一种井下围岩断层支护装置及支护方法
【专利摘要】本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法公开了一种井下围岩断层裂隙支护的时候使用的支护装置以及支护方法，可利用交流电电场对断层的煤层巷道围岩进行支护，能够有效提高断层区围岩的整体性和自身承载力。其特征在于三个中空注浆管均匀分布置于中空支架上，三个中空注浆管外表面上分别置有注浆排孔，绕缠线圈整体绕缠于三个中空注浆管外侧，所述绕缠线圈绕缠时，不能遮蔽注浆排孔，旋进锚头置于中空支架一端上，且分别和三个中空注浆管一端连接，注浆连接筒分别和三个中空注浆管的另一端连接，连通管置于注浆连接筒中部，垫板置于连通管上，阳极柱依次穿过垫板和连通管，置于中空支架内，防护袋套置于三个中空注浆管外侧。
【专利说明】
一种井下围岩断层支护装置及支护方法
技术领域
[0001]本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法涉及一种井下围岩断层裂隙支护的时候使用的支护装置以及支护方法，属于围岩支护技术领域。特别涉及一种可利用交流电电场对断层的煤层巷道围岩进行支护，能够有效提高断层区围岩的整体性和自身承载力的支护装置以及支护方法。
【背景技术】
[0002]在煤矿资源整合时，重组矿井往往由多个小煤窑组成，小煤窑在首次开采后，破坏了原岩层力的平衡，使得采空区的原岩应力发生变化，并为了寻找新的力平衡点而重新分布，当到达临界值时，就会发生围岩破坏和移动，随着煤炭开采范围不断扩大，围岩被进一步的破坏和移动，导致岩体崩落，引发大面积顶板冒落和围岩移动等事故，给煤矿开采和生产带来了极大的安全隐患。
[0003]断层不像原岩那样坚固紧实，存在大量空隙裂缝，局部还存在没有填充完全的空洞地段，裂隙岩体中高承压水与围岩的长期相互作用，一方面造成岩体发生显著的软化现象，导致岩体承载能力显著降低，另一方面可导致围岩产生较大的变形，从而使得围岩的自承载力显着下降，影响了围岩自承载结构的形成，对巷道支护结构的稳定性造成较大的影响。导致围岩呈现出松软破碎、稳定性和坚固性差、应力集中、地下导水突水通道多和承载力弱等特点，给断层巷道围岩支护带来很大困难。
[0004]在实际施工过程中很难预先判明断层破碎带的准确位置及高压裂隙水的渗流条件，从而给施工留下极大的隐患，随时可导致突水及冒顶、片帮等事故的发生。
[0005]现有的煤层断层区巷道支护方法主要是高强度棚架结构、混凝土反拱、料石砌碹、锚网支护和注浆封闭与加固。针对断层区上覆岩层冒落带、裂缝带和整体弯曲带对围岩稳定性的影响，当断层围岩发生位移严重、压应力集中时，上述支护方式不能满足煤层巷道断层区的围岩稳定性要求。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法提供了一种井下围岩断层裂隙支护的时候使用的支护装置以及支护方法，可利用交流电电场对断层的煤层巷道围岩进行支护，能够有效提高断层区围岩的整体性和自身承载力。
[0007]本发明一种井下围岩断层支护装置是这样实现的:
本发明一种井下围岩断层支护装置由中空注浆管、绕缠线圈、注浆排孔、旋进锚头、防护袋、阳极柱、注浆连接筒、垫板、连通管和中空支架组成，三个中空注浆管均匀分布置于中空支架上，三个中空注浆管外表面上分别置有注浆排孔，绕缠线圈整体绕缠于三个中空注浆管外侧，所述绕缠线圈绕缠时，不能遮蔽注浆排孔，旋进锚头置于中空支架一端上，且分别和三个中空注浆管一端连接，注浆连接筒分别和三个中空注浆管的另一端连接，连通管置于注浆连接筒中部，垫板置于连通管上，阳极柱依次穿过垫板和连通管，置于中空支架内，防护袋套置于三个中空注浆管外侧。
[0008]本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法是这样实现的，其特征在于包括以下步骤:
1)首先布置超前钻孔，在断层巷道侧壁用钻机打孔，在高度中心位置钻中心孔，直径Φ20mm，深度1800-2800mm;中心孔两两间隔2000mm，所述中心孔的钻孔方向和断层巷道外接圆切线方向垂直;深度可根据围岩条件确定，若围岩条件较好，则采用长度为2800mm，反之则采用长度为1800mm;
2)进一步的，以中心孔为中心，打支护孔，六个支护孔在中心孔外围，呈正六边形分布，支护孔两两间距为1000mm，所述支护孔孔径Φ60ι?πι，深度1800-3000mm，所述支护孔的方向和断层巷道外接圆切线方向垂直；
3)进一步的，中心孔和支护孔布局完成后，将阴极柱插入中心孔内，将防护袋套在断层支护装置外侧，然后将整个断层支护装置安装在支护孔内；
当断层支护装置安装完毕后，在钻孔处拉防护袋，防护袋底端被锚头刺破，即可整体将防护袋拉出来；
所述防护袋为圆筒袋，采用聚乙烯材料制成；
4)进一步的，将阴极柱和交流电源负极相连，将断层支护装置中部的阳极柱和交流电源正极相连，阴极柱和阳极柱安装好后，及时喷浆封闭；
5)进一步的，将围绕中心孔的，六个支护孔中的断层支护装置的注浆连接筒和注浆装置连接，注浆装置对六个断层支护装置同时注浆，浆液从断层支护装置上的中空注浆管中的注浆排孔流出，同时给六个断层支护装置上的阳极柱和所围绕的中心孔中的阴极柱通电，通电后，阴极柱和六个阳极柱在围岩内产出电场，在电场的作用下，六个断层支护装置的浆液分别向中心孔的阴极柱扩散；
在电渗和电泳的电化学效应作用下，浆液的填充半径大大提高，使得浆液充分填充断层区围岩内部空隙、裂缝，并且对断层区围岩进行加固，使其形成整体围岩；
所述断层支护装置外圈绕缠线圈在电场作用下产生磁场，浆液在磁场作用下进一步往中心孔方向加速扩散；
所述六个支护孔中的阳极柱围绕中心孔中的阳极柱，呈正六边形分布的设计，因此，能够使浆液扩散的时候，在围岩中，扩散半径增大，且可以定向均匀地扩散，提高围岩加固效果;
所述断层围岩支护装置的三个中空注浆管的设计，能够更好的配合交流电场，进行浆液的注入；
所述浆液为单液水泥-水玻璃浆液、酸性电解质和金属粉末混合，所述酸性电解质为Na2S13、NaCl、Na2S04 和 Na3PO4，浓度为 0_420g/L ；
所述金属粉末为Fe和Co磁性粉末；
所述交流电源的电压为800-1200V，注浆压力控制在3-4MPa;
6)注浆停止后，阳极柱和阴极柱继续通电30min-60min后再停止，保证浆液的充分扩散，以尽快产生强度，便于提前施工；
7)完成围岩断层加固作业后，在断层支护装置和阴极柱上，安装锚网，然后进行喷浆封闭，再安装超前全封闭管棚，然后利用超前全封闭管棚进行注浆永久支护； 所述超前全封闭管棚的每架钢支架分4节，顶肩各一节，两帮各一节，并在搭接处安装卡缆，棚距500 mm，每棚设9副连接板，连接后支架形成闭环；
8)底板开卸压槽。卸压槽宽500_，深度1500_，待释放压力后再及时回填充实卸压槽。
[0009]本发明一种井下围岩断层支护方法，通过交流电电场作用，能在围岩中形成不可逆的隔水帷幕，并且消除孔隙段的残留涌水，同时也能够提高浆液的扩散半径。浆液注入后在交流电场作用下，浆液扩散半径大于2.5m，断层区围岩整体强度提高260%以上；
有益效果。
[0010]一、利用交流电电场作用对巷道围岩加固，增加对围岩的压应力，改善围岩应力分布状态。
[0011]二、浆液的填充半径大大提高，使得浆液充分填充断层区围岩内部空隙、裂缝，围岩裂隙得到粘结。
[0012]三、能够大大提高围岩的自承能力和稳定性。
【附图说明】
[0013]附图1为本发明一种井下围岩断层支护装置的立体结构图。
[0014]附图2为本发明一种井下围岩断层支护方法的电场布置图。
[0015]附图3为本发明一种井下围岩断层支护方法的巷道段面支护示意图。
[0016]附图中:
其中零件为:中空注浆管(1)，绕缠线圈(2)，注浆排孔(3)，旋进锚头(4)，防护袋(5)，阳极柱(6)，注浆连接筒(7)，垫板(8)，连通管(9)，中空支架(10)，巷道断面(11)，超前全封闭管棚(12)，阴极柱(13)，中心孔(14)，卸压槽(15)，卡缆(16)，锚网(17)，支护孔(18)。
【具体实施方式】
[0017]本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法是这样实现的，下面进行进一步阐述:
1)综合利用超前地质探测等手段勘查围岩断层情况，然后布置超前钻孔，在断层巷道侧壁用钻机打孔，在高度中心位置钻中心孔，直径Φ 20mm，深度2800mm;中心孔两两间隔2000mm，所述中心孔的钻孔方向和断层巷道外接圆切线方向垂直；
2)以中心孔为中心，打支护孔，六个支护孔在中心孔外围，呈正六边形分布，支护孔两两间距为1000mm，所述支护孔孔径Φ 60mm，深度3000mm，所述支护孔的方向和断层巷道外接圆切线方向垂直；
3)中心孔和支护孔布局完成后，将阴极柱插入中心孔内，将防护袋套在断层支护装置外侧，然后将整个断层支护装置安装在支护孔内，当断层支护装置安装完毕后，在钻孔处拉防护袋，防护袋底端被锚头刺破，即可整体将防护袋拉出来；
4)然后将阴极柱和交流电源负极相连，将断层支护装置中部的阳极柱和交流电源正极相连，阴极柱和阳极柱安装好后，及时喷浆封闭；
5)将围绕中心孔的，六个支护孔中的断层支护装置的注浆连接筒和注浆装置连接，注浆装置对六个断层支护装置同时注浆，浆液从断层支护装置上的中空注浆管中的注浆排孔流出，同时给六个断层支护装置上的阳极柱和所围绕的中心孔中的阴极柱通电，通电后，阴极柱和六个阳极柱在围岩内产出电场，在电场的作用下，六个断层支护装置的浆液分别向中心孔的阴极柱扩散;交流电源的电压为1200V，注浆压力控制在3MPa;
在交流电场下，产生如下几个过程:注入压力作用过程，电力作用过程，电化作用过程和结构形成过程，注入压力作用过程即为浆液在注入压力作用下从注液管孔向周围扩散，其流动服从达西定律，流速呈直线性，电力作用过程即电渗作用，其中的水在电场力的作用下从阳极向阴极移动，电渗流速呈直线性，电化作用过程包括电解作用、离子移动作用和离子交换反应作用，结构形成过程即为分子凝固，化合结晶；
所有这些过程都是相互关连，并发展为几个阶段，起先注入压力起主要作用，电渗起排水作用，接着电力作用过程比较激烈，在其作用下，电解浆液在粘土质中由正极向负极方向移动，然后具有电化作用和结构形成过程，这两个过程同时进行，由于电化学的迀移和扩散，这两种溶液在土中相遇，相遇后其分界面上形成硅胶膜，此后，水玻璃中的酸就从此膜扩散出去，水玻璃脱酸后就逐渐浓缩，最后完全转化成硅酸凝胶，反应生成的硅酸凝胶把土壤颗粒胶结起来，在最后阶段，去掉电压，也会继续形成不溶于水的化合物，结果其孔隙被淤住，并在电化处理方法下增强了粘土或流砂的承载能力，减少其透水性，起到了显著的加固作用；
在电渗和电泳的电化学效应作用下，浆液的填充半径大大提高，使得浆液充分填充断层区围岩内部空隙、裂缝，围岩裂隙得到粘结，提高了围岩的完整性，使得裂隙的抗剪强度和刚度大大提高，浆液充填到裂隙中固结后形成新的网络骨架结构，使得裂隙岩体的变形模量明显提高。裂隙充填后，其端部应力集中大大削弱甚至消失，改变原来的裂隙扩展破坏机制，遏制了围岩的流变变形；
6)注浆停止后，阳极柱和阴极柱继续通电60min后再停止，保证浆液的充分扩散，以尽快产生强度，便于提前施工；
7)完成围岩断层加固作业，在断层支护装置和阴极柱上，安装锚网，然后进行喷浆封闭，再安装超前全封闭管棚，然后利用超前全封闭管棚进行注浆永久支护；
8)底板开卸压槽，卸压槽宽500_，深度1500_，待释放压力后再及时回填充实卸压槽。
[0018]本发明从改善围岩力学特性和密实围岩裂隙入手，呈正六边形分布的阳极柱围绕阴极柱的设计，浆液注入后在交流电场作用下，在围岩中，扩散半径增大，浆液扩散半径大于2.5m，断层区围岩整体强度提高260%以上;使围岩的承载能力极大提高，以保证巷道的长期稳定。
[0019]本发明一种井下围岩断层支护装置及支护方法，广泛用于煤矿矿井开采挖掘中的井筒施工、开拓巷道施工、断层巷道支护施工、硐室施工各个方面。
【主权项】
1.一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于包括以下步骤: 1)首先布置超前钻孔，在断层巷道侧壁用钻机打孔，在高度中心位置钻中心孔，直径Φ20mm，深度1800-2800mm;中心孔两两间隔2000mm，所述中心孔的钻孔方向和断层巷道外接圆切线方向垂直； 2)进一步的，以中心孔为中心，打支护孔，六个支护孔在中心孔外围，呈正六边形分布，支护孔两两间距为1000mm，所述支护孔孔径Φ60ι?πι，深度1800-3000mm，所述支护孔的方向和断层巷道外接圆切线方向垂直； 3)进一步的，中心孔和支护孔布局完成后，将阴极柱插入中心孔内，将防护袋套在断层支护装置外侧，然后将整个断层支护装置安装在支护孔内，当断层支护装置安装完毕后，在钻孔处拉防护袋，防护袋底端被锚头刺破，即可整体将防护袋拉出来； 4)进一步的，将阴极柱和交流电源负极相连，将断层支护装置中部的阳极柱和交流电源正极相连，阴极柱和阳极柱安装好后，及时喷浆封闭； 5)进一步的，将围绕中心孔的，六个支护孔中的断层支护装置的注浆连接筒和注浆装置连接，注浆装置对六个断层支护装置同时注浆，浆液从断层支护装置上的中空注浆管中的注浆排孔流出，同时给六个断层支护装置上的阳极柱和所围绕的中心孔中的阴极柱通电，通电后，阴极柱和六个阳极柱在围岩内产出电场，在电场的作用下，六个断层支护装置的浆液分别向中心孔的阴极柱扩散； 6)注浆停止后，阳极柱和阴极柱继续通电30min-60min后再停止，保证浆液的充分扩散，以尽快产生强度，便于提前施工； 7)完成围岩断层加固作业后，在断层支护装置和阴极柱上，安装锚网，然后进行喷浆封闭，再安装超前全封闭管棚，然后利用超前全封闭管棚进行注浆永久支护； 8)底板开卸压槽，卸压槽宽500_，深度1500_，待释放压力后再及时回填充实卸压槽。2.根据权利要求2所述的一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于:其特征是:一种井下围岩断层支护装置由中空注浆管、绕缠线圈、注浆排孔、旋进锚头、防护袋、阳极柱、注浆连接筒、垫板、连通管和中空支架组成，三个中空注浆管均匀分布置于中空支架上，三个中空注浆管外表面上分别置有注浆排孔，绕缠线圈整体绕缠于三个中空注浆管外侧，所述绕缠线圈绕缠时，不能遮蔽注浆排孔，旋进锚头置于中空支架一端上，且分别和三个中空注浆管一端连接，注浆连接筒分别和三个中空注浆管的另一端连接，连通管置于注浆连接筒中部，垫板置于连通管上，阳极柱依次穿过垫板和连通管，置于中空支架内，防护袋套置于三个中空注浆管外侧。3.根据权利要求1或2所述的一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于:所述浆液为单液水泥-水玻璃浆液、酸性电解质和金属粉末混合，酸性电解质为Na2S13、NaCl、Na2SO4和Na3PO4，浓度为0_420g/L ；金属粉末为Fe和Co磁性粉末。4.根据权利要求1-3所述的一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于:交流电源的电压为800-1200V。5.根据权利要求1-4所述的一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于:注浆压力控制在3-4MPa。6.根据权利要求1-5所述的一种井下围岩断层支护装置及支护方法，其特征在于:所述超前全封闭管棚的每架钢支架分4节，顶肩各一节，两帮各一节，并在搭接处安装卡缆，棚距 .500 mm，每棚设9副连接板，连接后支架形成闭环。
【文档编号】E21D11/00GK105927243SQ201610448862
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】江东海, 王同旭, 马文强, 蒋子龙, 曲孔典, 张恒, 宋学峰
【申请人】山东科技大学