加固坝体除了承担摘除掉的1/3煤柱塑性破区所承担的所有应力外，还会受到回采时应力的重新分布带来的强大矿压。由于钢筋混凝土坝体自身弹性弱，抗变形能力强的特点，在煤柱外部边缘形成良好的支撑承压结构，使得煤柱本身受力大大降低，煤柱的塑性破坏区得到良好的保护。在回采结束后，煤柱也在钢筋混凝土加固坝体的保护下能保留完好，为后期的地下水库建设提供完整且具有足够强度的坝体。
56.本实施例中采用钢筋混凝土+锚杆、锚索加固的方式，可以提高煤柱的整体力学性能，同时也强化了煤柱自身承载力，提高煤柱抗压、抗剪强度，控制煤柱变形，分担煤柱受力，减少煤柱塑性破坏区的产生，有效避免煤柱在回采时所受应力集中问题，在这样的条件下，可以适当缩小煤柱尺寸，一方面提高资源回收率，另一方面关键能保护煤柱的完整性，大大延长作为煤柱坝体的使用寿命。
57.在其中的一个实施例中，对煤柱的外壁上侧的顶角进行切割时，进行三角形切割。选择三角形结构，除了容易切割外，三角形的支撑性也更好。
58.本实施例转移预留煤柱的受力，有效改变了煤柱的整体受力，对预留煤柱外壁形
成良好的保护作用。同时垂直于煤壁上的作用力又通过混凝土墙体向内形成加固，有效延长了钢筋混凝土加固煤柱坝体的使用寿命。对地下水库安全有效的储水起到重要保护作用，极大的增加了地下水库坝体强度，增加水库储水安全使用寿命。有效阻挡了水体对煤柱的侵蚀作用，防止了水体通过煤柱裂隙泄露造成溃坝事故。有效的减小预留煤柱尺寸，大大提升资源开采利用率，减少煤炭资源的浪费。
59.本发明的实施阶段是在巷道掘进完毕，回采之前实施的，保证预留煤柱完整，煤柱外壁完整还未遭到回采应力重新分布导致煤柱破坏之前；所述巷道包括巷道底板、顶板和连接在所述巷道顶板与底板之间的巷帮。
60.可选地，加固坝体的一侧与煤柱的外壁通过锚索紧密相接。
61.参照图4，可选地，加固坝体的顶端与巷道的顶板呈20
°
至30
°
的倾斜夹角紧密衔接，倾斜方向朝向预留煤柱方向，并且倾角结构内植有变形钢筋10，变形钢筋的截面积为φ22mm，在加固坝体内设置变形钢筋，加固坝体内的变形钢筋呈20
°
至30
°
弯曲状，变形钢筋自加固坝体的常规区域延伸到煤柱的切割处填充体内，使切割处填充体与加固坝体的其它部分一并构筑为一体。变形钢筋由于筋的作用，和混凝土有较大的粘结能力，因而能更好地承受外力的作用。
62.可选地，加固坝体的基座与巷道底板通过锚杆与植筋相接，并朝向远离预留煤柱方向延伸。
63.可选地，加固坝体与煤柱之间采用锚索加固，锚索的一端打入煤柱内，另一端浇筑在加固坝体内，锚索起到煤柱与加固坝体之间的衔接作用；锚索的抗拉、屈服、延伸、载荷强度的选择依据塑性破坏区范围来选取；锚索的长度、规格、型号选择依据塑性破坏区的范围来确定；煤柱的支撑力及极限强度等均可以数值模拟算出来。
64.参照图4，可选地，对煤柱的外壁上侧的顶角进行三角形切割时，在煤柱外侧与顶板相接的拐角处，平行于顶板，倾斜朝上向煤柱切取一定深度的切口，形成切面与顶板呈的角度9在20
°
到30
°
之间，平行于顶板方向的切口深度为1.0至1.5m，三角区用于释放煤柱边缘应力，保护预留煤柱，减少应力对煤柱外侧的破坏。
65.可选地，切割处填充体与加固坝体一体浇筑成型。
66.可选地，切割处填充体采用注浆浇筑，作为加固坝体顶端的延伸角。
67.可选地，加固坝体的最薄处厚度为锚索5总长度与20cm余量的四分之一，目的是减少厚度，减轻坝体自重，
68.可选地，加固坝体与巷道底板之间连接的锚杆4的长度及强度，通过确定底板加固深度范围，利用矿山压力在底板中传播范围和强度计算公式，算出底板破碎带厚度，根据厚度确定选用加固双圈螺纹钢锚杆，锚杆长度总长度为理论破碎带厚度的1.5倍。
69.参照图3，可选地，巷道底板与加固坝体基座31的锚杆4采用行列式排布。锚杆锚固方向垂直于巷道底板。巷道底板内的长度与加固坝体基座内的锚杆长度比例为2:1。
70.在其中的一个实施例中，提供了一种对煤柱进行加固的方法，包括：
71.1)在巷道内施工前，尽量多打一定数量的单体，对顶板起到良好的支撑作用，减轻预留煤柱的受力负担以免煤柱外壁出现大面积破碎受损严重；
72.2)在巷道内施工前，将顺槽预留煤柱的煤壁修整平整；
73.3)煤柱外部边缘到应力峰值这段区域会出现塑性破坏区，按照预留煤柱的宽度及
煤层厚度、埋藏深度及煤柱承受的极限强度等，计算出煤柱塑性区宽度，根据煤柱塑性区宽度以及煤柱的承载能力，选择锚索的长度和强度；
74.4)将锚索的一端打入预留煤柱内，锚索间距布设(有成熟的计算方法)，打入锚索深度为总长度的3/4，留取总长度的1/4浇筑在加固坝体内；
75.5)在构筑加固坝体的基座底部对应的巷道底板位置，避开桩基植筋铺设位置，按行间距、列间距均为100cm，打入锚杆；将锚杆总长度的2/3打入底板，留取总长度的1/3用会被浇筑在加固坝体基座内；
76.6)顶板有锚杆加固，巷道有足量的单体支撑在此条件下，在预留煤柱的上隅角，紧贴顶板，对煤柱外壁侧切割出夹角为20
°
至30
°
的三角，深度为1.2至1.5m之间；用于释放煤柱外壁承受的应力，防止煤柱外壁受应力作用破坏，将煤柱外壁所承担的作用力暂时向煤柱中心区及巷道单体和顶板转移；
77.7)接着在巷道内紧贴着煤柱铺设构筑模具，模具内置植筋，植筋的一端打入到巷道底板内，另一端浇筑在加固坝体内；根据加固坝体的最薄处厚度h可以确定，按照加固坝体底端、最薄处厚度、顶端比为1.5:1:1.2的比例关系组织施工布设模具，加固坝体顶端延伸进煤柱部分的三角，内置折弯的变形钢精φ22，与加固坝体的基座内锚杆、锚索浇筑时一次浇筑成型；成型后的结构显示坝体外侧为曲面，内侧为垂直面与煤柱紧贴，加固坝体与煤柱两相界面裂缝处注浆填充使得加固坝体与煤柱合二为一，成为一体；
78.8)为了使加固坝体更好的分担转移煤柱的受力作用，在浇筑好的加固坝体与顶板相接处打入支撑板，支撑锚具。使得混凝土加固墙体真正起到承重作用，将顶板的应力传递给混凝土墙体，减少煤柱及巷道单体和顶板的受力，真正实现煤柱的应力转移。
79.9)在已浇筑好的加固坝体混凝土曲面一侧，涂抹非固化橡胶沥青防水涂料(具有优异的蠕变性能；粘结性能；自愈合性；潮湿基层可施工性；耐化学腐蚀性和耐老化性能；环保性能；防水功能)，起到防止作为地下水库坝体内壁面出现长久性腐蚀，侵蚀破坏坝体。
80.参照图2-图6，本发明还提出一种煤柱加固体，包括：
81.加固坝体3和支撑部件；
82.加固坝体3采用加固材质浇筑，且在浇筑过程中加固坝体3的基座与巷道底板相连接，加固坝体3的一侧与煤柱1连接且二者之间的空隙采用注浆技术完成填充，加固坝体3的顶端的常规区域7与顶板相接，浇筑制作的加固坝体的切割处填充体6填充到煤柱1的外壁被切割处8；
83.煤柱1的外壁被切割处8为在巷道掘进期间，对煤柱1的外壁上侧的顶角进行切割形成；
84.加固坝体3的顶端与顶板之间的空隙打入支撑部件。
85.加固坝体3的一侧为采空区2。支撑部件至少包括支撑板和/或支撑锚具。
86.本发明提供的煤柱加固体，能够改变煤柱应力区分布，转移部分煤柱承受的应力作用，缩减煤柱塑性区形成范围，起到加固煤柱作用，延长煤柱使用寿命。
87.在其中的一个实施例中，加固后煤柱1的宽度与加固坝体3的宽度比例为2比1。根据计算和实践，加固后煤柱1的宽度与加固坝体3的宽度比例为2比1时，对煤柱1起到了保护作用的同时，也使加固成本控制在合理范围内。
88.在其中的一个实施例中，加固坝体3的另一侧为向内凹进的曲面，且加固坝体3的
结构按照底端厚度、最薄处厚度、顶端基座厚度比为1.5:1:1.2的比例进行。采用这种曲面结构，使受力面积增大，使单位面积的受力强度小，而且节约加固材质的用量。
89.因为，当人工煤柱坝体承受较大围岩压力时，煤柱坝体对底板会产生较大的压力，可能造成相应的底板裂隙增加或者局部失稳破坏，出现漏水等不安全因素，因此采用增大基座与顶端的支撑面积，减小单位面积受力。
90.以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。