CN103334785B - 一种沿空留巷柔性填充墙体结构及其填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷柔性填充墙体结构，包括充填墙体以及设置在所述充填墙体内部的袋装矸石和螺纹锚杆。所述袋装矸石和螺纹锚杆为多个，所述袋装矸石的铺设高度为巷道高度，所述螺纹锚杆与靠近运输巷一侧的所述袋装矸石接触并垂直埋设在巷道底板中，露出部分长为800-1200mm；相邻两个所述螺纹锚杆间的距离为450mm；在运输巷侧距离所述袋装矸石500-750mm处架设有填充墙体模板。本发明所述矸石袋外面整体充填的膏体材料，使柔性充填体加固成一个密闭的整体，与内部袋装矸石协同变形，能阻止采空区与巷道有害气体的交流。

Description

一种沿空留巷柔性填充墙体结构及其填充方法

技术领域

本发明涉及一种沿空留巷柔性充填墙体结构及其填充方法，所述柔性充填墙体结构尤其适用于坚硬顶板下中厚煤层的沿空留巷。

背景技术

煤矿采煤工作面采过以后，将原工作面上区段(或下区段)巷道保留下来，在相邻工作面开采时使用，所留巷道称为沿空留巷。采区上区段工作面采过后，沿空所留巷道，可以供下区段工作面回采时作为回风巷。

以往坚硬顶板留巷主要有两种模式：第一种模式采用充填刚性材料(σ_c≥4MPa)留巷，以“支”为主，其缺点是，刚性材料不能适应顶板运动产生的动载荷影响，使支护体易被压裂使气体泄漏甚至发火，或者巷道失稳导致留巷失败；第二种模式充填柔性材料(一般是充填碎矸)，以“护”为主，其缺点是由于没有掌握矸石承压的应力应变关系，和充填体与覆岩运动的变形协调关系，无法进行定量的支护设计，由此易造成围岩大变形乃至顶板下沉过大造成巷内冒顶，为有效避免上述问题发生，以往通常采用的爆破断顶方法，但其工序复杂，施工难度大，限制了沿空留巷的推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有巷旁充填技术的缺点，提供一种结构简单、成本低、操作简便、对工作面推采进度影响小的沿空留巷柔性充填墙体结构及填充方法。

一种沿空留巷柔性填充墙体结构，包括充填墙体以及设置在所述充填墙体内部的袋装矸石和螺纹锚杆；所述袋装矸石和螺纹锚杆为多个，所述袋装矸石的铺设高度为巷道高度，所述螺纹锚杆与靠近运输巷一侧的所述袋装矸石接触并垂直埋设在巷道底板中。接触可以直接阻止所述袋装矸石横向偏移，留有间距的话达不到这个要求，所述锚杆垂直打入底板，借助这个阻力，阻止坚硬顶板弯曲下层对沿空留巷墙体的横向推移，现在技术在坚硬顶板下容易整体偏移。

本发明所述沿空留巷柔性填充墙体结构，其中单个所述袋装矸石的尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm，其内部的矸石粒径小于20mm；所述螺纹锚杆露出底板部分长为800-1200mm；相邻两个所述螺纹锚杆间的距离为450mm；在运输巷侧距离所述袋装矸石500-750mm处架设有填充墙体模板。所述螺纹锚杆露出部分长为800-1200mm，保证螺纹锚杆对矸石袋有一定的阻力范围，螺纹锚杆太长所受扭矩太大，易折断；相邻两个所述螺纹锚杆间的距离为450mm，使每个所述螺纹锚杆刚好处在每个最底层袋装矸石的中间部位，对所述袋装矸石侧向阻力均衡有效；在运输巷侧距离所述袋装矸石500-750mm处架设有填充墙体模板，通过所述模板充填膏体材料形成填充墙体，所述袋装矸石和所述螺纹锚杆之间没有胶结性，留有一定空间在螺纹锚杆与袋装矸石外围充填膏体材料，使其形成整体性能，发挥充填墙体的作用，500-750mm是根据充填材料和富裕系数计算得出，太少达不到要求，太多则浪费成本。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体结构，其中所述袋装矸石的铺设宽度由侧向覆岩结构模型受力平衡公式确定，即：

$W=4L_m+\frac{4R}{q}-2B-2C$

其中。L_m为直接顶总悬梁长度，一般为实测值，单位：m；R为支护阻力，单位：KN；q为充填体静载荷，单位：Mpa；B为巷道宽度，C为预留巷道片帮距离，单位：m；

充填体静载荷q由原岩应力公式确定，即：

q＝γH cosθ

γ为顶板岩层容重，单位：kN/m³；H为下位直接顶厚度，单位：m；θ为顶板倾角，其值与现场相关。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体结构，其中单个所述矸石袋需装满矸石，确保装满矸石的袋子尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm，其内部的矸石粒径小于20mm。本发明所述最佳装袋尺度的袋装矸石具有很好的抑制沉降作用，即产生很小的竖向位移需要很大的压缩应力，即使矸石袋被破坏，矸石体仍能承受很大压缩应力，能很好适应坚硬顶板因回转下沉带来的动载荷影响。

所述充填墙体包括砂子、水泥、煤矿专用充填速凝固化胶固粉，其优点在于快速固化，与袋装矸石形成整体性，提供有效初撑力，不影响工作面正常推采进度。

一种沿空留巷填充墙体方法，包括如下步骤：

(1)将矸石破碎成粒径小于20mm的矸石块，装入编织袋中形成袋装矸石；

(2)铺设袋装矸石；

(3)垂直向底板打一排螺纹锚杆，所述螺纹锚杆与离巷道侧面较近一侧的所述袋装矸石接触；

(4)在螺纹锚杆距非袋装矸石的巷道一侧500-750mm处架设充填墙体模板，向所述模板内进行膏体高压充填，柔性充填体加固成一个密闭的整体；

(5)凝固后拆除所述模板，完成一垛充填墙体充填过程；

(6)按照推采进度，重复上述步骤，完成整条巷道的沿空留巷充填工作，形成适应坚硬顶板的柔性充填墙体结构。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体方法，其中所述袋装矸石的铺设总高度为巷道高度，铺设矸石袋总宽度由侧向覆岩结构模型受力平衡公式确定，即：

$W=4L_m+\frac{4R}{q}-2B-2C$

其中，L_m为直接顶总悬梁长度，一般为实测值，单位：m；R为支护阻力，单位：KN；q为充填体静载荷，单位：Mpa；B为巷道宽度，C为预留巷道片帮距离，单位：m；充填体静载荷q由原岩应力公式确定，即：

q＝γH cosθ

γ为顶板岩层容重，单位：kN/m³；H为下位直接顶厚度，单位：m；θ为顶板倾角，其值与现场相关。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体方法，其中步骤(1)中单个所述袋装矸石的尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体方法，其中步骤(2)中相邻两个所述锚杆之间的距离为450mm，所述锚杆露出部分长为800-1200mm。

本发明所述的沿空留巷柔性填充墙体结构与现有技术不同之处在于本发明所述填充墙体结构简单，本发明所述袋装矸石具有很好的抑制沉降作用，即产生很小的竖向位移需要很大的压缩应力，即使矸石袋被破坏，矸石体仍能承受很大压缩应力，能很好适应坚硬顶板因回转下沉带来的动载荷影响；所述袋装矸石骨料使用的是废料矸石，充填成本为原来充填方法的1/3到2/3，既克服矸石占地和污染环境的缺点，又达到变废为宝、节能减排的效果；本发明中一排打入底板的穿墙锚杆与充填墙体形成一个整体，能形成很大抗剪力，防止充填体受坚硬顶板回转带来的侧向应力使整体侧向偏移。

本发明中，所述螺纹锚杆与靠近运输巷一侧的所述袋装矸石接触并垂直埋设在巷道底板中，接触可以直接阻止所述袋装矸石横向偏移，留有间距的话达不到这个要求，垂直打入底板，所述螺纹锚杆露出部分长为800-1200mm，保证螺纹锚杆对矸石袋有一定的阻力范围，螺纹锚杆太长所受扭矩太大，易折断；所述锚杆垂直打入底板，借助这个阻力，阻止坚硬顶板弯曲下层对沿空留巷墙体的横向推移，现在技术在坚硬顶板下容易整体偏移；相邻两个所述螺纹锚杆间的距离为450mm，使每个所述螺纹锚杆刚好处在每个最底层袋装矸石的中间部位，对所述袋装矸石侧向阻力均衡有效；在运输巷侧距离所述矸石袋500-750mm处架设有填充墙体模板，通过所述模板充填膏体材料形成填充墙体，所述袋装矸石和所述螺纹锚杆之间没有胶结性，留有一定空间在螺纹锚杆与矸石袋外围充填膏体材料，使其形成整体性能，发挥充填墙体的作用，500-750mm是根据充填材料和富裕系数计算得出，太少达不到要求，太多则浪费成本。本发明所述矸石袋外面整体充填的膏体材料，使柔性充填体加固成一个密闭的整体，与内部袋装矸石协同变形，能阻止采空区与巷道有害气体的交流。

本发明还提供了一种沿空留巷填充墙体填充方法，所述方法成本低、工艺简单、简便易行。

下面结合附图对本发明的沿空留巷柔性填充墙体结构及其填充方法作进一步说明。

附图说明

图1为沿空留巷中本发明所述柔性填充墙体的位置示意图；

图2为本发明所述柔性填充墙体的俯视图；

图3为本发明所述柔性填充墙体的正视图；

图4为图3的右视图；

图5为本发明所述柔性填充墙体的立体图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图5所示，本发明所述沿空留巷柔性填充墙体结构，包括充填墙体8以及设置在所述充填墙体8内部的袋装矸石7和螺纹锚杆9。所述充填墙体位于回风巷1和运输巷5之间的本工作面采空区4靠近运输巷5的位置，上工作面煤体3和本工作面煤体2之间的巷道为回风巷1，下工作面煤体6和本工作面煤体2之间的巷道为运输巷5。所述袋装矸石7和螺纹锚杆9为多个，所述袋装矸石7的铺设高度为巷道高度，所述螺纹锚杆9与靠近运输巷5巷道一侧的所述袋装矸石7接触并垂直埋设在巷道底板11中。

实施例2

在实施例1的基础上，单个所述袋装矸石7的尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm，其内部的矸石粒径小于20mm；所述螺纹锚杆的露出部分长为800-1200mm；多个所述螺纹锚杆9间的距离为450mm，每个所述螺纹锚杆刚好处在每个最底层袋装矸石的中间部位；在运输巷5侧距离所述袋装矸石7为500-750mm处架设有填充墙体模板10；所述充填墙体8包括砂子、水泥、煤矿专用充填速凝固化胶固粉。

所述袋装矸石7的铺设宽度由侧向覆岩结构模型受力平衡公式确定，即：

$W=4L_m+\frac{4R}{q}-2B-2C$

其中，L_m为直接顶总悬梁长度，一般为实测值，单位：m；R为支护阻力，单位：KN；q为充填体静载荷，单位：Mpa；B为巷道宽度，C为预留巷道片帮距离，单位：m；充填体静载荷q由原岩应力公式确定，即：

q＝γH cosθ

γ为顶板岩层容重，单位：kN/m³；H为下位直接顶厚度，单位：m；θ为顶板倾角，其值与现场相关。

本实施例中具体L_m＝7.2m，R＝820KN，γ＝2.7*10⁴kN/m3，H＝6.0m，θ＝15°，B＝3m，C＝0.2m；

得出W＝1.9m，即矸石袋铺设宽度约为1.9m，外加膏石充填厚度0.5m，即整个充填墙体结构宽度达到2.4m即可满足现场需求。

本实施例中，所述螺纹锚杆的露出部分长为800mm，还可根据需要调整为900mm或1200mm；在运输巷5侧距离所述袋装矸石7为500mm处架设有填充墙体模板10，还可根据需要调整为600mm或750mm。

实施例3

一种沿空留巷柔性填充墙体方法，包括如下步骤：

(1)首先井下矸石直接经皮带输送机运送到井下破碎硐室破碎后，形成适宜粒径小于20mm的矸石，将所形成的矸石装入尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm的编织袋中；

(2)将袋装矸石7沿采空区堆砌，各层之间交错铺设充填进行巷旁支护，形成初步的充填墙体骨架；

(3)在完成上述步骤后，在袋装矸石7靠近运输巷5的巷道侧位置打一排穿墙螺纹锚杆9，所述螺纹锚杆的露出部分长为800-1200mm，相邻两个所述螺纹锚杆9间距为450mm，每个所述螺纹锚杆刚好处在每个最底层袋装矸石的中间部位；

(4)在完成上述步骤后，在螺纹锚杆9距靠近运输巷5的巷道侧500-750mm处架设充填墙体模板10。向所述充填墙体模板10内进行膏体高压充填；凝固后拆除所述充填墙体模板10，完成一垛充填墙体充填过程；

(5)按照推采进度，重复上述步骤，完成整条巷道的沿空留巷充填工作，形成适应坚硬顶板的柔性充填墙体结构。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种沿空留巷柔性填充墙体结构，其特征在于：包括充填墙体以及设置在所述充填墙体内部的袋装矸石和螺纹锚杆；所述袋装矸石和螺纹锚杆为多个，所述袋装矸石的铺设高度为巷道高度，所述螺纹锚杆与靠近运输巷一侧的所述袋装矸石接触并垂直埋设在巷道底板中；

所述袋装矸石的铺设宽度由侧向覆岩结构模型受力平衡公式确定，即：

$W=4L_m+\frac{4R}{q}-2B-2C$

其中，L_m为直接顶总悬梁长度，为实测值，单位：m；R为支护阻力，单位：KN；q为充填体静载荷，单位：Mpa；B为巷道宽度，C为预留巷道片帮距离，单位：m；

充填体静载荷q由原岩应力公式确定，即：

q＝γHcosθ

γ为顶板岩层容重，单位：kN/m³；H为下位直接顶厚度，单位：m；θ为顶板倾角，单位：度。

2.根据权利要求1所述的沿空留巷柔性填充墙体结构，其特征在于：单个所述袋装矸石的尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm，其内部的矸石粒径小于20mm；所述螺纹锚杆露出底板部分长为800-1200mm；相邻两个所述螺纹锚杆间的距离为450mm，每个所述螺纹锚杆刚好处在每个最底层袋装矸石的中间部位；在运输巷侧距离所述袋装矸石500-750mm处架设有填充墙体模板。

3.根据权利要求1所述的沿空留巷柔性填充墙体结构，其特征在于：所述充填墙体包括砂子、水泥、煤矿专用充填速凝固化胶固粉。

4.一种沿空留巷柔性填充墙体方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将矸石破碎成粒径小于20mm的矸石块，装入编织袋中形成袋装矸石；

(2)铺设袋装矸石；

(3)垂直向底板打一排螺纹锚杆，所述螺纹锚杆与靠近运输巷一侧的所述袋装矸石接触；

(4)在运输巷侧距离所述螺纹锚杆500-750mm处架设充填墙体模板，向所述充填墙体模板内进行膏体高压充填，柔性充填体加固成一个密闭的整体；

(5)凝固后拆除所述充填墙体模板，完成一垛充填墙体充填过程；

(6)按照推采进度，重复上述步骤，完成整条巷道的沿空留巷充填工作，形成适应坚硬顶板的柔性充填墙体结构；

所述袋装矸石的铺设总高度为巷道高度，铺设矸石袋总宽度由侧向覆岩结构模型受力平衡公式确定，即：

$W=4L_m+\frac{4R}{q}-2B-2C$

其中，L_m为直接顶总悬梁长度，为实测值，单位：m；R为支护阻力，单位：KN；q为充填体静载荷，单位：Mpa；B为巷道宽度，C为预留巷道片帮距离，单位：m；充填体静载荷q由原岩应力公式确定，即：

q＝γHcosθ

γ为顶板岩层容重，单位：kN/m³；H为下位直接顶厚度，单位：m；θ为顶板倾角，单位：度。

5.根据权利要求4所述的沿空留巷柔性填充墙体方法，其特征在于：步骤(1)中单个所述袋装矸石的尺寸为长*宽*高＝450mm*450mm*150mm。

6.根据权利要求5所述的沿空留巷柔性填充墙体方法，其特征在于：步骤(2)中相邻两个所述螺纹锚杆之间的距离为450mm，所述螺纹锚杆露出部分长为800-1200mm。