CN105134287A

CN105134287A - 一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体及其构筑方法

Info

Publication number: CN105134287A
Application number: CN201510547706.4A
Authority: CN
Inventors: 石永奎; 郝建; 蒋宇静; 武继胜; 展晓元; 齐敏华; 张景煜
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN105134287B

Abstract

本发明公开了一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体及其构筑方法，其巷旁充填体下方为混凝土柱，混凝土柱上方采用具有空心砖结构形式具有让压功能的让压刚性体砌块砌筑而成。其中，让压刚性体根据巷道顶板上方老顶岩梁的数量确定层数、层叠砌筑设置，自上向下的各层让压刚性体的单向抗压强度依次递增。其技术思想主要为，当顶板上各老顶岩梁下沉过程中，通过让压刚性体被“压扁”所提供的下沉余量，形成缓冲并始终保持“刚性支撑”状态；其构筑方法简单、施工快速简便。本发明相对于现有技术，具有安全性稳定性好、工程造价低、施工方便快捷等有益效果，适于大埋深厚煤层让压留巷施工。

Description

一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体及其构筑方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿沿空留巷巷旁充填方法，尤其涉及一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体及其构筑方法，适用于大埋深厚煤层让压留巷施工。

背景技术

沿空留巷技术是煤矿开采及回采巷道支护技术的一项重大改革，它对提高煤炭源回收率、降低巷道掘进率、缓解采掘紧张关系、减少煤与瓦斯突出的概率和实现矿井集约化生产有显著效果。

在沿空留巷技术中，需要构建巷旁墙体以维护巷道，巷旁墙体的科学设计及施工是留巷成功的核心问题及关键技术。若墙体设计强度和刚度过大，墙体留设成本偏高，且在下一个工作面推进过程中，底板易产生剧烈变形，巷旁墙体上形成应力集中对下组煤的开采产生影响。若墙体刚度及强度设计过小，因不能抵抗上覆岩层的重量而产生失稳破坏。

中国专利申请CN101725368B公开了一种“厚煤层大采高工作面沿空留巷方法”，其巷旁充填体的结构形式概括为：巷旁墙体底部采用刚性墙体，顶部采用柔性让压气囊。其技术方案实质在于，在巷旁充填体顶部留下变形空间，安装柔性让压气囊，气囊提充气之后的高度等于顶板下沉量预测值；其中，气囊上安装有单向泄压阀。其技术思想为：通过在充填体的上部设置柔性让压气囊，一方面，可有效保护巷旁充填体，使巷旁墙体既能刚性支护，又能柔性让压，保证墙体稳定性；另一方面，柔性让压气囊的设置，(其顶板下方位置处的密封效果好)，可有效阻止采空区瓦斯溢出，防止瓦斯爆炸，并可阻止工作面空气进入采空区，防止采空区煤炭自燃。

但是，由于橡胶材质的让压气囊，存在价格昂贵、使用过程中，气压控制、泄压时机等具体操作上的诸多不便等缺点；更为重要的是，在矿井下这种恶劣工况条件下的使用过程中，橡胶材质的气囊易于因刮擦、刺破或材质老化等原因造成损坏或破损，造成支护失效、诱发事故，以及使用过程中维护维修运行成本居高不小等问题。

中国专利申请CN103883336A公开了一种先主动后让压支护的可调节沿空留巷墙体及其施工方法，其通过井上完成各组件的预制，在巷道内砌筑施工的方式完成。其墙体组件包括座块、升降支撑块、摩擦让压块及可缩让压块；其中，座块为凹字型结构，升降支撑块为T字型结构，升降支撑块T字型结构的水平部分在前后两个方向上的宽度大于座块在前后两个方向上的宽度；摩擦让压块形状为直角三角形；升降支撑块竖直部分的下段的两侧表面为锥面，升降支撑块T字型结构的竖直部分插入座块的凹部，下沉到位后，该锥面与摩擦块的接触面相互贴合；上述可调节沿空留巷墙体在水平方向上由若干个结构单元连接组成，每个结构单元均为长方体结构，分别由一个座块、一个升降支撑块和两个摩擦让压块组合而成；每相邻两个结构单元之间位于上述升降支撑块T字型结构的水平部分的下表面与上述座块的顶端平面之间填充有上述可缩让压块；上述可缩让压块、上述升降支撑块和上述座块之间的空隙、狭缝处均使用根据要求配制出的不同强度等级的混凝土胶凝材料填充、胶接。

但是，这种结构形式的墙体，全部采用组合式单元砌块进行砌筑，存在诸多方面的不足。主要表现为，一方面，单元砌块自身的预制量大且造价高；另一方面，其井下砌筑施工工程量大，很难进行快速施工。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体，其采用层层让压支付的技术理念进行巷旁支护，具有结构简单、让压砌块预制方便、造价相对低廉，且充填体的构筑施工方便、安全性和稳定性好，适于沿空留巷巷旁充填的快速施工等技术特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体，其特征在于，底部构筑在巷道的底板上，顶部与直接顶的下表面相接触；

所述充填体为层状结构，自下向上依次为普通混凝土墙体和若干层让压刚性体；

所述让压刚性体为空心砖结构，其内部设置若干排相互平行的通孔，各通孔的中心轴线沿工作面推进方向布置；

所述让压刚性体的层数等于老顶岩梁的数量；按自上向下的顺序，各层让压刚性体的单向抗压强度依次递增，并且：

第一层的让压刚性体的单向抗压强度大于或者等于直接顶向下的作用力，但小于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力之和；

第二层的让压刚性体的单向抗压强度大于或者等于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力之和，但小于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力、老梁第二岩梁向下的作用力三者之和；

第三层的让压刚性体的单向抗压强度大于或者等于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力、老梁第二岩梁向下的作用力三者之和，但小于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力、老梁第二岩梁向下的作用力、老梁第三岩梁向下的作用力四者之和；

依次类推，第N层的让压刚性体的单向抗压强度大于或者等于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力直至老梁第N岩梁向下的作用力之和，但小于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力直至老梁第N+1岩梁向下的作用力之和；其中，N为自然数；

所述普通混凝土墙体的单向抗压强度大于巷道顶板上方各岩层向下的作用力之和；

上述各层让压刚性体的初始高度之和A，减去其全部破损后的高度之和B，等于沿空留巷顶板可能的最大下沉量。

上述技术方案直接带来的技术效果是，采用结构简单、预制方便，且沉降量可准确预知与自动控制的空心砖结构形式的让压砌块，运用层层让压支付的技术理念进行巷旁支护，

具有结构简单、让压砌块预制方便、造价相对低廉，且充填体的构筑施工方便、安全性和稳定性好，适于沿空留巷巷旁充填的快速施工等技术特点。

上述技术方案中，让压砌块采用空心砖结构形式，当这种砌块受压至一定程度，被“压扁”(粉碎)之后，仍然可以继续发挥类似于“刚性支撑”的支撑作用，并可以有效保持其在采空区与工作面之间的“密封作用”。因而，适于沿空留巷的巷旁充填。

优选为，上述第一层的让压刚形体的高度和第二层的让压刚形体的高度分别等于其各自内部通孔的直径与通孔的排数乘积的两倍。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，各层让压刚形体的高度分别等于其各自内部通孔的直径与通孔的排数乘积的两倍，可以在充分保证各层让压刚形体具有充足的让压下沉空间的前提下，同时具备一定强度或刚度；并且，也便于加工成型。

本发明的目的之二是，提供一种上述预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体的构筑方法，其施工方法简单。

本发明为实现该目的所采用的技术方案是，一种上述的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体的构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在工作面开采之前，根据已知地质条件和通用的采场结构力学模型，计算出沿空留巷顶板可能的最大下沉量h_L；

第二步，根据工作面上覆岩层结构，确定让压刚性体的层数；并分别计算出各层让压刚性体的参数，所述参数包括单向抗压强度、孔径、孔的排数和高度；

依据所计算出的各层让压刚性体的参数，在井上完成各层让压刚性体的预制；

第三步，采煤工作面采过后，按照现有巷道充填方法进行留巷，并用金属锚杆与单体液压支柱进行顶板支护；

然后，按照现有沿空留巷方法，在巷道底板上构筑普通混凝土墙体；所述普通混凝土墙体的高度为巷道原设计高度减去各层让压刚性体高度之和；

第四步，普通混凝土墙体构筑完成后，依次砌筑各层让压刚性体，直至与直接顶接触；

第五步，撤出单体液压支柱，即可。

上述技术方案直接带来的技术效果是，让压刚性体的让压量经地质条件和采场结构力学模型推导出，保证了巷旁墙体让压后顶板可以充分沉降触矸；让压刚性体参数经岩层结构和采动条件科学制定，各让压分层可在不同老顶岩梁来压时进行分级让压，准确限制了让压的时空条件；巷旁墙体各层结构均为混凝土结构，造价低廉，各层之间的衔接方便，容易施工。

优选为，上述沿空留巷顶板下沉量的预测值h_L的计算方法如下：

h_{L} = \frac{C}{L} [h - m_{z} (K_{A} - 1)]

上式中：

h_L：顶板可能的最大下沉量，单位m；

C：巷旁充填体到老顶岩梁端部断裂线的距离，单位m；

L：老顶岩梁的跨度，单位m；

H：采高，单位m；

m_z：直接顶厚度，单位m；

K_A-采空区矸石碎涨系数，K_A＝1.3。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，顶板下沉量经地质条件和采场结构力学模型推导出，顶板可以充分沉降触矸，可以保证巷旁墙体不会承受过多的顶板重量，最大限度地保证了顶板和巷旁墙体的稳定性。为更好地理解上述技术方案，现以双岩梁结构(相应地，让压刚性体的层数为2层)为例，对各层让压刚性体的参数的计算过程进行详细的解释与说明。

第一层让压刚性体和第二层让压刚性体的参数的计算方法为：

第一层让压刚性体和第二层让压刚性体各自的单向抗压强度分别为P₁和P₂(单位均为：N)：

p₁＝σ_c(W2-n₁d₁)

p₂＝σ_c(W2-n₂d₂)

上式中：

σ_c：巷旁充填材料单轴抗压强度，单位N/m²；

W₂：巷旁充填墙体宽度，单位m；

n₁：第一层让压刚性体每一排空心孔数量；

n₂：第二层让压刚性体每一排空心孔数量；

d₁：第一层让压刚性体空心孔直径，m；

d₂：第二层让压刚性体空心孔直径，m；

根据空间的守恒原则，可计算第一层让压刚性体和第二层让压刚性体可压缩量为：

m_{1} δ_{1} = \frac{n_{1} π {(d_{1} / 2)}^{2}}{W 2}

m_{2} δ_{2} = \frac{n_{2} π {(d_{2} / 2)}^{2}}{W 2}

上式中：

m₁：第一层让压刚性体空心孔的排数；

m₂：第二层让压刚性体空心孔的排数；

δ₁：第一层让压刚性体每一排空心孔可压缩量，单位：m；

δ₂：第二层让压刚性体每一排空心孔可压缩量，单位：m；

使第一层让压刚性体单向抗压强度大于直接顶向下的作用力，而小于老顶第一岩梁裂断时，直接顶与老顶第一岩梁向下的作用力之和，即：

\frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2)}{W 2} < p_{1} = σ_{c} (W 2 - n_{1} d_{1}) < \frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + m_{E 1} \times L \times γ}{W 2}

上式中：

m_E1：老顶第一岩梁厚度，m；

W₁：巷道煤壁距离巷旁充填体距离，m；

γ：岩层平均容重，取2.5t/m。

使第二层让压刚性体抗压强度大于老顶第一岩梁裂断时，老顶第一岩梁裂断时，直接顶与老顶第一岩梁向下的作用力之和，而小于老顶第二岩梁裂断时，上方各岩层向下的作用力之和，即：

\frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + m_{E 1} \times L \times γ}{W 2} < p_{1} = σ_{c} (W 2 - n_{1} d_{1}) < \frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + (m_{E 1} + m_{E 2}) \times L \times γ}{W 2}

上式中：

m_E2：老顶第二岩梁厚度，m。

然后，使各层让压刚性体的总可缩量等于沿空留巷顶板可能的最大下沉量，即：

h_L＝m₁δ₁+m₂δ₂

由以上各参数之间的关系，确定出各层让压刚性体的材料本身的单向抗压强度σ_c、空心砖的内部通孔的孔直径d₁、d₂、、每一让压分层空心孔的排数m₁、m₂。

各层让压刚形体的高度分别以其能够容纳器内部空心孔的数量即可。

一般最好采用如下方法确定各层让压刚性体的高度：让压刚形体的高度等于其内部通孔的直径与通孔排数乘积的两倍。

即，第一、第二让压刚性体的高度分别为：2×m₁×d₁；2×m₂×d₂。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1.让压刚性体为空心砖结构，可以在老顶岩梁未来压时进行刚性支护，在老顶岩梁来压时进行破坏让压。

2.让压刚性体各参数经岩层结构和采动条件科学计算，其让压后老顶可充分触矸，保证了顶板及巷道的稳定性。

3.让压刚性体破坏让压后，仍然具有一定支撑作用，并可以有效保持其在采空区与工作面之间的“密封作用”。

4.让压刚性体可在井上预先制作，不受井下条件约束，预置构件质量容易保证。

5.巷旁墙体各部分为混凝土结构，价格低廉，施工方便，操作简单。

附图说明

图1是本发明的巷旁充填体初始状态的结构示意图；

图2是本发明的沿空留巷变形量计算模型图。

附图标记说明：1-煤层，2-留巷巷道，3-采空区，4-直接顶，5-老顶第一岩梁，6-老顶第二岩梁，7-第一让压单元，8-第二让压单元，9-底部巷旁充填体。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体，其特征在于，底部构筑在巷道的底板上，顶部与直接顶的下表面相接触；

上述充填体为层状结构，自下向上依次为普通混凝土墙体9和若干层让压刚性体7,8；

上述让压刚性体为空心砖结构，其内部设置若干排相互平行的通孔，各通孔的中心轴线沿工作面推进方向布置；

上述让压刚性体的层数等于老顶岩梁5,6的数量；按自上向下的顺序，各层让压刚性体的单向抗压强度依次递增，并且：

第一层的让压刚性体的单向抗压强度大于或者等于直接顶4向下的作用力，但小于直接顶向下的作用力与老梁第一岩梁向下的作用力之和；

上述普通混凝土墙体的单向抗压强度大于巷道顶板上方各岩层向下的作用力之和；

实施例1

下面以某矿为例，对本发明的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体的构筑方法进行举例说明。

已知地质条件：

某矿1302工作面开采第三层下煤层，一次采全高，采高厚度h＝6.2m，走向长度1600m，倾斜长度180m；

其顶板岩性从下而上依次为：粉砂岩(1.09m)，细砂岩(9.81m)，粗砂岩(17m)，细砂岩(2.45m)，粘土岩(16.12m)，细砂岩(38m)。

根据已有的矿压观测结果，1302工作面主要矿压参数如图2所示：

直接顶板4(垮落层)厚度m_z＝11m；

巷旁充填体9到老顶岩梁5端部断裂线的距离C＝6.5m；

老顶初次来压步距(即老顶岩梁5的跨度)L＝20m；

采高厚度h＝6.2m；

老顶第一岩梁厚度35m；

老顶第二岩梁厚度38m

老顶初次来压步距：55-60m；

老顶端部断裂线距离煤壁边缘1.5m。

该沿空留巷设计宽度W₁＝5.0m，墙体宽度W₂＝2m，墙体高度H＝6m。

为了提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，原设计采用巷旁充填的方式进行了沿空留巷试验作为下区段1304工作面的通风顺槽，原设计充填体宽度5m。

由于采高大，导致直接顶4厚度较大，在留巷过程中巷道受到了老顶岩梁5回转下沉带来的巨大的动压影响，致使巷旁充填体9被压坏，巷道变形严重，不能满足后续工作面通风、运输及行人的要求。

具体施工过程如下：

第一步，在工作面开采之前，根据已知地质条件建立如图2所示的通用的采场结构力学模型(图2中，1为煤层，2为沿空留巷的巷道，3为充填矸石)，并据此计算出1302工作面沿空留巷顶板可能的最大下沉量h_L；具体步骤如下：

第一步，计算沿空留巷顶板可能的最大下沉量预测值h_d：

h_{d} = \frac{C}{L} [h - m_{z} (K_{A} - 1)] = \frac{6.5}{20} [6.2 - 11 \times (1.3 - 1)] = 0.945,

取0.9m。

第二步，根据工作面上覆岩层结构，确定让压刚性体的层数为2层；并分别计算出各层让压刚性体的参数，上述参数包括单向抗压强度、孔径、孔的排数和高度；

让压刚性体的参数让压单元参数的具体计算方法如下：

按构建墙体的混凝土材料强度为10Mpa，墙体宽度为5m，每一排圆孔个数n₁定为20个，则，要求第一层让压刚性体抗压强度大于直接顶给墙体的压力，而小于老顶第一岩梁裂断时顶板给墙体的作用力，即：

\frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2)}{W 2} < p_{1} = σ_{c} (W 2 - n_{1} d_{1}) < \frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + m_{E 1} \times L \times γ}{W 2}

\frac{11 \times 2.5 \times (3 + 5)}{5} \times 0.01 < p_{1} = 10 (5 - 20 d_{1}) < \frac{11 \times 2.5 \times (3 + 5) + 35 \times 20 \times 2.5}{5} \times 0.01

则0.2303<d₁<0.2478

因此，可取d₁＝0.24m。

计算第一层让压刚性体每一排空心圆孔破坏后可压缩量为：

δ_{1} = \frac{n_{1} π {(d_{1} / 2)}^{2}}{l} = \frac{20 \times 3.14 \times {(0.24 / 2)}^{2}}{5} = 0.18 m

同理，要求第二层让压刚性体抗压强度大于老顶第一岩梁裂断时顶板给墙体的压力，而小于老顶第二岩梁裂断时顶板给墙体的压力，即：

\frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + m_{E 1} \times L \times γ}{W 2} < p_{1} = σ_{c} (W 2 - n_{1} d_{1}) < \frac{m_{z} \times γ \times (W 1 + W 2) + (m_{E 1} + m_{E 2}) \times L \times γ}{W 2}

\frac{11 \times 2.5 \times (3 + 5) + 35 \times 20 \times 2.5}{5} \times 0.01 < p_{1} = 10 \times (5 - 20 d_{2}) < \frac{11 \times 2.5 \times (3 + 5) + (35 + 38) \times 20 \times 2.5}{5} \times 0.01

则0.2303<d₂<0.2113，取d₂＝0.22m。

计算第二层让压刚性体每一排空心圆孔破坏后可压缩量为：

δ_{2} = \frac{n_{2} π {(d_{2} / 2)}^{2}}{l} = \frac{20 \times 3.14 \times {(0.22 / 2)}^{2}}{5} = 0.15 m

调整m₁和m₂使第一层让压刚性体和第二层让压刚性体总可压缩量不小于0.9m。

取m₁＝3、m₂＝3，总压缩量为：

m₁δ₁+m₂δ₂＝3×0.18+3×0.15＝0.99m＞0.9m

第一层让压刚性体高度为：2××m₁×d₁＝1.5×3×0.24＝1.08m

第二层让压刚性体高度为：2×m₂×d₂＝1.5×3×0.22＝0.99m；

然后，按照现有沿空留巷方法，在巷道底板上构筑普通混凝土墙体；上述普通混凝土墙体的高度为巷道原设计高度减去各层让压刚性体高度之和，即6m-1.08m-0.99m＝3.93m；

第五步，撤出单体液压支柱，即可。

该沿空留巷巷道在1304工作面回采期间，满足了回风、行人及材料运输的要求。

Claims

1.一种预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体，其特征在于，底部构筑在巷道的底板上，顶部与直接顶的下表面相接触；

所述充填体为层状结构，呈六面体形状，自下向上依次为普通混凝土墙体和若干层让压刚性体；

上述各层让压刚性体的初始高度之和A，减去其全部破损后的高度之和B，等于沿空留巷顶板可能的最大下沉量h_L。

2.根据权利要求1所述的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体，其特征在于，所述第一层的让压刚形体的高度和第二层的让压刚形体的高度分别等于其各自内部通孔的直径与通孔的排数乘积的两倍。

3.如权利要求1所述的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体的构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：

第五步，撤出单体液压支柱，即可。

4.根据权利要求3所述的预留变形阶段型分级让压沿空留巷巷旁充填体的构筑方法，其特征在于，所述沿空留巷顶板下沉量的预测值h_L的计算方法如下：

h_{L} = \frac{C}{L} [h - m_{z} (K_{A} - 1)]

上式中：

h_L：顶板可能的最大下沉量，单位m；

C：巷旁充填体到老顶岩梁端部断裂线的距离，单位m；

L：老顶岩梁的跨度，单位m；

H：采高，单位m；

m_z：直接顶厚度，单位m；

K_A-采空区矸石碎涨系数，K_A＝1.3。