CN105298523A - 一种回采巷道顶板层次控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回采巷道顶板层次控制方法，将巷道冒顶控制分为四个层次：辅助支护材料防止表层顶板碎岩掉落；高密度普通长度锚杆控制浅部顶板危岩坠落与局部漏顶；高延伸性能接长锚杆或中长锚索维护顶板塑性区内围岩整体稳定，防止塑性区围岩恶性扩展和顶板大块度冒顶；长锚索控制掘进时的深部层位顶板大范围失稳垮塌，同时对塑性区内围岩形成再次补强。并提供了高延伸性能接长锚杆或中长锚索、长锚索的主要支护参数确定方法。同时，该方法可采用分次支护形式，可有效保障巷道顶板安全、提高成巷速度，对保证矿井生产的安全高效具有重要意义。

Description

一种回采巷道顶板层次控制方法

技术领域

本发明属于巷道围岩控制领域，具体的说涉及一种回采巷道顶板层次控制方法，可对巷道冒顶形成系统有效的控制，同时提高成巷速度。

背景技术

由于巷道冒顶隐患的隐蔽性、冒顶的突发性和高度危险性，现场不得不采用过度支护来预防冒顶事故，即便如此，仍不能有效杜绝巷道冒顶事故的发生。巷道冒顶实质上是由巷道顶板的大范围塑性破坏引起的，这种大范围的塑性破坏普遍伴有巨大的膨胀压力和强烈变形，支护难度极大，随着煤矿开采深度的不断增加，回采巷道受工作面开采扰动影响，一般处于高偏应力环境下，其围岩塑性区边界不在是常规的圆形、椭圆形，而是呈现蝶叶形特征，顶板塑性破坏深度一般较大，采用常规单一或简单层次的支护难以对此类巷道的冒顶形成有效控制，同时严重影响了巷道成巷速度，需要针对这种回采巷道顶板破坏特征，提出针对性顶板控制方法。本发明提供一种回采巷道顶板层次控制方法，可对巷道冒顶形成系统有效的控制，同时提高成巷速度，对保证矿井生产的安全高效具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种回采巷道顶板层次控制方法，该方法针对这种回采巷道不同层位顶板破坏特征，采用四个层次的针对性支护防止巷道冒顶。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种回采巷道顶板层次控制方法，将巷道冒顶控制分为四个层次：首先，第一层次和第二层次的支护分别为辅助支护材料防止表层顶板碎岩掉落、高密度普通长度锚杆控制浅部顶板危岩坠落与局部漏顶，由于回采巷道浅部顶板受塑性区围岩膨胀、变形的影响，其最典型的特征就是破碎程度较大，巷道浅部顶板围岩的控制关键在于足够的普通长度锚杆支护密度防止顶板小型冒顶，并配以合适的辅助材料防止破碎岩块掉落，具体支护设计时，辅助支护材料应能将破碎的顶板“兜吊”住。第三层次的支护是顶板得以稳定的关键，由于顶板塑性破坏过程中伴随着强烈变形和巨大压力，采用高强支护难以形成有效控制，需采用高延伸性能接长锚杆或中长锚索维护顶板塑性区内围岩整体稳定，防止塑性区围岩恶性扩展和顶板大块度冒顶。第四层次的支护主要针对巷道掘进时遇到断层破碎带、应力异常区、大型锅底矸等围岩异常变化区域的情况，这类情况极易出现顶板的大范围垮塌，需采用长锚索控制掘进时的深部层位顶板大范围失稳垮塌，同时塑性区内围岩形成再次补强。

一种回采巷道顶板层次控制方法，其高延伸性能接长锚杆或中长锚索的长度应大于顶板最大塑性区深度的1.2倍以上，以保证高延伸性能接长锚杆或中长锚索具有足够的锚固长度，其顶板最大塑性区深度确定方法如下式(1)所示。

其中:

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}{6}+\frac{\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+4{{\mathrm{\τ}}^2}_{r\mathrm{\θ}}}}{2}\\ s_3=\frac{{\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}{6}-\frac{\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+4{{\mathrm{\τ}}^2}_{r\mathrm{\θ}}}}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[\begin{array}{cc}(1+\mathrm{\λ})(1-\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2})+(\mathrm{\λ}-1)(1-4\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2}+3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})\cos & 2\mathrm{\θ}\end{array}\]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[\begin{array}{cc}(1+\mathrm{\λ})(1+\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2})-(\mathrm{\λ}-1)(1+3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})\cos & 2\mathrm{\θ}\end{array}\]\\ {\mathrm{\τ}}_{r\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[\begin{array}{cc}(\mathrm{\λ}-1)(1+2\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2}-3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})\sin & 2\mathrm{\θ}\end{array}\]\end{array}\right.$

$a=\frac{\sqrt{m_1^2+m_2^2}}{2}$

式中，R_θ为顶板最大塑性区深度，m；σ_θ、σ_r、τ_rθ分别为围岩中任意点的径向应力、环向应力和剪应力，MPa；s₁、s₃为最大、最小主偏应力，MPa；r、θ为任一点的极坐标；C为围岩内聚力，MPa；为围岩内摩擦角，°；R_θ为径向塑性区深度，m；H为巷道埋深，m；a为巷道等效半径，m；γ为围岩体积力，KN/m³；λ为主应力比值(σ₁/σ₃)，取值范围为2～4；m₁为巷道宽度，m；m₂为巷道高度，m。

一种回采巷道顶板层次控制方法，其长锚索长度应大于深部层位顶板大范围垮塌隐患深度的1.2倍以上，以保证长锚索具有足够的锚固长度，长锚索支护应能承担深部层位顶板大范围垮塌隐患边界以内的岩石重量，长锚索的有效长度与承载力应满足式(2)的要求。

$\left\{\begin{array}{c}{l}_2>\frac{b}{f}k\\ N>{\mathrm{\γh}}_0{m}_1\[1-\frac{1}{3}{\left(\frac{m_1}{2b}\right)}^2\]S_1{S}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中:

$h_0=\frac{b}{f}$

式中，l₂为长锚索的有效长度，m；m₁为巷道宽度，m；m₂为巷道高度，m；为围岩内摩擦角，°；f为顶板岩石普氏系数；k为安全系数，k>1.2；N为锚索承载力，KN；γ为围岩体积力，KN/m³；h₀为普氏冒落拱高度，m；b为冒落拱滑动楔形半宽，m；S₁、S₂为锚索间距、排距，m。

一种回采巷道顶板层次控制方法，顶板可采用分次支护形式，辅助支护材料、高密度普通长度锚杆、长锚索等三个层次的支护应在巷道掘进时进行，高延伸性能长锚杆或中长锚索支护可滞后进行，由于巷道顶板的塑性破坏主要在采动影响期间形成，其支护时机可选择在巷道掘进后至采动影响前。

本发明的有益效果：

此种回采巷道顶板层次控制方法，针对这种回采巷道不同层位顶板破坏特征与控制要点，进行四个层次的顶板支护，对每个层位顶板均进行针对性控制，可有效保障巷道顶板安全。

此种回采巷道顶板层次控制方法，可采用分次支护形式，可大幅提高成巷速度，降低巷道综合支护成本，缓解紧张的采掘接替关系。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是采动影响期间回采巷道顶板层次控制示意图。

图2是掘进期间回采巷道顶板支护示意图。

图3是回采工作面巷道布置示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3对本发明进行说明，一种回采巷道顶板层次控制方法，将巷道冒顶控制分为四个层次(1、2、3、4)：辅助支护材料8防止表层顶板碎岩掉落；高密度普通长度锚杆7控制浅部顶板危岩坠落与局部漏顶；高延伸性能接长锚杆6或中长锚索6维护顶板塑性区内围岩整体稳定，防止塑性区围岩恶性扩展和顶板大块度冒顶；长锚索5控制掘进时的深部层位顶板大范围失稳垮塌，同时对塑性区内围岩形成再次补强。高延伸性能接长锚杆6或中长锚索6的长度应大于顶板最大塑性区深度的1.2倍以上，以保证高延伸性能接长锚杆6或中长锚索6具有足够的锚固长度，其顶板最大塑性区深度确定方法如下式(1)所示，根据巷道埋深H、围岩体积力γ、主应力比值λ、围岩内聚力C、围岩内摩擦角巷道宽度m₁、巷道高度m₂等指标，即可绘制出巷道围岩塑性区边界9，得到顶板最大塑性区深度R_θ，。其长锚索5长度应大于深部层位顶板大范围垮塌隐患深度的1.2倍以上，以保证长锚索5具有足够的锚固长度，长锚索5支护应能承担深部层位顶板大范围垮塌隐患边界10以内的岩石重量，长锚索5的有效长度与承载力应满足式(2)的要求，根据顶板岩石普氏系数f、围岩体积力γ、锚索间距S₁、锚索排距S₂、安全系数k、巷道宽度m₁、巷道高度m₂等指标，即可得到长锚索5的有效长度l₂、锚索承载力N。

此种回采巷道顶板层次控制方法，顶板可采用分次支护形式，辅助支护材料8、高密度普通长度锚杆7、长锚索5等三个层次(1、3、4)的支护应在巷道掘进时进行，即在掘进巷道14的掘进工作面15进行，高延伸性能长锚杆6或中长锚索6支护可滞后进行，由于巷道掘进时，顶板塑性破坏边界11范围较小，大范围的顶板塑性破坏边界9主要在采动影响期间形成，其支护时机可选择在巷道掘进后至采动影响前，以保证下一个接替工作面的回风巷道12、运输巷道13为四个层次的支护，这样可大幅提高成巷速度，降低巷道综合支护成本，缓解紧张的采掘接替关系。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种回采巷道顶板层次控制方法，其特征在于巷道冒顶控制分为四个层次：辅助支护材料防止表层顶板碎岩掉落；高密度普通长度锚杆控制浅部顶板危岩坠落与局部漏顶；高延伸性能接长锚杆或中长锚索维护顶板塑性区内围岩整体稳定，防止塑性区围岩恶性扩展和顶板大块度冒顶；长锚索控制掘进时的深部层位顶板大范围失稳垮塌，同时对塑性区内围岩形成再次补强。

2.一种回采巷道顶板层次控制方法，其特征在于高延伸性能接长锚杆或中长锚索的长度应大于顶板最大塑性区深度的1.2倍以上，其顶板最大塑性区深度确定方法如下式所示：

其中:

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}{6}+\frac{\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+4{{\mathrm{\τ}}^2}_{r\mathrm{\θ}}}}{2}\\ s_3=\frac{{\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}{6}-\frac{\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+4{{\mathrm{\τ}}^2}_{r\mathrm{\θ}}}}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[(1+\mathrm{\λ})(1-\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2})+(\mathrm{\λ}-1)(1-4\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2}+3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})cos2\mathrm{\θ}\]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[(1+\mathrm{\λ})(1+\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2})-(\mathrm{\λ}-1)(1+3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})\cos 2\mathrm{\θ}\]\\ {\mathrm{\τ}}_{r\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\γ}H}{2}\[(\mathrm{\λ}-1)(1+2\frac{a^2}{{R_{\mathrm{\θ}}}^2}-3\frac{a^4}{{R_{\mathrm{\θ}}}^4})\sin 2\mathrm{\θ}\]\end{array}\right.$

$a=\frac{\sqrt{m_1^2+m_2^2}}{2}$

式中，R_θ为顶板最大塑性区深度，m；σ_θ、σ_r、τ_rθ分别为围岩中任意点的径向应力、环向应力和剪应力，MPa；s₁、s₃为最大、最小主偏应力，MPa；r、θ为任一点的极坐标；C为围岩内聚力，MPa；为围岩内摩擦角，°；R_θ为径向塑性区深度，m；H为巷道埋深，m；a为巷道等效半径，m；γ为围岩体积力，KN/m³；λ为主应力比值(σ₁/σ₃)，取值范围为2～4；m₁为巷道宽度，m；m₂为巷道高度，m。

3.一种回采巷道顶板层次控制方法，其特征在于长锚索长度应大于深部层位顶板大范围垮塌隐患深度的1.2倍以上，长锚索支护应能承担深部层位顶板大范围垮塌隐患边界以内的岩石重量，具体如下：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_2>\frac{b}{f}k\\ N>\mathrm{\γ}{h}_0{m}_1\[1-\frac{1}{3}{\left(\frac{m_1}{2b}\right)}^2\]S_1{S}_2\end{array}\right.$

其中:

$h_0=\frac{b}{f}$

式中，l₂为长锚索的有效长度，m；m₁为巷道宽度，m；m₂为巷道高度，m；为围岩内摩擦角，°；f为顶板岩石普氏系数；k为安全系数，k>1.2；N为锚索承载力，KN；γ为围岩体积力，KN/m³；h₀为普氏冒落拱高度，m；b为冒落拱滑动楔形半宽，m；S₁、S₂为锚索间距、排距，m。

4.一种回采巷道顶板层次控制方法，其特征在于顶板可采用分次支护形式，辅助支护材料、高密度普通长度锚杆、长锚索等三个层次的支护应在巷道掘进时进行，高延伸性能长锚杆或中长锚索支护可滞后进行，由于巷道顶板的塑性破坏主要在采动影响期间形成，其支护时机可选择在巷道掘进后至采动影响前。