一种回风巷道双盘双网锚固高效支护方法

本发明涉及回风巷道支护，具体为一种回风巷道双盘双网锚固高效支护方法。

背景技术：

1、在煤矿地下开采过程中清洗工作面和机电硐室，稀释冲淡有害气体之后流出的风流被称为回风，回风流经的巷道被称为回风巷道；回风巷道是矿井通风系统中的关键组成部分，承担着导出已使用风流的重要任务；

2、回风巷道支护技术是指开掘回风巷道后为了保持回风巷道畅通和围岩稳定采用的一种加固技术手段；其基本目的在于缓和及减少围岩的移动，使回风巷道断面不致过度缩小，同时防止已破坏的围岩冒落；回风巷道支护的效果受到围岩性质、维护结构力学性质、维护结构布置密度、维护时间、维护结构与围岩的接触方式等一系列因素的影响；回风巷道支护的方式有多种，包括表面支护和内部支护、主动支护与被动支护、刚性支护与可缩性支护、临时支护与永久支护、一次支护与二次支护、联合支护和单一支护等。其中，锚杆支护是一种经济、有效的支护技术，显著提高了回风巷道支护效果，降低了回风巷道支护成本，减轻了工人劳动强度；

3、但在实际应用中，回风巷道支护技术存在支护难度高、支护效果不稳定、支护成本高、支护技术更新缓慢、支护管理与维护不到位等问题；因此，有必要设计一种回风巷道双盘双网锚固高效支护方法。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中回风巷道支护技术存在的支护难度高、支护效果不稳定、支护成本高、支护技术更新缓慢、支护管理与维护不到位等问题，本发明实施例提供了一种回风巷道双盘双网锚固高效支护方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种回风巷道双盘双网锚固高效支护方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、获取地质勘探信息；

4、基于gps获取回风巷道最高高程hmax，最低高程hmin，获取回风巷道所在矿区的地质勘探报告的布孔图、剖面图集和文字报告。在布孔图中定位回风巷道的位置并获取回风巷道周边距离最近的四个钻探孔的编号，并记为钻探孔一、钻探孔二、钻探孔三和钻探孔四。在剖面图集中获取连接钻探孔一和钻探孔二的工程地质剖面图并分别记为剖面图a；获取连接钻探孔二和钻探孔三的工程地质剖面图并分别记为剖面图b；获取连接钻探孔三和钻探孔四的工程地质剖面图并分别记为剖面图c；获取连接钻探孔四和钻探孔一的工程地质剖面图并分别记为剖面图d。

5、在剖面图a中定位最高高程hmax和最低高程hmin，获取最高高程和最低高程之间所有土层并按土层底部标高从高到低的顺序进行编号，土层底部标高最高的土层标记为第1层土，其余土层按底部标高大小依次标记为第2、3....、n层土，其中n＝最高高程和最低高程之间的土层总数。从剖面图a中获取第i层土的厚度ti，从地质勘探报告的文字报告中获取第i层土的地基承载力特征值faki、压缩模量esi，通过公式计算剖面图a的土体评价参数ea土体，其中λ1和λ2是预设的权重因子。重复上述步骤计算剖面图b、剖面图c和剖面图d的土体评价参数eb土体、ec土体和ed土体，计算ea土体、eb土体、ec土体和ed土体的平均数得到土体评价参数e土体。

6、从地质勘探报告的文字报告中获取剖面图a中第i层土的凝聚力cki、内摩擦角和锚杆的注浆锚固体与土层间粘结强度标准值qsiai，通过公式计算剖面图a的支护评价参数ea支护，其中λ3、λ4和λ5是预设的权重因子，重复上述步骤计算剖面图b、剖面图c和剖面图d的支护评价参数eb支护、ec支护和ed支护，计算ea支护、eb支护、ec支护和ed支护的平均数得到支护评价参数e支护。

7、通过公式计算剖面图a的平均凝聚力cka并重复该述步骤计算剖面图b、剖面图c和剖面图d的平均凝聚力ckb、ckc和ckd，求平均凝聚力cka、ckb、ckc和ckd的平均数得到整体凝聚力ck；通过公式计算剖面图a的平均内摩擦角并重复该述步骤计算剖面图b、剖面图c和剖面图d的平均内摩擦角和求和的平均数得到整体内摩擦角通过公式剖面图a的土体平均重度γka并重复上述步骤计算剖面图b、剖面图c和剖面图d的土体平均重度γkb、γkc和γkd，求土体平均重度γka、γkb、γkc和γkd的平均数得到整体重度γ

8、作为本发明的一种优选方式，步骤二、原岩性能测试；

9、在回风巷道与普通巷道的交叉点处布置首个监测断面，标记为监测断面一。随后在回风巷道内，从该交叉点开始每隔预设的距离设置一个监测断面，并按照它们距离交叉点的远近进行编号。最近的监测断面标记为监测断面二，其余的监测断面则按照距离交叉点的距离远近依次标记为监测断面三、监测断面四，直至监测断面m，其中m为所有监测断面的总数。

10、在监测断面一内部安装了声波仪并利用声波仪向回风巷道岩体内发射声波信号，记录岩体实测的纵波速度，记为岩体内弹性波速vpm。

11、在监测断面一内设计一个近水平测孔并通过钻孔技术垂直于巷道表面进行岩芯取样，立即将取出的岩芯进行封装。在实验室中使用声波仪测得岩芯的实测的纵波速度，记为岩石内弹性波速vpr，在实验室中测得岩芯的单轴饱和抗压强度fr1，通过公式计算完整性系数kv。

12、当土体评价参数e土体、支护评价参数e支护、完整性系数kv和抗压强度fr1大于各自预设的阈值时，令安全系数n为预设的值n1，否则令安全系数n为预设的值n2，n2大于n1。

13、作为本发明的一种优选方式，步骤三、拟定支护方案；

14、s301、进行回风巷道应力场的理论分析；

15、综合考虑土力学库伦-摩尔强度准则、锚杆的平衡力系模型分析、围岩松动圈支护理论和von-mises范式等效应力准则，代入凝聚力cki和内摩擦角进行回风巷道应力场的理论分析，求解支护反力pi和塑性区半径b。

16、s302、基于理论分析拟定支护方案；

17、综合考虑整体凝聚力ck、整体内摩擦角整体重度γ、支护反力pi和塑性区半径b拟定初步支护方案，该方案采用双盘双网锚固的支护方案，该方案包括：

18、一层支护：计划使用8根φ25x2800mm的注浆锚杆，以1500mmx1500mm的间距进行精确布置；同时，采用7根φ21.8x7300mm的锚索，以1500mmx1500mm的间距进行布局。使用15根gm22/2600-490螺纹钢高强锚杆，以800x800mm的间距紧密排列；使用c20喷射混凝土，沿着围岩内侧均匀喷涂100mm的厚度，在喷层外重新挂网、上托盘并完成二次紧固。

19、二层支护：计划使用网孔为100x100mm的φ6-2400x900mm金属网，紧密地沿着围岩内侧布置；使用m4/4200型钢带，每隔800mm进行布局；布置五根φ22x7000mm的注浆锚索，以2400x2400mm的间距进行排布。布置15根gm22/3000-490螺纹钢高强锚杆，以800x800mm的间距进行有序排列。使用c20喷射混凝土，沿着围岩内侧喷涂100mm的厚度。

20、作为本发明的一种优选方式，步骤四、验证支护方案

21、s401、创建验算模型；

22、在midas软件中构建回风巷道周围土体的三维模型，基于回风巷道内的全站仪测站测量各个监测断面的几何尺寸、在midas软件中构建回风巷道围岩的三维模型，基于有限元方法对拟支护模型进行网格划分，将回风巷道周围土体和回风巷道围岩的三维模型划分为若干个计算单元；输入边界条件、地质条件和材料信息，将安全系数n、整体凝聚力ck、整体内摩擦角支护反力pi、塑性区半径b和整体重度γ输入设计参数；

23、s402、在模型中执行地应力平衡；

24、s403、采用模态衰减方式释放断面的部分应力；

25、s404、按照支护方案在模型中进行一次支护方案模拟；

26、s405、进行模型计算，调取应力分布图和位移分布图；

27、作为本发明的一种优选方式，步骤五、优化支护方案；

28、根据应力分布图、位移分布图和应力路径示意图对支护方案做出优化调整，具体步骤为：

29、s501、调取应力分布图和位移分布图中超限单元的位置；

30、情况一：若超限单元集中在两个监测断面之间，进入步骤s502；

31、情况二：若超限单元离散分布在各个断面，进入步骤s503；

32、情况三：不存在超限单元，进入步骤s504；

33、s502、在出现超限单元集中的两个监测断面之间进行二次支护方案模拟，返回步骤s501；

34、s503、在出现超限单元离散分布的监测断面中提高锚网的布置密度，将布置间距减少50mmx50mm单位，并进行模型计算，再次调取应力分布图。若调整后超限单元所在断面位置仍然存在超限单元，出现超限单元离散分布的监测断面中提高注浆锚索的布置根数，增加一根注浆锚索，再次调取应力分布图。若调整后超限单元所在断面位置仍然存在超限单元，出现超限单元离散分布的监测断面中提高螺纹钢高强锚杆的规格，将gm22/2600-490螺纹钢高强锚杆更换为gm22/2400-490螺纹钢高强锚杆，返回步骤s501；

35、s504、记录调整后的支护方案中的注浆锚杆、锚索、的布置位置和布置间距参数，生成优化支护方案，绘制支护设计图纸；

36、作为本发明的一种优选方式，步骤六：实施支护措施：

37、在支护施工之前在土体内安装土压力盒和应变计以方便后期监测维护，在每个监测断面的左右帮部位置各安装一个土压力盒，在每个监测断面的预设位置各安装一个应变计，在螺纹钢高强锚杆上安装钢筋计。然后对回风巷道进行双盘双网锚固支护施工，具体步骤为：

38、s601、锚网喷；

39、首次锚网喷采用gm22/2600-490螺纹钢高强锚杆，总长2800mm，这些锚杆以800×800mm、750×750mm、700×700mm、650×650mm等间排距矩形阵列布置，并配有tpf10/200×200mm的托盘；每根锚杆使用2卷z2550型和1卷k2550型树脂锚固剂进行加固；锚索方面使用预应力钢绞线锚索，规格为φ21.8×6500mm，以1600×1600mm、1550×1550mm、1500×1500mm、1450×1450mm、1400×1400mm等间排距布置；每根锚索配备一块tpf16/300×300mm的托盘并确保锚索外露出锁具的长度在250～300mm之间；金属网由φ6.0mm的圆钢加工而成，尺寸为2400×900mm，网格大小为100×100mm，采用挂钩连接，压茬100mm；在整个断面喷射100—120mm厚的c20混凝土；全断面布置注浆锚杆，规格为φ25×2800mm，间排距为3200×3200mm、3150×3150mm、3100×3100mm、3050×3050mm、3000×3000mm等；

40、s602、二次挂网；

41、在首次喷浆之前，用胶带纸等物品对锚杆和锚索外露的部分进行保护，喷浆完成后即解除保护，并立刻进行二次挂网；二次挂网所用的网片与首次锚网喷相同，但其网片的四个角必须穿入锚杆外露部分，并用二次托盘及螺纹完全压紧；锚索和注浆锚杆的外露部分也要穿过二次挂网，并补充托盘及锁具；

42、s603、底角锚杆；

43、在巷道帮底交界处且距离迎头不超过40m的位置布置gm22/2600-490螺纹钢高强锚杆作为底角锚杆，这些锚杆与水平方向的夹角不应小于30°；

44、s604、浅部注浆

45、利用已施工的注浆锚杆对浅部围岩进行注浆加固，注浆工作距离迎头不超过40m；注浆材料为p.o42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1：1，注浆终压2mpa；每根注浆锚杆使用一卷z2550型树脂锚固剂进行锚固，注浆后加装tpf10/200×200mm的托盘，锚杆外露长度控制在50～100mm；

46、s605、帮部平锚索；

47、浅部注浆完成后进行帮部补强锚索的施工；这些锚索距离底板600mm，排距为1000mm；锚索孔设计有3°～5°的仰角；这些锚索采用预应力钢绞线，规格为φ21.8×6500mm，布置间排距为1600×1600mm，并配有tpf10/200×200mm的托盘和长度在250～300mm之间的锁具；

48、s606、深部注浆；

49、帮部平锚索施工完成后进行深部注浆工作；帮顶注浆孔的排距为3.6m，孔深2.4m；每排布置5个孔，孔口管规格统一；注浆材料为p.o42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.8：1；每根注浆锚杆使用一卷z2550型树脂锚固剂进行锚固，注浆后加装tpf10/200×200mm的托盘，注浆量根据实际发生量确定。

50、作为本发明的一种优选方式，步骤七、变形监测和后期评估；

51、基于从回风巷道内的全站仪测站获取的各个监测断面的几何尺寸生成回风巷道的数字孪生模型，根据回风巷道内安装的激光测距仪获取的距离对各个监测断面的尺寸进行实时调整。每隔预设时间通过物联网技术获取各个监测断面中土压力盒的读数应变计的读数和钢筋计的读数其中m为监测断面的编号；a为土压力盒的设备编号，b为应变计的设备编号，c为钢筋计的设备编号。为将土压力盒的读数应变计的读数和钢筋计的读数按监测断面的编号和各自的设备编号输入数字孪生模型中的预设位置，将超过阈值的读数进行高亮显示，并将该监测断面进行标记。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1、本发明提出的“单根锚杆双盘双网锚固支护方案”相对于“双层锚网支护方案”来说，省去了二次锚杆及锚索的施工，大大节约了材料费及施工费用；而且无论是炮掘巷道还是综掘巷道，“单根锚杆双盘双网锚固支护方案”中的二次锚网施工对施工空间的要求要宽松得多，具有更好的适应能力，减少了支护难度，减少了支护成本，提高了支护效果的稳定性；

54、2、本发明通过对地质勘探报告的数据分析获取设计参数，综合考虑土力学库伦-摩尔强度准则、锚杆的平衡力系模型分析、围岩松动圈支护理论和von-mises范式等效应力准则设计支护方案，并基于有限元分析软件对支护方案进行验证，提高了数据分析的科学性，保证了回风巷道双盘双网锚固高效支护方法的可靠性和安全性；

55、3、本发明构建了完整的变形监测与后期评估手段，并构建了回风巷道的数字孪生模型对支护结构进行实时监控，提高了支护结构的管理水平，减少了支护结构的维护成本。