一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置與方法，屬于充填開采技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括頂板控制裝置和充填裝置，所述頂板控制裝置為預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置，加固頂板，增強頂板自身承力性能，控制頂板下沉量；充填裝置包括垛柱式充填模板，充填模板內(nèi)注入充填材料，垛柱式充填模板骨架道木控制頂板前期下沉量和充填柱體后期壓縮量，木質(zhì)擋板控制充填柱體形狀和欠接頂量；兩者相互配合全面控制頂板下沉量，提高柱式部分充填對頂板下沉量的控制效果。
【專利說明】
-種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置與方法，屬于充填開采
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了控制下"采煤引起的地表沉降及長臂跨落式采煤方法對環(huán)境的損害，煤炭 開采企業(yè)近年來選用了充填法采煤工藝。充填開采中頂板下沉量直接影響地表沉陷量，頂 板下沉量是評定充填效果的直接標準。充填開采頂板下沉量包括:充填前期頂板下沉量，充 填柱體欠接頂量，充填柱體后期壓縮量。
[0003] 全采全充采煤工藝對地表沉降和環(huán)境損害取得了很好的控制效果，但也存在著主 要不足:一是因為全采全充需要充填的空間量相對較大，充填材料供不應(yīng)求的矛盾較為突 出，充填工序材料成本較高;二是因為充填工作量相對較大，占用了正常采煤工序的作業(yè)時 間，采煤工作面原有的生產(chǎn)效率大幅度降低。
[0004] 因此，有學者提出采空區(qū)部分充填采煤方法，W減少充填工作量和充填材料使用 量，降低充填成本，提高生產(chǎn)效率。采空區(qū)部分充填方法主要包括條帶式充填和墳柱式充 填，然而部分充填對地表沉陷的控制效果不如全采全充，尤其是墳柱式充填多用柔性上工 布防滲真空袋裝載充填材料，形狀不易控制，且易破損變形，接頂率不高，不能控制頂板早 期下沉量，后期強度也不能保證，控制效果不甚理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置與方法。
[0006] 本發(fā)明提供了一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，包括頂板控制裝置 和充填裝置，所述頂板控制裝置為預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，加固頂板，增強頂板自身承力性 能，控制頂板下沉量;充填裝置包括煤柱式充填模板，充填模板內(nèi)設(shè)有充填材料;每組充填 裝置上方設(shè)有五組頂板控制裝置，每組充填裝置由四個呈正方形排列的煤柱式充填模板組 成，每個煤柱式充填模板的上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，且W正方形為中屯、 的正上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置；
[0007] 所述預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置為礦用預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，每個裝置由兩根巧架錯索 和一個連接鎖緊器組成，連接鎖緊器上設(shè)有緊固螺栓;錯索將不同巖層組合在一起，提高巖 層自身抗彎性能;連接鎖緊器將兩根錯索用剛性材料連接在一起，共同起到懸吊托舉頂板 的作用，提高頂板的抗拉性能;錯索的長度和連接鎖緊器的長度W工程實際情況而定，錯索 錯固段位于頂板上方穩(wěn)定巖層(如關(guān)鍵層）中，連接鎖緊器兩端的錯索外露端頭在模板外側(cè) 20-40cm；
[000引煤柱式充填模板和位于其正上方的預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，兩者中屯、位置相互對 齊，模板固定后與連接鎖緊器的剛性材料接觸；
[0009]所述煤柱式充填模板設(shè)置在直接頂下方，四周由拼接在一起的支撐架圍成長方體 框架結(jié)構(gòu)，模板的相對兩個面上分別是單個支撐架或經(jīng)單側(cè)拼接后的若干支撐架組成的整 體，相鄰兩個面通過邊緣的支撐架垂直拼接組成;每塊支撐架由擋板、骨架道木和對拉錯索 組成，骨架道木由若干條平行的橫向道木和=條平行的豎向道木組成，橫向道木和豎向道 木呈垂直交叉設(shè)置，對拉錯索設(shè)置在每一側(cè)模板中屯、的豎向道木上;骨架道木拼接后直接 接觸頂板，對頂板形成支撐;在模板一側(cè)的擋板上方設(shè)有充填口；
[0010] 所述擋板為木質(zhì)板，用于圍擋充填柱體，厚20-50mm，高度隨采高確定，長度根據(jù)充 填柱體的尺寸確定;充填柱體指充填后形成的柱狀充填體，也可叫充填體支柱；
[0011] 當充填柱體單側(cè)尺寸在3mW內(nèi)時，擋板尺寸等于充填柱體單側(cè)尺寸；當充填柱體 單側(cè)尺寸大于3m時，可將充填模板分段設(shè)計成若干塊小的支撐架后再進行單側(cè)拼接；四周 支撐架垂直拼接后形狀規(guī)整，不變形不漏漿，擋板內(nèi)部充填膨脹性充填材料，提高材料固結(jié) 后接頂率；
[0012] 所述骨架道木為礦用道木，是四棱柱結(jié)構(gòu)，骨架道木由若干條平行的橫向道木和 S條平行的豎向道木組成，橫向道木和豎向道木呈垂直交叉設(shè)置，道木截面是邊長為100- 200mm的正方形，橫向道木兩端比擋板兩端各延伸出100-300mm的寬度，便于不同模板的拼 接組裝，豎向道木高度和擋板的高度相同；橫向道木和豎向道木分別通過鋼釘固定在擋板 上，是主要的受力結(jié)構(gòu)，拼接后可直接對頂板和充填柱體形成支撐；
[0013] 所述拼接是指支撐架之間的拼接，分為單側(cè)平行拼接和垂直拼接，設(shè)計時將相鄰 支撐架的橫向骨架道木交錯布置W便于拼接;單側(cè)拼接是指當充填柱體單側(cè)長度較大時 (大于3m)，運時將支撐架延伸出來的橫向骨架道木相互穿插進相鄰支撐架的豎向道木下完 成拼接，將若干支撐架連接在一起形成一個長的整體結(jié)構(gòu)，其長度與充填柱體的長度相等； 垂直拼接是指不同側(cè)支撐架的拼接，此時相鄰支撐架延伸出來的橫向骨架道木相互交錯搭 接，四周全部完成拼接后用對拉錯索施加預(yù)緊力進行固定；
[0014] 所述對拉錯索為礦用鋼絞線錯索，長度隨模板的整體尺寸而定，兩端各向支撐架 外延伸出150-300mm，W便于施加預(yù)緊力，對拉錯索固定在模板中屯、的豎向道木上，配合骨 架道木為充填柱體提供側(cè)向壓力，提高充填柱體抗壓強度，減小充填柱體后期壓縮量；
[0015] 所述充填口為圓孔，充填口的直徑為10-20cm，位于充填模板的最上端，充填完成 后封閉充填口。
[0016] 本發(fā)明提供了一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的方法，包括W下步驟：
[0017] (1)根據(jù)工程條件計算初次或周期跨落步距L，并運用安全系數(shù)法和支路面積分配 法確定充填間距L '和充填柱體尺寸a;
[0018] (2)根據(jù)充填間距設(shè)計巧架錯索裝置的安裝位置:在充填支柱中屯、位置和充填后 懸頂中屯、位置安裝高強預(yù)緊力巧架錯索裝置;根據(jù)頂板巖層條件及懸頂尺寸確定巧架錯索 的尺寸；
[0019] (3)根據(jù)充填柱體尺寸設(shè)計充填模板長度：當充填柱體單側(cè)尺寸在3mW內(nèi)時，擋板 尺寸等于充填柱體尺寸；當充填柱體單側(cè)尺寸大于3m時，可將充填模板分段設(shè)計成若干塊 小的支撐架后進行拼接，模板高度隨采高確定；隨后將制作好的充填支撐架通過礦井材料 運輸系統(tǒng)運到充填工作面；
[0020] (4)當充填支架移動到充填柱體設(shè)計位置L時在后尾梁的掩護下安裝巧架錯索裝 置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0021] (5)巧架錯索安裝完畢后，在后尾梁和巧架錯索的掩護下將模板安裝拼接:隨著充 填支架的移動，在充填柱體設(shè)計的位置在臨時支護的保護下將支撐架安裝拼接;然后用對 拉錯索固定，并向?qū)e索施加一定的預(yù)緊力;木煤的拼接后固定也可用道木側(cè)向支撐；
[0022] (6)當四周模板拼接完成，即可進行充填工作，可選用膨脹性充填材料，W提高材 料固結(jié)后的接頂率;充填模板骨架道木直接對頂板形成支撐，控制頂板下沉量；
[0023] 所述膨脹性充填材料可為含有膨潤±的膏體充填材料，其中：膠結(jié)料:膨潤±:煤 桿石:粉煤灰為1:0.6:3:4，膏體的質(zhì)量濃度為70~75 %，其余為水;或含有膨脹劑的膏體充 填材料，配比為膠結(jié)材料15%，粉煤灰20%，煤桿石45%，水20%，其中膠結(jié)材料是由普通娃 酸鹽水泥85~90%，甲酸巧2~5%，膨脹劑8~10%均勻混合而成，所述膨脹劑為氧化儀，膏 體的質(zhì)量濃度為78~82%，其余為水；
[0024] (7)當充填支架移動到充填后懸頂中屯、巧架錯索設(shè)計位置L+LV2時，在后尾梁的 掩護下安裝巧架錯索裝置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0025] (8)懸頂中屯、巧架錯索安裝后，充填液壓支架前移割煤，當行進到下一充填位置時 重復(fù)步驟(4)~(7);直至采區(qū)開采并充填完畢。
[0026] 上述使用方法中，所述拼接即將擋板的骨架道木相互穿插組合，再用對拉錯索固 定;拼接分為單側(cè)拼接、垂直拼接，拼接完成后也可用側(cè)向支撐道木代替對拉錯索提供側(cè)向 支撐。
[0027] 本發(fā)明提供的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，所述的預(yù)應(yīng)力巧架錯索 裝置，加固頂板，增強頂板自身承力性能，控制頂板下沉量;所述的充填裝置，使用可拼接煤 柱式充填模板，煤柱式充填模板骨架道木控制頂板前期下沉量和充填柱體后期壓縮量，木 質(zhì)擋板控制充填柱體形狀和欠接頂量;兩者相互配合全面控制頂板下沉量，提高柱式部分 充填對頂板下沉量的控制效果。
[0028] 本發(fā)明的有益效果：
[0029] (1)通過頂板控制裝置和充填裝置，全面控制頂板前期下沉量、充填柱體欠接頂量 和充填柱體后期壓縮量，提高柱式部分充填對頂板下沉量的控制效果；
[0030] (2)煤柱式充填模板在充填柱體形成強度后不回收，降低充填工作量，并和巧架錯 索裝置一起充當永久支護，此時充填柱體在煤柱式充填模板和預(yù)應(yīng)力對拉錯索下處于=向 應(yīng)力狀態(tài)，提高充填柱體的抗壓性能，降低充填柱體壓縮率，提高充填開采控制頂板下沉量 的效果。
[0031] (3)降低充填成本，提高生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0032] 圖1為采空區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明控制頂板下沉的裝置的主視圖。
[0034] 圖3為圖2的俯視圖（略去頂板部分）。
[0035] 圖4為控制頂板下沉的作用原理圖。
[0036] 圖5為充填模板的結(jié)構(gòu)示意圖（從頂板處俯視）。
[0037] 圖6為支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[003引圖7為圖6的左視圖。
[0039] 圖8為充填模板中支撐架的單側(cè)加長拼接圖。
[0040] 圖9為充填模板中支撐架的垂直拼接圖。
[0041] 其中：1、頂板控制裝置;2、充填裝置;3、錯索;4、連接鎖緊器;5、緊固螺栓;6、擋板； 7、骨架道木;8、對拉錯索;9、充填口； 10、直接頂；11、穩(wěn)定巖層；12、巧架錯索作用區(qū)域；13、 已充填模板;14、未充填模板;15、充填液壓支架;16、未開采煤體。
【具體實施方式】
[0042] 下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于W下實施例。
[0043] 如圖1~3所示，一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，包括頂板控制裝 置1和充填裝置2,所述頂板控制裝置為預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，加固頂板，增強頂板自身承力 性能，控制頂板下沉量;充填裝置包括煤柱式充填模板，充填模板內(nèi)設(shè)有充填材料;每組充 填裝置上方設(shè)有五組頂板控制裝置，每組充填裝置由四個呈正方形排列的煤柱式充填模板 組成，每個煤柱式充填模板的上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，且W正方形為中 屯、的正上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置；
[0044] 所述預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置為礦用預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，每個裝置由兩根巧架錯索 3和一個連接鎖緊器4組成，連接鎖緊器4上設(shè)有緊固螺栓5;錯索3將不同巖層組合在一起， 提高巖層自身抗彎性能;連接鎖緊器4將兩根錯索3用剛性材料(剛性材料一般為鑄鐵)連接 在一起，共同起到懸吊托舉頂板的作用，提高頂板的抗拉性能;錯索3的長度和連接鎖緊器4 的長度W工程實際情況而定，錯索錯固段位于頂板上方穩(wěn)定巖層11，連接鎖緊器兩端的錯 索外露端頭在模板外側(cè)20-40cm;直接頂10和上方穩(wěn)定巖層11共同構(gòu)成頂板；
[0045] 煤柱式充填模板和位于其正上方的預(yù)應(yīng)力巧架錯索裝置，兩者中屯、位置相互對 齊，模板固定后與連接鎖緊器的剛性材料接觸；
[0046] 所述煤柱式充填模板設(shè)置在直接頂下方，四周由拼接在一起的支撐架圍成長方體 框架結(jié)構(gòu)，模板的相對兩個面上分別是單個支撐架或經(jīng)單側(cè)拼接后的若干支撐架組成的整 體，相鄰兩個面通過邊緣的支撐架通過垂直拼接組成;每塊支撐架由擋板6、骨架道木7和對 拉錯索8組成，骨架道木7由若干條平行的橫向道木和=條平行的豎向道木組成，橫向道木 和豎向道木呈垂直交叉設(shè)置，對拉錯索8設(shè)置在每一側(cè)模板中屯、的豎向道木上;骨架道木7 拼接后直接接觸頂板，對頂板形成支撐;在模板一側(cè)的擋板上方設(shè)有充填口；如圖5~9所 示；
[0047] 所述擋板6為木質(zhì)板，用于圍擋充填柱體，厚20-50mm，高度隨采高確定，長度根據(jù) 充填柱體的尺寸確定；
[0048] 當充填柱體單側(cè)尺寸在3m(-般巷道的寬度為3~5m) W內(nèi)時，擋板尺寸等于充填 柱體單側(cè)尺寸；當充填柱體單側(cè)尺寸大于3m時，可將充填模板分段設(shè)計成若干塊小的支撐 架后再進行單側(cè)拼接；四周支撐架垂直拼接后形狀規(guī)整，不變形不漏漿，擋板內(nèi)部充填膨脹 性充填材料，提高材料固結(jié)后接頂率；
[0049] 所述骨架道木為礦用道木，是四棱柱結(jié)構(gòu)，骨架道木由若干條平行的橫向道木和 S條平行的豎向道木組成，橫向道木和豎向道木呈垂直交叉設(shè)置，道木截面是邊長為100- 200mm的正方形，橫向道木兩端比擋板兩端各延伸出100-300mm的寬度，便于不同模板的拼 接組裝，豎向道木高度和擋板的高度相同；橫向道木和豎向道木分別通過鋼釘固定在擋板 上，是主要的受力結(jié)構(gòu)，拼接后可直接對頂板和充填柱體形成支撐；
[0050] 所述拼接是指支撐架之間的拼接，分為單側(cè)平行拼接和垂直拼接，設(shè)計時將相鄰 支撐架的橫向骨架道木交錯布置W便于拼接;單側(cè)拼接是指當充填柱體單側(cè)長度較大時 (大于3m)，運時將支撐架延伸出來的橫向骨架道木相互穿插進相鄰支撐架的豎向道木下完 成拼接，將若干支撐架連接在一起形成一個長的整體結(jié)構(gòu)，其長度與充填柱體的長度相等； 垂直拼接是指不同側(cè)支撐架的拼接，此時相鄰支撐架延伸出來的橫向骨架道木相互交錯搭 接，四周全部完成拼接后用對拉錯索施加預(yù)緊力進行固定；
[0051] 所述對拉錯索為礦用鋼絞線錯索，長度隨模板的整體尺寸而定，兩端各向支撐架 外延伸出150-300mm，W便于施加預(yù)緊力，對拉錯索固定在模板中屯、的豎向道木上，配合骨 架道木為充填柱體提供側(cè)向壓力，提高充填柱體抗壓強度，減小充填柱體后期壓縮量；
[0052] 所述充填口為圓孔，充填口的直徑為10-20cm，位于充填模板的最上端，充填完成 后封閉充填口。
[0053] 圖4示出了預(yù)應(yīng)力巧架錯索系統(tǒng)控制頂板下沉的原理。其中，錯索固定在上方穩(wěn)定 巖層中，使直接頂和上方穩(wěn)定巖層形成組合板結(jié)構(gòu)，提高頂板自身抗彎性能;巧架錯索連接 鎖緊器為剛性材料，對上方巖層形成托舉作用，綜合提高頂板受力性能，控制頂板下沉。
[0054] 下面通過具體實施例說明本發(fā)明的具體操作方法：
[0化5] 實施例1:
[0056] (1)當直接頂厚度大于5m、強度大于IOOM化且完整性較好時根據(jù)工程條件計算初 次跨落步距^，并運用安全系數(shù)法和支路面積分配法確定充填間距L '和正方形充填柱體邊 長a;其中
為直接頂厚度，化為直接頂抗拉強度， q為直接頂上覆載荷，feu為充填體抗壓強度，ki、k2為安全系數(shù);此時計算得到的充填間距L ' 較大，充填柱體尺寸a較大，單側(cè)長度一般大于3m;
[0057] (2)根據(jù)充填間距設(shè)計巧架錯索裝置的安裝位置:在充填支柱中屯、位置和充填后 懸頂中屯、位置安裝高強預(yù)緊力巧架錯索裝置;根據(jù)頂板巖層條件及懸頂尺寸確定巧架錯索 的尺寸；
[0058] (3)根據(jù)充填柱體尺寸設(shè)計充填模板長度:充填柱體單側(cè)尺寸大于3m，可將充填模 板分段設(shè)計成若干塊小的支撐架后進行拼接，模板高度隨采高確定;將制作好的充填支撐 架通過礦井材料運輸系統(tǒng)運到充填工作面；
[0059] (4)當充填支架移動到充填柱體設(shè)計位置^時在后尾梁的掩護下安裝巧架錯索裝 置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0060] (5)巧架錯索安裝完畢后，在后尾梁和巧架錯索的掩護下將模板安裝拼接:隨著充 填支架的移動，在充填柱體設(shè)計的位置在臨時支護的保護下將支撐架安裝拼接;然后用對 拉錯索固定，并向?qū)e索施加一定的預(yù)緊力;木煤的拼接后固定也可用道木側(cè)向支撐；
[0061] (6)當四周模板拼接完成，即可進行充填工作，可選用膨脹性充填材料(含有膨潤 上的膏體充填材料，其中：膠結(jié)料:膨潤±:煤桿石:粉煤灰為1:0.6:3:4，質(zhì)量濃度為72 % )， W提高材料固結(jié)后的接頂率;充填模板骨架道木直接對頂板形成支撐，控制頂板下沉量；
[0062] (7)當充填支架移動到充填后懸頂中屯、巧架錯索設(shè)計位置^+L'/2時，在后尾梁的 掩護下安裝巧架錯索裝置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0063] (8)懸頂中屯、巧架錯索安裝后，充填液壓支架前移割煤，當行進到下一充填位置時 重復(fù)步驟(4)~(7)，直至采區(qū)開采并充填完畢。
[0064] 實施例2:
[0065] (1)當直接頂厚度小于5m、強度小于lOOMPa、完整性較差時，根據(jù)工程條件計算周 期跨落步距L2,并運用安全系數(shù)法和支路面積分配法確定充填間距L'和正方形充填柱體邊 長a;其中為直接頂厚度，Rt為直接頂抗拉強度，q 為直接頂上復(fù)載初，feu刃充填
體抗比強巧，ki、k2刃安全系數(shù)；此時計算得到的充填間距L' 較小，充填柱體尺寸a較小，單側(cè)長度一般不超過3m;
[0066] (2)根據(jù)充填間距設(shè)計巧架錯索裝置的安裝位置:在充填支柱中屯、位置和充填后 懸頂中屯、位置安裝高強預(yù)緊力巧架錯索裝置;根據(jù)頂板巖層條件及懸頂尺寸確定巧架錯索 的尺寸；
[0067] (3)根據(jù)充填柱體尺寸設(shè)計充填模板長度:充填柱體單側(cè)尺寸在3mW內(nèi)，擋板尺寸 等于充填柱體尺寸，模板高度隨采高確定;將制作好的充填支撐架通過礦井材料運輸系統(tǒng) 運到充填工作面；
[0068] (4)當充填支架移動到充填柱體設(shè)計位置L2時在后尾梁的掩護下安裝巧架錯索裝 置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0069] (5)巧架錯索安裝完畢后，在后尾梁和巧架錯索的掩護下將模板安裝拼接:隨著充 填支架的移動，在充填柱體設(shè)計的位置在臨時支護的保護下將支撐架安裝拼接;然后用對 拉錯索固定，并向?qū)e索施加一定的預(yù)緊力;木煤的拼接后固定也可用道木側(cè)向支撐；
[0070] (6)當四周模板拼接完成，即可進行充填工作，可選用膨脹性充填材料(含有膨脹 劑的膏體充填材料，配比為膠結(jié)材料15%，粉煤灰20%，煤桿石45%，水20%，其中膠結(jié)材料 是由普通娃酸鹽水泥85%，甲酸巧5 %，膨脹劑10 %均勻混合而成，膨脹劑為氧化儀，膏體質(zhì) 量分數(shù)為80 % )，W提高材料固結(jié)后的接頂率;充填模板骨架道木直接對頂板形成支撐，控 制頂板下沉量；
[0071] (7)當充填支架移動到充填后懸頂中屯、巧架錯索設(shè)計位置L2+LV2時，在后尾梁的 掩護下安裝巧架錯索裝置，對巧架錯索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓梓緊；
[0072] (8)懸頂中屯、巧架錯索安裝后，充填液壓支架前移割煤，當行進到下一充填位置時 重復(fù)步驟(4)~(7)，直至采區(qū)開采并充填完畢。
【主權(quán)項】
1. 一種柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:包括頂板控制裝置和 充填裝置，所述頂板控制裝置為預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置，加固頂板，增強頂板自身承力性能， 控制頂板下沉量;充填裝置包括垛柱式充填模板，充填模板內(nèi)設(shè)有充填材料； 所述預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置為礦用預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置，每個裝置由兩根桁架錨索和一 個連接鎖緊器組成，連接鎖緊器上設(shè)有緊固螺栓;錨索將不同巖層組合在一起，提高巖層自 身抗彎性能;連接鎖緊器將兩根錨索用剛性材料連接在一起，共同起到懸吊托舉頂板的作 用，提高頂板的抗拉性能;錨索的長度和連接鎖緊器的長度以工程實際情況而定，錨索錨固 段位于頂板上方穩(wěn)定巖層中，連接鎖緊器兩端的錨索外露端頭在模板外側(cè)20-40cm; 所述垛柱式充填模板設(shè)置在直接頂下方，四周由拼接在一起的支撐架圍成長方體框架 結(jié)構(gòu)，模板的相對兩個面上分別是單個支撐架或經(jīng)單側(cè)拼接后的若干支撐架組成的整體， 相鄰兩個面通過邊緣的支撐架垂直拼接組成;每塊支撐架由擋板、骨架道木和對拉錨索組 成，骨架道木由若干條平行的橫向道木和三條平行的豎向道木組成，橫向道木和豎向道木 呈垂直交叉設(shè)置，對拉錨索設(shè)置在每一側(cè)模板中心的豎向道木上;骨架道木拼接后直接接 觸頂板，對頂板形成支撐;在模板一側(cè)的擋板上方設(shè)有充填口； 每組充填裝置上方設(shè)有五組頂板控制裝置，每組充填裝置由四個呈正方形排列的垛柱 式充填模板組成，每個垛柱式充填模板的上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置，且以 正方形為中心的正上方巖層中設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 垛柱式充填模板和位于其正上方的預(yù)應(yīng)力桁架錨索裝置，兩者中心位置相互對齊，模板固 定后與連接鎖緊器的剛性材料接觸。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 擋板為木質(zhì)板，用于圍擋充填柱體，厚20_50mm，高度隨采高確定，長度根據(jù)充填柱體的尺寸 確定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 骨架道木為礦用道木，是四棱柱結(jié)構(gòu)，骨架道木由若干條平行的橫向道木和三條平行的豎 向道木組成，橫向道木和豎向道木呈垂直交叉設(shè)置，道木截面是邊長為100-200mm的正方 形，橫向道木兩端比擋板兩端各延伸出100-300mm的寬度，便于不同模板的拼接組裝，豎向 道木高度和擋板的高度相同；橫向道木和豎向道木分別通過鋼釘固定在擋板上，是主要的 受力結(jié)構(gòu)，拼接后可直接對頂板和充填柱體形成支撐。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 拼接是指支撐架之間的拼接，分為單側(cè)平行拼接和垂直拼接，設(shè)計時將相鄰支撐架的橫向 骨架道木交錯布置以便于拼接;單側(cè)拼接是指當充填柱體單側(cè)長度大于3m時，這時將支撐 架延伸出來的橫向骨架道木相互穿插進相鄰支撐架的豎向道木下完成拼接，將若干支撐架 連接在一起形成一個長的整體結(jié)構(gòu)，其長度與充填柱體的長度相等;垂直拼接是指不同側(cè) 支撐架的拼接，此時相鄰支撐架延伸出來的橫向骨架道木相互交錯搭接，四周全部完成拼 接后用對拉錨索施加預(yù)緊力進行固定。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 對拉錨索為礦用鋼絞線錨索，長度隨模板的整體尺寸而定，兩端各向支撐架外延伸出150-300mm，以便于施加預(yù)緊力，對拉錨索固定在模板中心的豎向道木上，配合骨架道木為充填 柱體提供側(cè)向壓力，提高充填柱體抗壓強度，減小充填柱體后期壓縮量。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱式部分充填開采中控制頂板下沉的裝置，其特征在于:所述 充填口為圓孔，充填口的直徑為10-20cm，位于充填模板的最上端，充填完成后封閉充填口。8. -種權(quán)利要求1~7任一項柱式部分充填開采中控制頂板下沉的方法，其特征在于:包 括以下步驟： (1) 根據(jù)工程條件計算初次或周期垮落步距L，并運用安全系數(shù)法和支路面積分配法確 定充填間距L '和充填柱體尺寸a; (2) 根據(jù)充填間距設(shè)計桁架錨索裝置的安裝位置:在充填支柱中心位置和充填后懸頂 中心位置安裝高強預(yù)緊力桁架錨索裝置;根據(jù)頂板巖層條件及懸頂尺寸確定桁架錨索的尺 寸； (3) 根據(jù)充填柱體尺寸設(shè)計充填模板長度：當充填柱體單側(cè)尺寸在3m以內(nèi)時，擋板尺寸 等于充填柱體尺寸；當充填柱體單側(cè)尺寸大于3m時，可將充填模板分段設(shè)計成若干塊小的 支撐架后進行拼接，模板高度隨采高確定；隨后將制作好的充填支撐架通過礦井材料運輸 系統(tǒng)運到充填工作面； (4) 當充填支架移動到充填柱體設(shè)計位置L時在后尾梁的掩護下安裝桁架錨索裝置，對 桁架錨索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓擰緊； (5) 桁架錨索安裝完畢后，在后尾梁和桁架錨索的掩護下將模板安裝拼接:隨著充填支 架的移動，在充填柱體設(shè)計的位置在臨時支護的保護下將支撐架安裝拼接;然后用對拉錨 索固定，并向?qū)^索施加一定的預(yù)緊力;木垛的拼接后固定也可用道木側(cè)向支撐； (6) 當四周模板拼接完成，即可進行充填工作，可選用膨脹性充填材料，以提高材料固 結(jié)后的接頂率;充填模板骨架道木直接對頂板形成支撐，控制頂板下沉量； (7) 當充填支架移動到充填后懸頂中心桁架錨索設(shè)計位置L+L72時，在后尾梁的掩護 下安裝桁架錨索裝置，對桁架錨索施加高強預(yù)緊力，并將緊固螺栓擰緊； (8) 懸頂中心桁架錨索安裝后，充填液壓支架前移割煤，當行進到下一充填位置時重復(fù) 步驟(4M7);直至采區(qū)開采并充填完畢。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的梁-柱式組合結(jié)構(gòu)控制采空區(qū)頂板下沉的方法，其特征在于： 所述膨脹性充填材料為含有膨潤土的膏體充填材料，膏體的質(zhì)量濃度為70~75%，其余為水； 所述膏體充填材料由以下質(zhì)量配比的原料組成:膠結(jié)料:膨潤土:煤矸石:粉煤灰為1: 〇. 6:3 ：4〇10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的梁-柱式組合結(jié)構(gòu)控制采空區(qū)頂板下沉的方法，其特征在于： 所述膨脹性充填材料為含有膨脹劑的膏體充填材料，膏體的質(zhì)量濃度為78~82%，其余為水； 所述膏體充填材料由以下質(zhì)量百分比的原料組成:膠結(jié)材料15%，粉煤灰20%，煤矸石45%， 水20%，其中膠結(jié)材料是由普通硅酸鹽水泥85~90%、甲酸鈣2~5%、膨脹劑8~10% 均勻混合而成，所述膨脹劑為氧化鎂。
【文檔編號】E21F15/00GK105909290SQ201610270402
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】馮國瑞, 杜獻杰, 張玉江, 郭育霞, 戚庭野, 李振, 白錦文, 宋凱歌, 劉國艷, 郭軍, 康立勛
【申請人】太原理工大學