煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，首先計(jì)算上部煤層開采過程中引起的底板損傷深度和屈服比；然后對(duì)近距離煤層頂板分類；根據(jù)頂板分類選擇支護(hù)方式；最后設(shè)計(jì)高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿配合錨索鋼梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿支護(hù)可以有效地阻止頂板巖層松散冒落，可將己受到上部煤層開采影響、完整性受到一定破壞程度的上部煤層或?yàn)槊簩娱_采后垮落的應(yīng)力降低區(qū)巖層加固成一個(gè)完整的組合梁，再通過錨索槽鋼梁的懸吊作用，使下部煤層開采過程中頂板結(jié)構(gòu)變化較小，避免出現(xiàn)較大的礦山壓力，保證下部煤層巷道的完整性。
【專利說明】
煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及采礦技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于煤層賦存條件的差異，不同煤田的可采煤層層數(shù)可從一層到數(shù)十層，層間距 離大小也差異較大，一般層間距離小于6米的視為近距離煤層，煤層層間距的不同，相互間 的開采影響程度差別很大。當(dāng)煤層的層間距較大時(shí)，上部煤層開采后對(duì)下部煤層的開采影 響程度很小，其下部煤層的開采方法和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一般不受上部煤層的開采影響。 但隨著煤層間距的減小，上下煤層間開采的相互影響程度會(huì)逐漸增大，特別是當(dāng)煤層間距 很近時(shí)，下部煤層開采前其頂板己受到上部煤層開采損傷影響而完整性受到一定程度的破 壞，此時(shí)的上部煤層或?yàn)槊簩娱_采后跨落的巖石(應(yīng)力降低區(qū)）或?yàn)闅埩舻膮^(qū)段煤柱(應(yīng)力 集中區(qū)），會(huì)導(dǎo)致下部煤層開采過程中頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生重大變化，從而使下部煤層 開采過程中與W往單一煤層開采情況相比出現(xiàn)了較為復(fù)雜的礦山壓力及礦山壓力顯現(xiàn)特 征。對(duì)于近距離下部煤層的巷道布置系統(tǒng)和巷道支護(hù)方式的選擇帶來一定困難。
[0003] 在某些情況(如可采煤層位于礦井主要含水層附近時(shí)）下，上部煤層開采后可能導(dǎo) 致采空區(qū)大量積水，對(duì)下部煤層巷道支護(hù)方式及開采方法選擇也會(huì)帶來嚴(yán)重的不良影響， 如果處置不好會(huì)對(duì)下部煤層開采尤其是巷道支護(hù)造成不安全隱患。
[0004] 而現(xiàn)有單一煤層或大間距煤層開采的頂板巖層控制理論和經(jīng)驗(yàn)，不能很好地解釋 近距離煤層條件下的礦壓現(xiàn)象原理及控制機(jī)理。目前，我國煤巷支護(hù)大部分采用錯(cuò)桿類支 護(hù)結(jié)構(gòu)，如錯(cuò)桿、錯(cuò)網(wǎng)、錯(cuò)帶等。但錯(cuò)桿類支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)等設(shè)計(jì)取決于地質(zhì)采礦條件。 目前的支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)還不能滿足在極近距離煤層開采的過程中的煤巷頂板狀態(tài) 的特殊性，很難保證巷道的完整性，大多都受到不同程度的破壞，影響正常生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)煤礦采空區(qū)下近距離煤巷的頂板結(jié)構(gòu)、應(yīng)力環(huán)境和礦山壓力 顯現(xiàn)特征，提出一種新的煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
[0006] -種煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟 如下：
[0007] 第一步，計(jì)算上部煤層開采過程中引起的底板損傷深度h。
[000引根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度h為：
[0009]
(3-D
[0010] 式中
[0021] 由式(3-6)、式(3-7)確定的上部煤層開采時(shí)底板巖層最大屈服破壞深度hmax即底 板損傷深度h。，為：
[0022]
[0023] 上述式中，Μ-上部煤層開采厚度，單位m;
[0024] k-應(yīng)力集中系數(shù)，取3.0;
[00巧]丫一采場(chǎng)上覆巖層的平均容重，kg/m3;
[00%] Η-煤層埋藏深度，m;
[0027] C 一煤體的內(nèi)聚力，MPa;
[002引巧一煤體的內(nèi)摩擦角度值；
[0029] f-煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)f = tan(l);
[0030] ξ-Ξ軸應(yīng)力系數(shù)
[0031] 斬一底板巖層內(nèi)摩擦角度值；
[0032] 第二步，計(jì)算屈服比Φ
[0033] 當(dāng)巖層中的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到或超過巖層的屈服極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量次生裂隙，屈服 比描述的是上部煤層開采后屈服區(qū)在底板巖層中所占的比例；屈服比Φ用W下公式表示：即 上部煤層開采引起的底板巖層損傷深度h。與之比；
[0034]
C3-9\,
[0035] 式中h。為底板巖層損傷深度，由式(3-8)計(jì)算得到;hj為上下煤層間巖層厚度或煤 層的層間距離；
[0036] 第Ξ步，對(duì)近距離煤層頂板分類
[0037] 當(dāng)兩煤層之間的巖層厚度即層間距hj含0.5m時(shí)，按夾桿煤層處理，可把上下兩煤 層視為同一煤層開采；
[0038] 當(dāng)煤層的層間距離hyh于公式(3-8)的計(jì)算值h。時(shí)，視為破碎頂板；
[0039] 當(dāng)下部煤層頂板的Φ含1，說明上部煤層開采后下部煤層頂板己經(jīng)完全損傷破壞， 此類頂板稱為破碎頂板；
[0040] 當(dāng)下部煤層頂板的r 1，且頂板厚度滿足hj > 1.5m時(shí)，說明上部煤層開采后下部 煤層頂板尚未完全損傷破壞，頂板內(nèi)部具有穩(wěn)定區(qū)域，此類頂板稱為塊裂頂板；
[0041] 第四步，選擇支護(hù)方式
[0042] 1、破碎頂板的支護(hù)方式
[0043] 由于該類頂板完整性遭到嚴(yán)重破壞，支護(hù)過程中沒有穩(wěn)定的層位或者穩(wěn)定的區(qū) 域，無法錯(cuò)索支護(hù)，所W巷道頂板只能采用傳統(tǒng)的架棚方式進(jìn)行支護(hù)；
[0044] 2、塊裂頂板的支護(hù)方式
[0045] 此類巷道頂板采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿配合錯(cuò)索鋼梁結(jié)構(gòu)支護(hù)方式；
[0046] 第五步，設(shè)計(jì)高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿配合錯(cuò)索鋼梁結(jié)構(gòu)
[0047] 高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿配合錯(cuò)索鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：
[004引煤巷的頂板和兩幫采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿支護(hù)，通過高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿將巷道頂 煤W及頂板巖層加固成一個(gè)完整的組合梁;在煤巷每個(gè)支護(hù)斷面的頂板上還布置有橫向的 托梁和兩根W上的錯(cuò)索，通過錯(cuò)索將托梁拉緊，從而將由高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿加固而成的組 合梁懸吊住;上述的高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿安裝在頂板時(shí)，采用直徑20mm礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錯(cuò)桿 長度至少大于底板損傷深度h。加兩塊樹脂錯(cuò)固劑的長度，且不低于2400mm，要求其屈服強(qiáng) 度>500MPa，抗拉強(qiáng)度>650MPa，錯(cuò)桿施加預(yù)緊力60KNW上;上述的高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿安裝 在兩幫時(shí)，采用直徑180mm的礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錯(cuò)桿長度大于2000mm，要求其屈服強(qiáng)度> 5001?3，抗拉強(qiáng)度>65(^化，錯(cuò)桿施加預(yù)緊力40抓^上；要求錯(cuò)桿間距和排距均為800- 1000mm;上述的錯(cuò)索采用礦用籠型錯(cuò)索，錯(cuò)索直徑17-18mm，錯(cuò)索安裝深度應(yīng)靠近上部煤層 采空區(qū)的底部，且至少為4500mm，最大破斷力>353KN;上述的托梁采用11#槽鋼，長度 2200mm;要求托梁每隔兩排錯(cuò)桿布置一根。
[0049]按照傳統(tǒng)的錯(cuò)桿安裝方法，孔底采用兩塊防水型樹脂錯(cuò)固劑，錯(cuò)桿孔口采用300X 300 X 12mm高強(qiáng)弧形托盤;安裝錯(cuò)索時(shí)孔底采用四塊防水型樹脂錯(cuò)固劑，托梁上的錯(cuò)索托盤 采用100 X 100 X 10mm的平托盤。
[0050]運(yùn)種高強(qiáng)預(yù)緊力錯(cuò)桿+錯(cuò)索槽鋼梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的積極效果是，由于上部采空區(qū)的存 在，采用長錯(cuò)索懸吊方式在此特殊地質(zhì)條件下是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此，采用高預(yù)緊力錯(cuò)桿可 有效地提高圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。錯(cuò)桿與其錯(cuò)固范圍內(nèi)的錯(cuò)固 體構(gòu)成一種錯(cuò)固支護(hù)體，在錯(cuò)桿的約束與抗剪作用下，使塑性破壞后易于松動(dòng)的煤巖體形 成具有一定承載能力并可適應(yīng)圍巖變形的錯(cuò)桿平衡拱，從而提高頂板的整體性，防止頂板 松散冒落。從巷道縱向看，錯(cuò)桿支護(hù)形成的錯(cuò)固平衡拱是掘進(jìn)工作面空頂區(qū)上方頂板自穩(wěn) 的基礎(chǔ)。因此，采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿支護(hù)可W有效地阻止頂板巖層松散冒落，可將己受到 上部煤層開采影響、完整性受到一定破壞程度的上部煤層或?yàn)槊簩娱_采后跨落的應(yīng)力降低 區(qū)巖層加固成一個(gè)完整的組合梁，再通過錯(cuò)索槽鋼梁的懸吊作用，使下部煤層開采過程中 頂板結(jié)構(gòu)變化較小，避免出現(xiàn)較大的礦山壓力，保證下部煤層巷道的完整性。
【附圖說明】
[0051 ]圖1是實(shí)施例的支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖；
[0052] 圖2是實(shí)施例的頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖；
[0053] 圖3是因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度示意圖。
[0054] 圖例說明，1-兩幫錯(cuò)桿，2-幫部鋼帶，3-托梁，4-頂部錯(cuò)桿，5-錯(cuò)索，6-頂部鋼帶，7- 高強(qiáng)弧形托盤，I-主動(dòng)極限區(qū)，Π -過度極限區(qū)，虹-被動(dòng)極限區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0055] -種煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其步驟如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述，其中圖3還示出了因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度計(jì)算原理，供第一步計(jì) 算底板損傷深度h。時(shí)參考。
[0056] 下面W團(tuán)柏煤礦11#煤層101工作面巷道為例，進(jìn)一步說明實(shí)施例。
[0057] 團(tuán)柏煤礦11-101工作面位于下組煤(太原組)首采區(qū)右翼，周圍均為實(shí)體煤，上部 為10#煤層采空區(qū)，其11#煤層上距10#煤層采空區(qū)間距平均5.4m，ll-101工作面煤層埋藏深 度= 340m;，煤層厚3.1~3.3m，平均3.2m，煤層傾角2~6°，平均4%煤體的內(nèi)摩擦角V?二32; 底板巖層內(nèi)摩擦角％=34度;煤體的內(nèi)聚力=3.OlMPa; 11#煤層頂板(亦即10#煤層底板)為 平均5.4m的粉砂巖，平均容重丫 = 2500kg/m3;再上部為10#煤層采空區(qū)。
[005引10#煤層煤層開采厚度=M2.7m，已開采完畢，其直接頂為2.2m的粉砂巖和1.10m的 9煤層，其中粉砂巖為粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中一薄層狀構(gòu)造，礦物W石英為主，層面可見泥巖成分， 具裂隙，裂隙呈半充填;其老頂為9.65m的K2灰?guī)r，深灰色，塊狀，堅(jiān)硬，裂隙中充填方解石 脈，中部為0.4m泥巖，11#煤層底板為1.50m的侶質(zhì)泥巖和1.5m的泥灰?guī)r。
[0化9] 因上述11#煤層101工作面距10#煤層采空區(qū)間距hj平均5.4m，屬于采空區(qū)下近距 離煤的開采，應(yīng)按照本發(fā)明的"煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法"進(jìn) 行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
[0060]根據(jù)
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第一步，計(jì)算得到上部煤層開采過程中底板損傷深度11。= 0.7m。根據(jù)
【發(fā)明內(nèi)容】
第二步，計(jì)算屈服比Φ = 0.156。根據(jù)第Ξ步，確定11#煤層煤巷頂板為塊 裂頂板。根據(jù)第四步，確定采用錯(cuò)索類支護(hù)，尤其選用高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿配合錯(cuò)索鋼梁支護(hù) 結(jié)構(gòu)。
[0061] 根據(jù)第五步進(jìn)行高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿和錯(cuò)索鋼梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。如圖1、圖2 所示，高預(yù)緊力高強(qiáng)錯(cuò)桿配合錯(cuò)索鋼梁支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：
[0062] 煤巷的頂板采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿4支護(hù)，兩幫采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿1支護(hù)，通 過高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿4將巷道頂煤W及頂板巖層加固成一個(gè)完整的組合梁;在煤巷每個(gè)支 護(hù)斷面的頂板上還布置有橫向的托梁3和Ξ根錯(cuò)索5,通過錯(cuò)索5將托梁3拉緊，從而將由高 強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿加固而成的組合梁懸吊住;上述的高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿4,采用直徑20mm礦用 高強(qiáng)螺紋鋼，錯(cuò)桿長度至少大于底板損傷深度700mm加兩塊樹脂錯(cuò)固劑的長度600mm，所W 選2400mm，要求其屈服強(qiáng)度>500MPa，抗拉強(qiáng)度>650MPa，錯(cuò)桿施加預(yù)緊力60KNW上；上述 的高強(qiáng)高預(yù)緊力錯(cuò)桿1，采用直徑180mm的礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錯(cuò)桿長度大于2000mm，要求其屈 服強(qiáng)度>500MPa，抗拉強(qiáng)度>650MPa，錯(cuò)桿施加預(yù)緊力40KNW上;要求錯(cuò)桿間距和排距均為 800-1000mm;上述的錯(cuò)索5采用礦用籠型錯(cuò)索，錯(cuò)索直徑18mm，錯(cuò)索5安裝深度應(yīng)靠近上部煤 層采空區(qū)的底部，為4500mm，最大破斷力>353KN;上述的托梁3采用11#槽鋼，長度2200mm; 要求托梁3每隔兩排錯(cuò)桿4布置一根。
[0063] 按照傳統(tǒng)的錯(cuò)桿安裝方法，孔底采用兩塊防水型樹脂錯(cuò)固劑，錯(cuò)桿孔口采用300X 300 X 12mm高強(qiáng)弧形托盤;安裝錯(cuò)索時(shí)孔底采用四塊防水型樹脂錯(cuò)固劑，托梁上的錯(cuò)索托盤 采用100 X 100 X 10mm的平托盤。
[0064] 圖中還顯示實(shí)施例的錯(cuò)桿類支護(hù)采用的是錯(cuò)帶支護(hù)，兩幫設(shè)有幫部鋼帶2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種煤礦采空區(qū)下近距離煤巷支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如 下： 第一步，計(jì)算上部煤層開采過程中引起的底板損傷深度h。 根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，因支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度h為：由式(3-1)至式(3-5)可求得，底板巖層的最大破壞深度hmax為：根據(jù)極限平衡理論計(jì)算的煤壁塑性區(qū)寬度XQ為：由式(3-6)、式(3-7)確定的上部煤層開采時(shí)底板巖層最大屈服破壞深度hmax即底板損 傷深度h。，為：上述式中，Μ-上部煤層開采厚度，單位m; k 一應(yīng)力集中系數(shù)，取3.0; T 一采場(chǎng)上覆巖層的平均容重，kg/m3; Η 一煤層埋臧深度，m; C 一煤體的內(nèi)聚力，MPa; 辦一煤體的內(nèi)摩擦角度值； f 一煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；9/一底板巖層內(nèi)摩擦角度值； 第二步，計(jì)算屈服比Φ 當(dāng)巖層中的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到或超過巖層的屈服極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量次生裂隙，屈服比描 述的是上部煤層開采后屈服區(qū)在底板巖層中所占的比例；屈服比Φ用以下公式表示：即上部 煤層開采引起的底板巖層損傷深度h。與之比；式中h。為底板巖層損傷深度，由式(3-8)計(jì)算得到;h為上下煤層間巖層厚度或煤層的 層間距離； 第三步，對(duì)近距離煤層頂板分類 當(dāng)兩煤層之間的巖層厚度即層間距h < 0.5m時(shí)，按夾矸煤層處理，可把上下兩煤層視為 同一煤層開米； 當(dāng)煤層的層間距離h小于公式(3-8)的計(jì)算值h。時(shí)，視為破碎頂板； 當(dāng)下部煤層頂板的Φ 2 1，說明上部煤層開采后下部煤層頂板己經(jīng)完全損傷破壞，此類 頂板稱為破碎頂板； 當(dāng)下部煤層頂板的F X〗，且頂板厚度滿足h 2 1.5m時(shí)，說明上部煤層開采后下部煤層 頂板尚未完全損傷破壞，頂板內(nèi)部具有穩(wěn)定區(qū)域，此類頂板稱為塊裂頂板； 第四步，選擇支護(hù)方式 1、 破碎頂板的支護(hù)方式 由于該類頂板完整性遭到嚴(yán)重破壞，支護(hù)過程中沒有穩(wěn)定的層位或者穩(wěn)定的區(qū)域，無 法錨索支護(hù)，所以巷道頂板只能采用傳統(tǒng)的架棚方式進(jìn)行支護(hù)； 2、 塊裂頂板的支護(hù)方式 此類巷道頂板采用高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿配合錨索鋼梁結(jié)構(gòu)支護(hù)方式； 第五步，設(shè)計(jì)高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿配合錨索鋼梁結(jié)構(gòu) 高預(yù)緊力高強(qiáng)錨桿配合錨索鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下： 煤巷的頂板和兩幫采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)，通過高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿將巷道頂煤以 及頂板巖層加固成一個(gè)完整的組合梁;在煤巷每個(gè)支護(hù)斷面的頂板上還布置有橫向的托梁 和兩根以上的錨索，通過錨索將托梁拉緊，從而將由高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿加固而成的組合梁 懸吊??； 上述的高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿安裝在頂板時(shí)，采用直徑20mm礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錨桿長度至 少大于底板損傷深度h。加兩塊樹脂錨固劑的長度，且不低于2400mm，要求其屈服強(qiáng)度> 500MPa，抗拉強(qiáng)度> 650MPa，錨桿施加預(yù)緊力60KN以上； 上述的高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿安裝在兩幫時(shí)，采用直徑180_的礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錨桿長度 大于2000mm，要求其屈服強(qiáng)度> 500MPa，抗拉強(qiáng)度> 650MPa，錨桿施加預(yù)緊力40KN以上；要 求錨桿間距和排距均為800-1000mm; 上述的錨索采用礦用籠型錨索，錨索直徑17_18mm，錨索安裝深度應(yīng)靠近上部煤層采空 區(qū)的底部，且至少為4500mm，最大破斷力>353KN; 上述的托梁采用11#槽鋼，長度2200mm;要求托梁每隔兩排錨桿布置一根。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105825018SQ201610161579
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月18日
【發(fā)明人】馬長青, 連傳杰, 張培鵬, 鄭朋強(qiáng)
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)