一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构及方法

技术领域

本发明属于矿井顶板安全技术领域，具体为一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构及方法。

背景技术

钾盐矿斜井穿越的地层主要有第四系粘土、泥岩和光卤石矿层，其中第四系粘土层和泥岩层稳定性相对较差。由于第四系粘土层位于上层，埋深浅，地压小，该段斜井常采用明槽开挖施工，稳定性得以保证，但泥岩层具有松软性，遇水易软化，采用常规施工工艺和支护方式难以保证泥岩段斜井的稳定性。工程中常常因为泥岩段渗漏水、导水和地压影响，冒顶事故时有发生，冒顶处理时如果顶板支护和防水处理不当，不仅影响该段斜井的顶板安全，还会渗漏水到下侧的光卤石矿层（具有易溶性）。因此，钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理是一项亟待解决的技术难题。

目前国际上钾盐矿井工开采技术相对落后，对于钾盐矿井巷冒顶处理的顶板支护技术和防水技术，国内外现有的书籍、报道等文献中，尚未见一套有效的技术方案。据调研了解，目前钾盐矿井巷冒顶处理通常是参考煤矿井巷冒顶处理工艺，顶板多采用锚杆（或锚索）+金属网+钢棚+喷射混凝土支护方式，冒顶区内部多采用木躲+井巷内注化学膨胀材料（或水泥砂浆）处理方式，该工艺在岩层稳定性较好和无导水性（或无水）区域的井巷中，取得了较好的工程应用效果。但对于钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理，由于泥岩的松软性，施工锚杆（或锚索）锚固力达不到要求，悬吊围岩作用较差，甚至无法施工锚杆（或锚索）；喷射混凝土起不到较好的防渗漏水效果，且支护强度较低；注入的化学膨胀材料抗压性较差，围岩压力较大时材料会变形，冒顶区有可能发生二次垮落；斜井内注浆，部分水泥砂浆需往上侧灌注，需新增注浆加压设备，同时冒顶区接顶率较差，顶部会留下空隙。因此利用该工艺处理钾盐矿斜井泥岩段冒顶后，斜井的稳定性和防水性得不到保障，井筒如果长期渗漏水还将软化泥岩，进一步降低斜井的稳定性，甚至出现二次冒顶事故，同时渗漏水还可能流到下侧的光卤石矿层，影响光卤石矿层段斜井的稳定性，严重影响矿井安全生产。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构及方法，解决钾盐矿斜井在泥岩段冒顶处理中结构支护强度低、防渗漏水效果差以及稳定性差的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构，将斜井沿冒顶区的边界划分为上部区段、冒顶区段、下部区段；沿所述的上部区段、冒顶区段、下部区段设置有加强支护；位于上部区段和下部区段内的加强支护的长度均≥5m；所述加强支护包括支撑基础、金属网和多个U型钢棚；所述支撑基础沿斜井走向设置在斜井底板两角处的底板下方；所述金属网挂设在斜井内壁；所述U型钢棚紧贴金属网架设；U型钢棚的棚腿底端焊接有腿端角钢，所述支撑基础上端面靠斜井帮部设有底座槽钢；腿端角钢搁置在底座槽钢上方进行连接固定；相邻的两架U型钢棚之间通过拉棚组合件相连；所述加强支护通过砌碹加固；在所述冒顶区段的加强支护拱顶部设有管棚，管棚一端穿过冒顶区段后进入下部区段斜井顶部围岩中，另一端采用V型挂钩固定在上部区段内U型钢棚的下方；管棚与其下方加强支护之间的空隙填充有支撑材料；冒顶区内浇注有加固材料。

优选的，腿端角钢的短边朝上且紧靠着U型钢棚的U口端焊接，短边长度≥80mm；腿端角钢长边长度比U型钢棚的U口高度至少大30mm；底座槽钢的槽口朝下，与支撑基础浇筑在一起，底座槽钢的长度与支撑基础等长，宽度不小于支撑基础上端面宽度的一半。

优选的，U型钢棚的拱顶中部和两侧拱基线位置均通过拉棚组合件相连。

更优的，所述拉棚组合件包括拉板和拉杆；拉板固定连接在U型钢棚的内侧；拉板上设有两个圆孔，相邻的两架U型钢棚通过拉杆穿过两个拉板相邻的两个圆孔进行连接，所述拉杆的长度比U型钢棚的间距大300mm。

优选的，管棚插入至冒顶区内的倾角比斜井的倾角小4°~6°；管棚一端进入下部区段斜井顶部围岩中的深度大于下部区段斜井中U型钢棚的间距，管棚另一端通过V型挂钩固定在邻近冒顶区的第二架U型钢棚的下方；管棚布置环向间距≤250mm。

更优的，V型挂钩上侧两个挂钩深入U型钢棚的U口内部，中侧的V部悬挂管棚。

优选的，通过从冒顶区内最高冒落位置正上方的地面竖直布置注浆管，再往注浆管内注入水泥砂浆，使用水泥砂浆充填加固冒顶区。

优选的，上部区段和下部区段的斜井中U型钢棚的间距不大于1000mm，冒顶区段的斜井中U型钢棚的间距小于上部区段的斜井中U型钢棚的间距、且≤750mm。

基于一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构的加固方法，包括以下步骤：

1）上部区段斜井支护：对距离冒顶区上侧边界斜长≥5m的上部区段斜井，采用先设支撑基础、再挂金属网、最后架U型钢棚的加强支护；

2）冒顶区段斜井支护：先在上部区段斜井邻近冒顶区的两架U型钢棚中部，沿着U型钢棚的拱顶部向冒顶区内插入并固定管棚；然后清理冒顶区下方斜井内的冒落岩土，再采用步骤1）的支护方式，对管棚下方的冒顶区段斜井进行加强支护，支护时管棚与U型钢棚之间的空隙采用木背板填充；

3）下部区段斜井支护：对距离冒顶区下侧边界斜长≥5m的下部区段斜井，采用步骤1）的支护方式进行加强支护；

4）整段斜井砌碹加固：对加强支护后的下部区段、冒顶区段、上部区段斜井自下而上依次浇筑混凝土砌碹，将金属网、U型钢棚、拉棚组合件一并浇筑在内，直至整段斜井砌碹加固完毕；

5）冒顶区内注浆加固：向冒顶区注入加固材料，直至充填加固完整个冒顶区。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

（1）本发明提供的冒顶处理加固结构及方法，创新性的采用“管棚+支撑基础+金属网+U型钢棚+砌碹+地面注浆”的复合加固方式，整个冒顶区域斜井的稳定性和防水性更好。首先在冒顶区段斜井拱顶部插入管棚，为清理冒顶区下方斜井内的冒落岩土提供了防护空间，避免冒顶区二次垮落影响下侧斜井加固施工，结构安全防护性较好；然后沿斜井走向在底板两角设置支撑基础，再将U型钢棚棚腿安装在支撑基础上方，增大了U型钢棚棚腿的受力面积，提高了钢棚支护强度；之后对整段斜井自下而上浇筑混凝土砌碹，利用混凝土的自重将井壁浇筑严实，混凝土浆液还能充填井壁上的裂隙，支护效果和防水效果较好，砌碹时将金属网、U型钢棚等金属构件浇筑在一起，混凝土的刚性支护和金属构件的柔性支护有机结合，确保了结构的支护强度和稳定性；最后从地面往冒顶区内注入水泥砂浆，无需设置加压设备，利用水泥砂浆的自重将冒顶区全部充填严实，接顶率较好，同时水泥砂浆还将充填冒顶区四周的裂隙和管棚下方的空隙，防止冒顶区二次垮落，增强了结构的稳定性和防水性。

（2）本发明提供的冒顶处理加固结构，创新性的对上部区段、冒顶区段、下部区段斜井采用“支撑基础+金属网+U型钢棚”的加强支护，提高了冒顶区域斜井的支护强度。支撑基础设置在斜井底板两角处的底板下方，能防止冒顶区和井壁外围的水通过底板两角裂隙向斜井底板渗漏；在支撑基础上端面靠斜井帮部设有底座槽钢，底座槽钢与支撑基础等长并浇筑在一起，将混凝土的刚性和底座槽钢的柔性结合，提高了支撑基础的强度。金属网挂设在斜井内壁，U型钢棚再紧贴金属网架设，对斜井原有井壁支护起到支撑和加固作用，可防止冒顶时井壁产生的裂纹扩大；U型钢棚棚腿底端焊接有短边朝上且紧靠钢棚U口端的腿端角钢，可避免安装时棚腿底端应力集中引起的变形破坏，提高了钢棚自身的支护强度。安装时U型钢棚棚腿上的腿端角钢正好搁置在支撑基础上端面的底座槽钢上方，便于安装时调整，防止棚腿底端与支撑基础移动摩擦引起的变形或损坏。

（3）本发明提供的冒顶处理加固结构，将管棚一端沿着U型钢棚的拱顶部倾斜插入冒顶区内并进入下部区段斜井顶部围岩中，另一端用V型挂钩固定在上部区段斜井的U型钢棚下方，充分发挥了管棚的临时防护作用。管棚横穿冒顶区可探测冒顶区倾斜方向的尺寸，以便根据冒顶区跨度尺寸及时合理调整冒顶区段斜井中加强支护的参数，确保结构稳定性和安全性；管棚从邻近冒顶区的两架U型钢棚中部倾斜插入（插入倾角比斜井倾角小4°~6°），既有利于管棚的施工，也能使管棚另外一端进入的顶部围岩有一定的支撑强度。本发明还提出了一种新型的V型挂钩，安装时上侧两个挂钩深入U型钢棚的U口内部，中侧的V部悬挂管棚，具有制作简单和悬挂稳定的特点，解决了管棚在U型钢棚的拱顶部布置时无法固定的问题。

附图说明

图1为本发明所述的钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构的剖面布置图；

图2为本发明所述的钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构的平面图；

图3为本发明所述的钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构的断面图；

图4为实施例所述U型钢棚的结构示意图；

图5为实施例所述支撑基础处的安装示意图；

图6为实施例所述管棚一端的固定示意图；

图7为实施例所述V型挂钩的结构示意图。

图中：1—斜井；2—冒顶区；3—支撑基础；4—金属网；5—U型钢棚；6—底座槽钢；7—腿端角钢；8—拉板；9—拉杆；10—管棚；11—V型挂钩；12—木背板；13—防水混凝土；14—注浆管；15—水泥砂浆；16—地面。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

本实施例为某钾盐矿的主斜井井筒，倾角16°，断面为半圆拱形，净宽4.2m、净高3.6m，受泥岩段渗水和地压影响，斜井1在距井口斜长148m位置发生了冒顶事故，初步判断冒顶区2底部斜长约8m、宽约4m，最大冒落高度约5m，冒顶区2容积约125m

如图1~图7所示，本实施例提供了一种钾盐矿斜井泥岩段冒顶处理加固结构及方法，将斜井1沿冒顶区2边界划分为上部区段、冒顶区段、下部区段进行加固处理，步骤依次如下：

步骤一，上部区段斜井支护

对距离冒顶区2上侧边界斜长不小于5m的上部区段的斜井1，采用先设支撑基础3、再挂金属网4、最后架U型钢棚5的加强支护。现场施工前应先清理上部区段的斜井1内散落的冒落岩土，并敲帮问顶上部区段的斜井1井壁，然后根据井壁稳定性合理确定上部区段的斜井1加固长度，但长度不得小于5m，同时在该段斜井内部支设防护模板，确保人员在斜井内部施工安全。

具体的，先沿斜井1走向在底板两角各新掘一条方沟，再在方沟内浇筑混凝土成为支撑基础3，浇筑时支撑基础3上端面与斜井1底板平齐，在支撑基础3上端面靠斜井帮部设有一根底座槽钢6；底座槽钢6的槽口朝下，与支撑基础3浇筑在一起，长度与支撑基础3等长，宽度不小于支撑基础3上端面宽度的一半。现场施工时，挖掘方沟应采取保护性开挖，以减少对斜井1井壁和底板的破坏；开挖的方沟规格尺寸和浇筑混凝土等级应满足支撑强度和防水要求，以防止冒顶区2和井壁外围的水通过底板两角裂隙向斜井1底板渗漏；底座槽钢6的规格型号应根据支撑基础3的尺寸和U型钢棚5的支撑压力合理确定，以保证支撑基础3具有足够的支撑强度。

然后在斜井1内壁挂设金属网4，再紧贴金属网4架设U型钢棚5，U型钢棚5棚腿安装在支撑基础3上方，最后将腿端角钢7与底座槽钢6焊接固定。U型钢棚5棚腿底端焊接有腿端角钢7（如图4），腿端角钢7的短边朝上且紧靠着U型钢棚5的U口端焊接，短边长度不小于80mm，长边长度比钢棚的U口高度至少大30mm。现场施工时，U型钢棚5与斜井1内壁接触的空隙部分应采用背板背齐，以增强对斜井1原有井壁支护的支撑和加固作用，防止井壁裂纹扩大；U型钢棚5的规格型号应根据冒顶区2的跨度尺寸和支撑压力合理确定，加工时宜采用3段U型钢（1段顶梁+2段帮梁）组装的钢棚，以充分发挥U型钢棚5柔性支护作用。腿端角钢7可直接选用L型角钢，也可利用两块钢板加工，钢材厚度和宽度应根据U型钢棚5的支撑压力合理确定。安装时U型钢棚5棚腿上焊接的腿端角钢7要求正好搁置在支撑基础3上端面的底座槽钢6上方，便于安装时调整，防止棚腿底端与支撑基础3移动摩擦引起的变形或损坏。

进一步的，U型钢棚5的内侧焊接有拉板8，单架U型钢棚5焊接3个拉板8（如图4），分别设置在棚内侧的拱顶中部和两侧拱基线位置。拉板8上设有两个圆孔，相邻的两架U型钢棚5通过拉杆9穿过拉板8内圆孔进行连接，拉杆9采用钢筋制作，长度比U型钢棚5的间距大300mm。现场施工时，拉板8和拉杆9强度应满足连接U型钢棚5所需的强度要求，拉板8上方圆孔应满足拉杆9穿过要求，安装时拉杆9穿过两架U型钢棚5上拉板8同一位置的圆孔中，相邻下一架U型钢棚5的拉杆9则穿过拉板8的另一个圆孔中，如此交替设置拉杆9。

本实施例中，上部区段斜井支护长度为6m，支撑基础3的尺寸为300×300mm、采用C30混凝土浇筑而成，底座槽钢6采用20号普通槽钢（宽度为200mm），金属网4采用φ6mm钢筋网、网格间距100×100mm；U型钢棚5的钢材型号为29号U型钢，腿端角钢7为160×100×10mm的L型角钢，拉板8为100×60×10mm的钢板，拉杆9采用φ20mm钢筋制作。

步骤二，冒顶区段斜井支护

先在上部区段的斜井1邻近冒顶区2的两架U型钢棚5中部，沿着U型钢棚5的拱顶部向冒顶区2内插入管棚10，管棚10插入倾角比斜井1倾角小4°~6°；管棚10一端穿过冒顶区2后进入下部区段的斜井1顶部围岩中，且进入的深度大于下部区段斜井中U型钢棚5的间距，另一端采用V型挂钩11固定在邻近冒顶区2的第二架U型钢棚5的下方（如图6）。现场施工时，上部区段的斜井1内管棚10插入位置，应根据顶板稳定性合理确定，当顶板稳定性较差且冒顶区2压力较大时，应紧靠最下侧的U型钢棚5位置再增设一架相同的U型钢棚，以增加冒顶区2上侧边界锁口处斜井顶板的支撑能力。管棚10的倾角应便于施工，还要求管棚10另外一端进入的顶部围岩有一定的支撑厚度，围岩厚度控制在800~1200mm为宜，厚度太小则支撑强度不够，厚度太大则管棚10下方与钢棚的空隙太大；进入顶部围岩的深度应尽可能深一点，以钻机正常操作无法再向深推进管棚10为宜，但应大于下部区段斜井中U型钢棚5的间距，充分发挥好管棚10的临时防护作用。施工时还应根据管棚10插入深度和过程中阻力情况探测冒顶区2倾斜方向的尺寸，并根据冒顶区2跨度尺寸及时合理调整冒顶区段斜井中加强支护的参数。

然后清理冒顶区2下方斜井1内的冒落岩土，再采用步骤一的支护方式，对管棚10下方的冒顶区段斜井进行加强支护，支护时管棚10与U型钢棚5之间的空隙采用木背板12填充；斜井1中每清理完1m斜长冒落岩土，及时对斜井1进行加强支护，支护完毕再清理冒落岩土，如此循环，直至冒顶区段的斜井1全部支护完毕。现场施工时，应缓慢清理冒落岩土，避免扰动引发冒顶区2二次垮落，清理冒落岩土的表面应留有一定的倾角，防止滑坡和岩石滚动砸到人或物；每次清理冒落岩土的长度不得超过1m，加强支护时支撑基础3和底座槽钢6每次施工长度最大为1m、最小为冒顶区段的斜井1中U型钢棚5的间距。

进一步的，管棚10采用无缝钢管制作，一端加工成尖端，管棚10布置环向间距不大于250mm；V型挂钩11采用钢筋制作（如图7），上侧两个挂钩深入U型钢棚5的U口内部，中侧的V部悬挂管棚10。现场施工时，管棚10的管径和壁厚应根据冒顶区2的跨度尺寸和支撑压力合理确定，推荐采用二寸或三寸钢管，管径太小时强度不够，管径太大时插入施工阻力较大。管棚10布置环向间距应根据冒顶区2内留下的岩土重量（含二次垮落）合理确定，当留下的岩土较重且细粒径较多时，应加密布置管棚10，必要时可密布管棚10或在管棚10下方增设一层防护板，确保管棚10的支撑强度且防止细岩土下落砸到人或物；当冒顶区2的跨度尺寸较大时，可将管棚10采用焊接方式分成多段插入。V型挂钩11采用一根钢筋现场制作，其高度应根据管棚10与邻近冒顶区的第二架U型钢棚5的距离确定，具有制作简单和悬挂稳定的特点；在钢棚拱顶部中间区域挂设V型挂钩11时，由于重力作用，V型挂钩11直接就能使管棚10一端稳固，在钢棚拱两侧区域挂设V型挂钩11时，需采用焊接方式，将V型挂钩11固定在U型钢棚5上；挂设V型挂钩11后，需向外预留100mm长的管棚10，将多余长度部分切割掉。

本实施例中，冒顶区段斜井支护长度为8m，管棚10采用壁厚为3.5mm的2寸钢管、插入倾角为11°、环向间距为200mm、共布置有32根、长度范围为9.8~11.2m，V型挂钩11采用φ20mm钢筋制作。

步骤三，下部区段斜井支护

对距离冒顶区下侧边界斜长不小于5m的下部区段的斜井1，采用步骤一的支护方式进行加强支护。现场施工前应先清理下部区段的斜井1内剩下的冒落岩土，并敲帮问顶下部区段的斜井1井壁，然后根据井壁稳定性合理确定下部区段的斜井1加固长度，但长度不得小于5m，同时在该段的斜井1内部支设防护模板，确保人员在斜井1内部施工安全。

进一步的，前述三个步骤中，上部区段和下部区段的斜井1中U型钢棚5的间距不大于1000mm，冒顶区段的斜井1中U型钢棚5的间距小于上部区段斜井中U型钢棚5的间距、且不大于750mm。现场施工时，各段U型钢棚5的间距应根据冒顶区2压力、斜井1断面尺寸以及围岩稳定性等条件综合确定，确保斜井1的稳定性。

本实施例中，下部区段斜井支护长度为6m，整个冒顶区域的斜井1加强支护的长度为20m，上部区段和下部区段斜井中U型钢棚5的间距为900mm，冒顶区段斜井中U型钢棚5的间距为700mm。

步骤四，整段斜井砌碹加固

对加强支护后的下部区段、冒顶区段、上部区段的斜井1自下而上依次浇筑防水混凝土13砌碹，将金属网4、U型钢棚5、拉板8、拉杆9等一并浇筑在内，直至整段斜井1砌碹加固完毕。现场施工时，砌碹的防水混凝土13强度等级应根据冒顶区2压力、斜井1断面尺寸以及围岩稳定性等条件综合确定；防水混凝土13中应添加适量的防水剂，以增加砌碹后井壁的防水性；支好模板后，防水混凝土13自下而上浇筑，利用防水混凝土13的自重将井壁浇筑严实，混凝土浆液还能充填井壁上的裂隙，支护效果和防水效果较好；砌碹时将金属构件浇筑在一起，防水混凝土13的刚性支护和金属构件的柔性支护有机结合，确保了结构的支护强度和稳定性。施工中当整个冒顶区域斜井较长（按25m计）或整个冒顶处理工期较久（按15天计）时，应将斜井1分成多段分次浇筑防水混凝土13砌碹，推荐下部区段、冒顶区段、上部区段的斜井1分别单独进行防水混凝土13砌碹，在单段斜井1内支好模板后，防水混凝土13也应自下而上浇筑，以提高支护效果和防水效果。

本实施例中，整个冒顶区域斜井1的防水混凝土13砌碹加固的长度为20m，整段斜井1防水混凝土13自下而上浇筑，砌碹的防水混凝土13的强度等级为C40。

步骤五，冒顶区内注浆加固

从冒顶区2内最高冒落位置正上方的地面16竖直布置注浆管14，再往注浆管14内注入水泥砂浆15，直至充填加固完整个冒顶区2。现场施工时，注浆方式和工序应根据冒顶区2空间的容积确定，当容积较小时（按150m

本实施例中，冒顶区2内最高冒落位置距离地面16的垂深约28m，注浆管14采用壁厚为4mm的4寸钢管、长度29m，共注水泥砂浆15的量为132m

更进一步的，本发明提供的加固结构及方法，可推广应用到其他类型矿山（包括煤矿）斜井或斜巷在软岩段冒顶处理中，具有同等的有益效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。