CN108661665B - 一种小煤柱沿空巷道支护结构及其支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，特别涉及一种小煤柱沿空巷道支护结构及其支护方法，其中支护结构包括实体煤帮支护单元和小煤柱煤帮支护单元；实体煤帮支护单元包括多个实体煤帮锚杆和多个实体煤帮锚索；小煤柱煤帮支护单元包括多个小煤柱煤帮锚杆、弓形网架以及多个巷道顶板锚杆。还涉及一种支护方法，首先将小煤柱一侧的巷道壁掘成弧顶向外的曲边，将实体煤一侧巷道壁掘成直立墙壁，然后制备弓形钢筋网架，再在弓形钢筋网架的外侧，制作一个与网架匹配的密封袋，最后用泵向密封袋内填充充填体。本发明结构简单易制作，并且支护方法也渐变，降低了企业生产成本，应用前景更广。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，具体地说涉及一种小煤柱沿空巷道支护结构及其支护方法。
背景技术
由于无煤柱护巷技术既能提高采区资源回收率，又能降低巷道维护难度和成本，因此在世界各国都开展了研究。其中，沿空掘巷的应力环境和维护条件均优于沿空留巷。而采用沿空掘巷维护巷道时，巷道周围煤体的稳定性是保证工作安全的重要因素。留小煤柱沿空掘巷，一般位于相邻工作面回采后侧向残余支承压力区，巷道掘进时受到侧向支承压力的二次扰动，在本工作面开采时，还会受到来自本工作面强烈的采动影响，塑性破坏程度大。
现有支护方法的首要技术支撑是确定沿空煤柱的合理尺寸，用足够的煤柱宽度确保其自身稳定性和对巷道顶板的支撑，因而，煤柱尺寸的不同对巷道围岩应力状态和围岩完整性的影响较为显著。而且，现有的小煤柱沿空掘巷技术要求煤层本身必须要有一定的强度，顶板整体性和稳定性必须较高。因此，对于在煤层软弱，顶板破碎的条件，就需要留设较大尺寸的沿空煤柱，否则，巷道变形破坏相当严重，影响巷道的安全生产。
发明内容
针对现有技术的种种不足，发明人在长期实践中研究设计出一种小煤柱沿空巷道支护结构及其支护方法，只需要在沿空巷道里留设小煤柱支撑，提高了煤矿开采效率，提高了企业经济效益。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小煤柱沿空巷道支护结构，包括实体煤帮支护单元和小煤柱煤帮支护单元。所述实体煤帮支护单元包括多个实体煤帮锚杆和多个实体煤帮锚索；所述实体煤帮锚杆和实体煤帮锚索相互之间不连接；所述小煤柱煤帮支护单元包括多个小煤柱煤帮锚杆、弓形网架以及多个巷道顶板锚杆；所述小煤柱煤帮锚杆与弓形网架的中下部连接，巷道顶板锚杆设置在弓形网架的顶部；所述弓形网架包括架力钢筋、受力钢筋、垂直箍筋以及斜拉箍筋；所述斜拉箍筋的一端与架力钢筋连接，另一端与受力钢筋连接；每四个所述垂直箍筋相互首尾相连构成一个梯形；所述架力钢筋设置在弓形网架左边网面上；所述受力钢筋设置在弓形网架右边网面上；所述架力钢筋与垂直箍筋相互垂直设置；所述受力钢筋与垂直箍筋相互垂直设置。
进一步地，所述斜拉箍筋与架力钢筋焊接连接，斜拉箍筋与受力钢筋焊接连接。
进一步地，所述架力钢筋有4根，所述受力钢筋有2根。
进一步地，所述弓形网架为混凝土钢筋网架，由箍筋焊接而成，网架上有数个网格。
进一步地，在所述弓形网架的外侧，设置有将弓形网架套住的密封袋。
进一步地，所述密封袋为柔性模袋，密封袋上设有拉丝，密封袋内填充有充填体。
进一步地，所述小煤柱煤帮锚杆尾部设有小煤柱煤帮锚杆托盘，巷道顶板锚杆的尾部设有巷道顶板锚杆托盘，托盘的尺寸均大于所述弓形网架的网格的尺寸。
本发明还提供一种小煤柱沿空巷道支护方法，包括以下步骤：
S1、在施工特厚煤层松软顶板下的小煤柱沿空巷道时，将小煤柱和松软破碎顶板一侧的巷道壁掘成弧顶向外的曲边，同时将实体煤一侧巷道壁掘成直立墙壁；
S2、根据松软破碎顶板下沉压力和小煤柱扩容产生的水平挤压力，分别确定弓形钢筋网架的顶部、腿部和中间弯曲部位横断面尺寸大小以及配筋型号，制备弓形钢筋网架，其肩部抵靠在实体煤帮上，底部紧贴巷道底板；
S3、在弓形钢筋网架的外侧，制作一个与网架匹配的密封袋；
S4、采用泵向密封袋内填充充填体。
进一步地，所述步骤S2中弓形网架，在弓形钢筋网架的肩部制作一个增大受力面的靠肩，在网架腿底部制作一个增大受力面的扩脚。
进一步地，所述步骤S3中的密封袋为柔性模袋，将弓形钢筋网架套在柔性模袋之中，然后用缝制在柔性模袋上的拉丝将柔性模袋口封住；所述步骤S4中的充填体为混凝土。
本发明的有益效果是：
(1)采用实体煤帮支护和小煤柱煤帮支护相结合设计，并且将弓形网架的网面利用锚杆完全贴合在小煤柱煤帮和巷道顶板的煤壁上，同时，利用弓形网架的靠肩紧靠实体煤帮以及利用弓形网架的扩脚紧贴巷道底板，给网架以有效支撑，可以使弓形网架为小煤柱煤帮和巷道顶板提供可靠的支撑力，防止小煤柱煤帮和巷道顶板垮塌，降低了生产风险，提高了企业的经济效益。
(2)通过对小煤柱沿空巷道的松软破碎顶板载荷与小煤柱扩容水平挤压力的计算，合理设计弓形钢筋网架的形式和参数，对巷道围岩进行有效支撑，并且在弓形网架外套一层密封袋，向内注入混凝土制成混凝土弓形钢筋网架，有效提高了网架对煤帮的支撑力，并且充填方法简单，降低支护成本，应用前景更广。
附图说明
图1是本发明的小煤柱沿空巷道支护结构的整体示意图；
图2是本发明的弓形网架的结构示意图；
图3是本发明弓形网架A-A剖面的示意图；
图4是本发明弓形网架B-B剖面的示意图。
附图中：10-实体煤帮支护单元、20-小煤柱煤帮支护单元、11-实体煤帮锚杆、12-实体煤帮锚索、21-小煤柱煤帮锚杆、211-小煤柱煤帮锚杆托盘、22-弓形网架、23-巷道顶板锚杆、231-顶板锚杆托盘、221-架力钢筋、222-受力钢筋、223-垂直箍筋、224-斜拉箍筋、225-密封袋、226-扩脚、227-靠肩、30-小煤柱沿空巷道、40-充填体、50-松软破碎顶板、60-矸石、70-周围煤体。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施方式中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，是本发明的小煤柱沿空巷道支护结构的整体示意图，图中左边是采空区，填充有矸石60替代原有的煤体，中间部分的上面是松软破碎顶板50，下面是小煤柱沿空巷道30，右边部分的上面也是松软破碎顶板50，下面是沿空巷道的周围煤体70。
本发明实施例提供的小煤柱沿空巷道支护结构，分别设置在中间部分沿空巷道内和周围煤体70处，包括实体煤帮支护单元10和小煤柱煤帮支护单元20两个部分。
实体煤帮支护单元10包括多个实体煤帮锚杆11和多个实体煤帮锚索12，实体煤帮锚杆11比实体煤帮锚索12短，实体煤帮锚杆11和实体煤帮锚索12分散插入沿空巷道的周围煤体70内，并且相互之间不连接。实体煤帮锚杆11和实体煤帮锚索12插入煤体内形成的角度，需要根据具体实施时的情况确定。将实体煤帮锚杆11和实体煤帮锚索12配合插入煤体后，用来承受煤体内部的重力或由于湿度温度变化时产生的应力，进而紧固住沿空巷道周围的煤体，防止煤体垮塌或散落造成不必要的事故。
参见图1～图4，小煤柱煤帮支护单元20包括多个小煤柱煤帮锚杆21、弓形网架22以及多个巷道顶板锚杆23。小煤柱煤帮锚杆21与弓形网架22的中下部连接，巷道顶板锚杆23设置在弓形网架22的顶部。弓形网架22为混凝土钢筋网架，由箍筋焊接而成，网架上有数个网格，均匀分布在整个网面上。在小煤柱煤帮锚杆21的尾部设有小煤柱煤帮锚杆托盘211，同样，在巷道顶板锚杆23的尾部设有巷道顶板锚杆托盘231，托盘的尺寸均大于弓形网架22的网格的尺寸。将锚杆的前端插入煤体内，锚杆尾部的托盘卡在网格上，这样，小煤柱煤帮锚杆21和巷道顶板锚杆23的一端就固定在了弓形网架22上，而由于另一端插入煤体内，因此也将弓形网架22的网面压紧在煤壁上，从而贴紧小煤柱煤体和巷道顶板，以抵抗顶板上部松软破碎顶板50的下沉压力和小煤柱扩容产生的水平挤压力。
弓形网架22包括架力钢筋221、受力钢筋222、垂直箍筋223以及斜拉箍筋224。斜拉箍筋224的一端与架力钢筋221连接，另一端与受力钢筋222连接，本实施例中最优的连接方式为焊接连接。垂直箍筋223在弓形网架22内从上到下均匀设置，由图3和图4两个剖面图可以看出，每四个垂直箍筋223相互首尾相连构成一个梯形，优选的连接方式为焊接连接，构成梯形两腰的垂直箍筋223最优为长度相同，这样形成的等腰梯形结构，受力更均匀、更稳定。
架力钢筋221设置在弓形网架22左边网面上，从上到下为一整根钢筋，本实施例中弓形网架22左边设置4根架力钢筋221。受力钢筋222设置在弓形网架22右边网面上，从上到下也是一整根钢筋，本实施例中弓形网架22右边设置2根受力钢筋222。架力钢筋221和受力钢筋222比普通钢筋的强度高，增强了弓形网架22在弯曲处的受力强度，防止弓形钢筋22在弯曲处变形导致网面与煤壁脱落。架力钢筋221与垂直箍筋223相互垂直设置，同样，受力钢筋222与垂直箍筋223相互垂直设置。
参见图1，在弓形网架22的外侧，设置有将弓形网架整个套住的密封袋225，密封袋225为柔性模袋，密封袋225上设有拉丝，用来将密封袋225的口封住。密封袋225内填充有充填体40，用来增强弓形网架22对松软破碎顶板50和小煤柱的支撑作用，充填体一般为混凝土或高水材料，本实施例中采用混凝土进行充填，形成混凝土钢筋网架。
弓形网架22的底部贴在巷道底板上，弓形网架22的肩部抵靠在周围煤体70上，这样通过巷道底板和周围煤体70对弓形网架22提供一个支撑力，增强弓形网架22对小煤柱煤体和巷道顶板的支撑效果。同时，在弓形网架22的底部设置有扩脚226，在肩部设置有靠肩227，以保护受力支撑点处煤岩体的稳定性。
本发明实施例还提供一种小煤柱沿空巷道支护方法，包括
步骤S1，在施工特厚煤层松软顶板下的小煤柱沿空巷道时，将小煤柱和松软破碎顶板一侧的巷道壁掘成弧顶向外的曲边，同时将实体煤一侧巷道壁掘成直立墙壁。
步骤S2，在继续掘进特厚煤层松软顶板小煤柱沿空巷道之前制备弓形钢筋网架。弓形钢筋网架的左边钢筋网面通过小煤柱煤帮锚杆和巷道顶板锚杆固定，紧贴住小煤柱和松软破碎顶板，以抵抗松软破碎顶板下沉压力以及小煤柱扩容产生的水平挤压力。弓形钢筋网架肩部抵靠在实体煤帮上，底部紧贴巷道底板，通过巷道底板和实体煤帮对其提供支撑。
步骤S3，根据松软破碎顶板下沉压力和小煤柱扩容产生的水平挤压力，分别确定弓形钢筋网架的顶部、腿部和中间弯曲部位横断面尺寸大小以及配筋型号，以制作弓形钢筋网架。并且，在弓形钢筋网架的肩部制作一个增大受力面的靠肩，在网架腿底部制作一个增大受力面的扩脚，以便于保护受力支撑点煤岩体的稳定性。
步骤S4，在弓形钢筋网架的外侧，制作一个与网架匹配的密封袋。密封袋为柔性模袋，使用时，将弓形钢筋网架套在柔性模袋之中，然后用缝制在柔性模袋上的拉丝将柔性模袋口封住。
步骤S5，采用泵向密封袋内填充充填体。充填体一般为混凝土，本实施例中采用混凝土进行填充支撑混凝土弓形钢筋网架。利用混凝土填充时，可采用远程的泵将混凝土泵入到密封袋内，有效的降低井下材料的运输和处理工作，以及由此所引发的工伤事故，同时也减小了井下大型支架搬运车所带来的安全隐患。并且，一边泵送混凝土，一边震动排气，直到充满整个密封袋。待密封袋中的混凝土凝固达到一定强度后，弓形钢筋混凝土网架将对松软破碎顶板和小煤柱扩容压力提供良好的支撑。
本发明的小煤柱沿空巷道支护结构，对实体煤帮支护和小煤柱煤帮支护相结合设计，并且将弓形网架的网面利用锚杆完全贴合在小煤柱煤帮和巷道顶板的煤壁上，同时，利用弓形网架的靠肩紧靠实体煤帮以及利用弓形网架的扩脚紧贴巷道底板，给网架以有效支撑，可以使弓形网架为小煤柱煤帮和巷道顶板提供可靠的支撑力，防止小煤柱煤帮和巷道顶板垮塌，降低了生产风险，提高了企业的经济效益。
另外，本发明的小煤柱沿空巷道支护方法，通过对小煤柱沿空巷道的松软破碎顶板载荷与小煤柱扩容水平挤压力的计算，通过合理设计弓形钢筋网架的形式和参数，对巷道围岩进行有效支撑，并且在弓形网架外套一层密封袋，并向内注入混凝土制成混凝土弓形钢筋网架，有效提高了网架对煤帮的支撑力，并且充填方法简单，降低支护成本，应用前景更广。
以上已将发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种小煤柱沿空巷道支护结构，包括实体煤帮支护单元(10)和小煤柱煤帮支护单元(20)，所述实体煤帮支护单元(10)包括多个实体煤帮锚杆(11)和多个实体煤帮锚索(12)；所述实体煤帮锚杆(11)和实体煤帮锚索(12)相互之间不连接；其特征在于，
所述小煤柱煤帮支护单元(20)包括多个小煤柱煤帮锚杆(21)、弓形网架(22)以及多个巷道顶板锚杆(23)；所述小煤柱煤帮锚杆(21)与弓形网架(22)的中下部连接，巷道顶板锚杆(23)设置在弓形网架(22)的顶部；
所述弓形网架(22)包括架力钢筋(221)、受力钢筋(222)、垂直箍筋(223)以及斜拉箍筋(224)；所述斜拉箍筋(224)的一端与架力钢筋(221)连接，另一端与受力钢筋(222)连接；每四个所述垂直箍筋(223)相互首尾相连构成一个梯形；
所述架力钢筋(221)设置在弓形网架(22)左边网面上；所述受力钢筋(222)设置在弓形网架(22)右边网面上；所述架力钢筋(221)与垂直箍筋(223)相互垂直设置；所述受力钢筋(222)与垂直箍筋(223)相互垂直设置；
所述弓形网架(22)为混凝土钢筋网架，由箍筋焊接而成，网架上有数个网格；
所述小煤柱煤帮锚杆(21)尾部设有小煤柱煤帮锚杆托盘(211)，巷道顶板锚杆(23)的尾部设有巷道顶板锚杆托盘(231)，托盘的尺寸均大于所述弓形网架(22)的网格的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种小煤柱沿空巷道支护结构，其特征在于，所述斜拉箍筋(224)与架力钢筋(221)焊接连接，斜拉箍筋(224)与受力钢筋(222)焊接连接。
3.根据权利要求2所述的一种小煤柱沿空巷道支护结构，其特征在于，所述架力钢筋(221)有4根，所述受力钢筋(222)有2根。
4.根据权利要求1所述的一种小煤柱沿空巷道支护结构，其特征在于，在所述弓形网架(22)的外侧，设置有将弓形网架(22)套住的密封袋(225)。
5.根据权利要求4所述的一种小煤柱沿空巷道支护结构，其特征在于，所述密封袋(225)为柔性模袋，密封袋(225)上设有拉丝，密封袋(225)内填充有充填体(40)。
6.一种采用如权利要求1-5任意一项所述的小煤柱沿空巷道支护结构的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
一种小煤柱沿空巷道支护方法，采用如权利要求1-5任意一项所述的小煤柱沿空巷道支护结构，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在施工特厚煤层松软顶板下的小煤柱沿空巷道时，将小煤柱和松软破碎顶板一侧的巷道壁掘成弧顶向外的曲边，同时将实体煤一侧巷道壁掘成直立墙壁；
S2、根据松软破碎顶板下沉压力和小煤柱扩容产生的水平挤压力，分别确定弓形钢筋网架的顶部、腿部和中间弯曲部位横断面尺寸大小以及配筋型号，制备弓形钢筋网架，其肩部抵靠在实体煤帮上，底部紧贴巷道底板；
S3、在弓形钢筋网架的外侧，制作一个与网架匹配的密封袋；
S4、采用泵向密封袋内填充充填体。
7.根据权利要求6所述的一种小煤柱沿空巷道支护方法，其特征在于，所述步骤S2中制备弓形网架时，在弓形钢筋网架的肩部制作一个增大受力面的靠肩，在网架腿底部制作一个增大受力面的扩脚。
8.根据权利要求6所述的一种小煤柱沿空巷道支护方法，其特征在于，所述步骤S3中的密封袋为柔性模袋，将弓形钢筋网架套在柔性模袋之中，然后用缝制在柔性模袋上的拉丝将柔性模袋口封住；所述步骤S4中的充填体为混凝土。
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