急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法及装置，尤其适用于控制急倾斜煤层巷道非对称变形破坏的巷道围岩控制领域。

背景技术

煤层倾角超过45°以上的煤层是国际公认的难采煤层。由于急倾斜煤层巷道顶板、巷帮与底板所处围岩应力与岩性分布有所差别，造成巷道变形与破坏也有明显差别，呈非对称变形破坏的特征，一般的控制技术在该条件下适应性较差，控制效果不佳。

专利CN103291334B提出了一种用于急倾斜煤层的柔性支护装置，其本质是用于急倾斜巷道的液压可缩支架，属于被动防护控制，这种支护成本较高，效率低下，且工人劳动强度极大；专利CN109372559A发明了一种急倾斜煤层巷道支护装置及其支护方法，采取U型钢支架开孔，锚索与U型钢支架固定连接，属于主被动联合控制技术，这种控制方法可有效控制巷道的变形，同样面临支护工艺复杂，效率低下的问题，并且没有解决非对称变形破坏的问题；专利CN103899333B提出了一种急倾斜煤层巷道的支护方法，即在底板支护后采取回填处理，巷道偏压侧锚杆支护做加密处理，有效控制了底板的变形。

值得说明的是，急倾斜煤层巷道围岩变形和破坏具有非对称性，围岩内部裂隙扩展、离层发育以及重力沿层理方向作用力增大易引起岩体沿层面滑移，使得急倾斜煤层巷道围岩完整性难以保证，垮冒风险加剧。棚式支护属于“护表”，不能主动加固围岩，只起外在支撑作用；端锚与加长锚，能抑制离层裂隙进一步发育，但对支护前已发育的离层裂隙束手无策；全长锚注既能抑制离层裂隙进一步发育，又能修补离层裂隙提高围岩完整性，但其存在封孔工艺复杂、易跑、漏浆等问题，且全长锚注后，锚杆索不再存在自由段，剥夺了主动支护的协调变形让压能力。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种结构简单、操作方便、成本低廉的急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法及装置。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法，首先对巷道周围的急倾斜煤层、急倾斜岩层中开挖的巷道进行裂隙发育情况的窥视，根据窥视数据对巷道周围的裂隙发育进行建模，从而划定出巷道围岩裂隙区范围，然后在巷道围岩裂隙区范围中利用分界线分为大裂隙区和小裂隙区，根据大裂隙区和小裂隙区的不同裂隙区支护要求来确定支护所需要使用的注浆锚索定长注的锚固装置长度，并根据各个不同的大裂隙区和小裂隙区的裂隙状态在注浆锚索定长注的锚固装置上设置适合位置的出浆口，在出浆口前后位置的锚固装置与钻孔孔壁之间设置注浆防漏装置，从而使注浆时浆液只在注浆防漏装置之间的钻孔段，即为注浆端，并实现利用注浆锚索定长注的锚固装置注浆时只在钻孔存在裂隙的区域注浆，其它钻孔段不注浆，最终实现注浆锚索定长注的锚固装置对巷道围岩裂隙区范围进行合适密度的定长注浆支护。

具体如下：

a利用钻孔窥视仪探测新掘巷道的围岩裂隙发育位置、范围及裂隙扩展深度，划定巷道围岩裂隙区范围，根据裂隙扩展深度、发育数量确在巷道围岩裂隙区范围内利用分界线将裂隙发育数量更多、范围更广扩展更深的一侧划分为大裂隙区，反之为小裂隙区，其中大裂隙区裂隙扩展深度L1，小裂隙区裂隙扩展深度L2；大裂隙区裂隙扩展深度L1明显大于小裂隙区裂隙扩展深度L2，大裂隙区裂隙发育数量明显大于小裂隙区裂隙发育数量；

b利用公式分别计算大裂隙区所需要的注浆锚索长度L3＝L1+2m，小裂隙区所需要的注浆锚索长度L4＝L2+2m，其中大裂隙区支护密度是小裂隙区的1.2～1.5倍。

c根据围岩大裂隙区裂隙扩展深度L1、小裂隙区裂隙扩展深度L2及围岩裂隙发育范围，制作出浆口位于裂隙发育范围正中位置的注浆锚索定长注的锚固装置，然后调节设置在出浆口前后端的注浆防漏装置位置，注浆防漏装置包括设置在出浆口前端的锚环套和设置在出浆口后端的锚爪套，锚环套和锚爪套之间的距离即为注浆长度，其中大裂隙区的注浆长度L5＝L1+0.5m，小裂隙区的注浆长度L6＝L2+0.3m；

d施工注浆锚索钻孔，钻孔直径为26～28mm，依次放入锚固剂、注浆锚索定长注的锚固装置，利用锚杆钻机安装注浆锚索定长注的锚固装置，在大裂隙区安装对应注浆锚索定长注的锚固装置时的预拉力张拉到200kN，在小裂隙区安装的注浆锚索定长注的锚固装置的预拉力张拉到150kN；

e滞后巷道掘进工作面20～50m后，利用注浆泵连接注浆锚索的进浆管实施注浆，待注浆完毕后用封口螺母旋入注浆锚索进浆管，以此完成对煤巷围岩特定裂隙区域的定长注浆加固。

一种急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法的注浆锚索定长注的锚固装置，包括注浆锚索杆体，注浆锚索杆体的尾部设有托盘和锁具，注浆锚索杆体上对应需要注浆处开有出浆口，出浆口的前后端在注浆锚索杆体上设有注浆防漏装置，所述注浆防漏装置包括设置在出浆口前端的锚环套以及设置在出浆口后端的锚爪套，锚环套与锚爪套形成固定长度的封闭钻孔空间，即封孔段，注浆锚索杆体内设有与注浆孔连通的进浆管，进浆管的尾端设有封口螺母；

所述的锚环套包括分体锥形锚环、内锥形环套及缠绕钢丝，分体锥形锚环为上下两半拼合而成，所述的分体锥形锚环外圆锥面与内锥形环套内圆锥面相贴合，分体锥形锚环由对称两个构件构成，分体锥形锚环在内锥形环套的前端设有内凹槽，内凹槽内设有缠绕钢丝从而固定两个构件，安装时内锥形环套的大环侧朝向托盘设置在注浆锚索杆体上。

所述的锚环套的分体锥形锚环大环外径为27～29mm，分体锥形锚环小环外径为20～22mm，分体锥形锚环长度为18～22mm，所述的锚环套的内凹槽槽深2～3mm，内凹槽截面为圆弧形。

所述的分体锥形锚环内环设置锯齿状螺纹，锯齿状螺纹外径为19～21mm，锯齿状螺纹内径为18～20mm，所述的锯齿状螺纹内径与外径之间的孔隙填充环氧树脂软胶。

所述的内锥形环套直径为28～30mm，内锥形环套的橡胶套截面为椭圆形，橡胶套与锥形环为胶粘结。

所述的锚爪套包括四根弧形钢丝、喇叭状橡胶套和环形钢套，其中四根弧形钢丝围绕环形钢套设置，喇叭状橡胶套套在四根弧形钢丝上形成喇叭口结构，所述的弧形钢丝强度为1500～1860MPa并具有弹性，所述的喇叭状橡胶套最大直径为30～32mm，长度为30～40mm，安装时锚爪套橡胶套侧朝向托盘设置。

所述的锚爪套的环形钢套包括胶粘一起的钢圆环和橡胶圆环，所述的弧形钢丝和喇叭状橡胶套共同固定于钢圆环和橡胶圆环之间。

锚环套和锚爪套之间为注浆段，注浆段长度为500～2500mm，所述的注浆锚索直径为20～26mm。

有益效果：本发明能够克服注浆锚索全长锚固缓冲让压性能较弱的弊端，实现围岩裂隙区域的精准注浆，提高围岩完整性、增强锚固结构承载性能，辅以非对称控制方法，可实现急倾斜煤层巷道非对称变形破坏的有效控制。

具有如下优点：

1)实现精准注浆：通过钻孔窥视探测确定围岩裂隙区域，利用本发明中锚环套、锚爪套封闭该围岩裂隙区域钻孔空间，并通过滞后注浆实现精准封闭加固，提高围岩完整性、增强锚固结构承载性能。

2)保留缓冲让压特性：当前的全长锚固支护主要由注浆锚索向钻孔空间充填浆液来实现，加固围岩的同时，注浆浆液充满钻孔空间使锚索失去自由段，巷道围岩变形弹性大幅降低。本发明通过封闭注浆段，使注浆锚索仍保留有一定长度的自由段存在，保留注浆锚索的缓冲让压特性。

3)非对称支护控制非对称变形：大、小裂隙区差异化非对称支护，根据大、小裂隙区发育情况选取合适注浆锚索长度、支护密度、定长注浆范围与预紧力进行非对称支护，可以有效控制急倾斜煤层巷道的非对称变形破坏问题，充分发挥支护效能。

4)节省成本：相对于全长注浆加固，通过对钻孔的定长注浆，减少了注浆浆液的使用量，节省了注浆成本。避免了急倾斜煤层巷道全断面高密高强支护，减少了支护材料用量，节省了支护成本。

附图说明

图1是本发明急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法示意图。

图2是本发明注浆锚索定长注的锚固装置示意图。

图3是本发明注浆锚索尾部示意图。

图4是本发明中锚环套示意图。

图5是锚环套的分体锥形锚环侧视图。

图6是锚环套的分体锥形锚环剖视图。

图7是锚环套的内锥形环套主视图。

图8是锚环套的内锥形环套侧视图。

图9是本发明中锚爪套示意图。

图10是本发明中锚爪套剖视图。

图中：1-急倾斜煤层；2-急倾斜岩层；3-巷道；4-裂隙；5-裂隙区范围；6-大小裂隙区范围分界线；7-注浆锚索定长注的锚固装置；8-大裂隙区；9-小裂隙区；10-注浆锚索杆体；11-锚环套；11-1-分体锥形锚环；11-2-内锥形环套；11-3-缠绕钢丝；11-4-内凹槽；11-5-锯齿状螺纹；11-6-环氧树脂软胶；12-锚爪套；12-1-弧形钢丝；12-2-喇叭状橡胶套；12-3-环形钢套；12-4-钢圆环；12-5-橡胶圆环；13-拱形托盘；14-锁具；15-进浆管；16-封口螺母；17-出浆口；18-注浆段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的一种急倾斜煤层巷道定长注的非对称控制方法，首先对巷道3周围的急倾斜煤层1、急倾斜岩层2中开挖的巷道3进行裂隙4发育情况的窥视，根据窥视数据对巷道3周围的裂隙4发育进行建模，从而划定出巷道围岩裂隙区范围5，然后在巷道围岩裂隙区范围5中利用分界线6分为大裂隙区8和小裂隙区9，根据大裂隙区8和小裂隙区9的不同裂隙区支护要求来确定支护所需要使用的注浆锚索定长注的锚固装置7长度，并根据各个不同的大裂隙区8和小裂隙区9的裂隙4状态在注浆锚索定长注的锚固装置7上设置适合位置的出浆口17，在出浆口17前后位置的锚固装置7与钻孔孔壁之间设置注浆防漏装置，从而使注浆时浆液只在注浆防漏装置之间的钻孔段，即为注浆端18，注浆段18长度为500～2500mm，所述的注浆锚索10直径为20～26mm。实现利用注浆锚索定长注的锚固装置7注浆时只在钻孔存在裂隙4的区域注浆，其它钻孔段不注浆，最终实现注浆锚索定长注的锚固装置7对巷道围岩裂隙区范围5进行合适密度的定长注浆支护。

步骤具体如下：

a利用钻孔窥视仪探测新掘巷道3的围岩裂隙发育位置、范围及裂隙扩展深度，划定巷道围岩裂隙区范围5，根据裂隙扩展深度、发育数量确在巷道围岩裂隙区范围5内利用分界线6将裂隙发育数量更多、范围更广扩展更深的一侧划分为大裂隙区8，反之为小裂隙区9，其中大裂隙区8裂隙扩展深度L1，小裂隙区9裂隙扩展深度L2；大裂隙区8裂隙扩展深度L1明显大于小裂隙区9裂隙扩展深度L2，大裂隙区8裂隙发育数量明显大于小裂隙区9裂隙发育数量；

b利用公式分别计算大裂隙区8所需要的注浆锚索长度L3＝L1+2m，小裂隙区9所需要的注浆锚索长度L4＝L2+2m，其中大裂隙区8支护密度是小裂隙区9的1.2～1.5倍。

c根据围岩大裂隙区8裂隙扩展深度L1、小裂隙区9裂隙扩展深度L2及围岩裂隙发育范围，制作出浆口17位于裂隙发育范围正中位置的注浆锚索定长注的锚固装置7，然后调节设置在出浆口17前后端的注浆防漏装置位置，注浆防漏装置包括设置在出浆口17前端的锚环套2和设置在出浆口17后端的锚爪套3，锚环套2和锚爪套3之间的距离即为注浆长度，其中大裂隙区8的注浆长度L5＝L1+0.5m，小裂隙区9的注浆长度L6＝L2+0.3m；

d施工注浆锚索钻孔，钻孔直径为26～28mm，依次放入锚固剂、注浆锚索定长注的锚固装置7，利用锚杆钻机安装注浆锚索定长注的锚固装置7，在大裂隙区8安装对应注浆锚索定长注的锚固装置7时的预拉力张拉到200kN，在小裂隙区9安装的注浆锚索定长注的锚固装置7的预拉力张拉到150kN；

e滞后巷道掘进工作面20～50m后，利用注浆泵连接注浆锚索的进浆管15实施注浆，待注浆完毕后用封口螺母16旋入注浆锚索进浆管15，以此完成对煤巷围岩特定裂隙区域的定长注浆加固。

如图2和图3所示，一种注浆锚索定长注的锚固装置，包括注浆锚索杆体10，注浆锚索杆体10的尾部设有托盘13和锁具14，注浆锚索杆体10上对应需要注浆处开有出浆口17，出浆口17的前后端在注浆锚索杆体10上设有注浆防漏装置，所述注浆防漏装置包括设置在出浆口17前端的锚环套11以及设置在出浆口17后端的锚爪套12，锚环套11与锚爪套12形成固定长度的封闭钻孔空间，即封孔段18，注浆锚索杆体10内设有与注浆孔17连通的进浆管15，进浆管15的尾端设有封口螺母16；

如图4、图5、图6、图7和图8所示，锚环套11包括分体锥形锚环11-1、内锥形环套11-2及缠绕钢丝11-3，分体锥形锚环11-1为上下两半拼合而成，所述的分体锥形锚环11-1外圆锥面与内锥形环套11-2内圆锥面相贴合，分体锥形锚环11-1由对称两个构件构成，分体锥形锚环11-1在内锥形环套11-2的前端设有内凹槽11-4，内凹槽11-4内设有缠绕钢丝11-3从而固定两个构件，安装时内锥形环套11-2的大环侧朝向托盘13设置在注浆锚索杆体10上。锚环套11的分体锥形锚环11-1大环外径为27～29mm，分体锥形锚环11-1小环外径为20～22mm，分体锥形锚环11-1长度为18～22mm，所述的锚环套11的内凹槽11-4槽深2～3mm，内凹槽截面为圆弧形。分体锥形锚环11-1内环设置锯齿状螺纹11-5，锯齿状螺纹11-5外径为19～21mm，锯齿状螺纹11-5内径为18～20mm，所述的锯齿状螺纹11-5内径与外径之间的孔隙填充环氧树脂软胶11-6。内锥形环套11-2直径为28～30mm，内锥形环套11-2的橡胶套截面为椭圆形，橡胶套与锥形环为胶粘结。

如图9和图10所示，所述的锚爪套12包括四根弧形钢丝12-1、喇叭状橡胶套12-2和环形钢套12-3，其中四根弧形钢丝12-1围绕环形钢套12-3设置，喇叭状橡胶套12-2套在四根弧形钢丝12-1上形成喇叭口结构，所述的弧形钢丝强度为1500～1860MPa并具有弹性，所述的喇叭状橡胶套12-2最大直径为30～32mm，长度为30～40mm，安装时锚爪套12橡胶套侧朝向托盘13设置。所述的锚爪套12的环形钢套12-3包括胶粘一起的钢圆环12-4和橡胶圆环12-5，所述的弧形钢丝12-1和喇叭状橡胶套12-2共同固定于钢圆环12-4和橡胶圆环12-5之间。