CN108691559A - 一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，主要包括箱梁立柱结构的混凝土墙、与顶底板连接的竖直锚索系统、与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统、带压充填袋、注浆锚索滞后高压注浆加固。混凝土墙是在煤柱帮边缘浇筑一个以箱梁立柱为主体结构的混凝土墙，强化对顶板支撑作用；竖直锚索系统是由分别锚固在顶底板两根锚索连接，并被浇筑在混凝土墙内，使得混凝土墙与顶底板连接稳固；锚杆箱梁系统由两根锚固在煤柱帮的锚杆与布置在混凝土墙外锚杆箱梁连接，使得混凝土墙与煤柱帮形成整体；带压充填袋可对顶板提供一定的初撑力；在混凝土墙完成后对煤柱帮进行高压注浆可提升煤柱承载能力，与混凝土墙共同承担载荷，实现沿空巷道煤柱帮的刚柔协同控制。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，尤其涉及一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法。
背景技术
随着经济的快速发展，煤炭资源高需求与低储量的矛盾愈加严重。我国煤矿从节约煤炭资源和延长矿井服务年限的角度出发，越来越多的回采巷道采用留设窄煤柱方式布置，其布置位置处于侧向支承压力降低区。由于此区域的煤体要经历相邻工作面回采，本工作面巷道掘进和本工作面回采三次采动影响，使得此区域煤体的力学性质较差。煤柱多处于此区域，使煤柱内部的裂隙发育、塑性区范围大、弹性核范围小，甚至煤柱内可能不存在弹性核范围，导致煤柱帮的承载能力较小，有时不足以支撑上覆岩层的载荷，可能会出现煤柱被压垮的现象。煤柱内部裂隙也可能成为沟通相邻工作面采空区的通道，使采空区的有害气体和矿井水通过裂隙通道涌入本工作面，进而影响工作面的生产安全。因此，煤柱帮承载能力低和内部裂隙成为沟通通道是沿空巷道必须解决的问题。
为解决上述问题，本发明设计的用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，可防止在煤层开采过程中，煤柱由于内部裂隙发育，承载能力低而发生压垮现象，辅助煤柱帮支撑顶板，同时也可防止相邻采空区的有害气体和矿井水涌入本工作面，提高沿空巷道工作面的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，该方法使煤柱帮向巷道内移量减小，同时辅助煤柱支撑顶板，使煤柱帮顶板下沉量减小，使得巷道变形大大减小，适应于留煤柱沿空巷道工作面开采，防止相邻采空区的有害气体和矿井水涌入本工作面。采场形成以混凝土墙为辅助承载结构，避免煤柱被压垮，改善沿空巷道支护效果。
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，所述方法包括煤柱帮刚柔协同控制结构，所述结构包括：内含箱梁立柱结构的混凝土墙、与顶底板连接的竖直锚索系统、与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统、带压充填袋、滞后高压注浆加固的注浆锚索；
所述混凝土墙沿着煤柱帮布置，是在巷道完成正常支护后，对沿空巷道的顶板、煤柱帮喷浆封闭，然后沿着煤柱帮一侧的底板开挖一条沟槽，沿沟槽构建混凝土墙的基本骨架，所述基本骨架由箱梁立柱、连接杆、螺纹钢筋和钢筋网构成，并在所述基本骨架外侧架设模板，所述基本骨架的顶部与煤层顶板留有一定的空间，所述混凝土墙采用混凝土浇筑成型工艺以保证墙体较强承载能力和稳定性；
所述与顶底板连接的竖直锚索系统是由锚固在顶板的两根竖直锚索与锚固在底板的两根竖直锚索通过双向锁紧器连接构成，所述竖直锚索系统被浇筑在混凝土墙内，使得混凝土墙与顶底板连接稳固；
所述与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统由穿过混凝土墙并锚固在煤柱帮的两根锚杆与连接所述两根锚杆端部的锚杆箱梁构成，所述锚杆垂直于煤柱帮布置，所述锚杆箱梁设置在混凝土墙体外侧，使得混凝土墙与煤柱帮形成整体；沿巷道轴线方向每隔两排竖直锚索设置上、下两排锚杆箱梁系统，所述上、下两排锚杆箱梁系统均匀布置于混凝土墙侧部中心线两侧；
所述带压充填袋置于混凝土墙顶部与顶板之间的空间里，将充填材料带压充入所述带压充填袋中以对外产生一定的压力，将混凝土墙由被动承载变为主动支护；
所述注浆锚索沿混凝土墙轴线间隔一定距离布置，其在浇筑混凝土墙之前安装，在混凝土墙中的部分通过套管与混凝土墙隔离；所述滞后高压注浆加固是在构建混凝土墙基本骨架之后进行，对裂隙发育的煤柱帮进行滞后高压注浆加固，浆液固结后形成新的网络骨架结构。
所述箱梁立柱沿巷道轴线方向呈三花布置，所述箱梁立柱两两之间通过所述连接杆横向连接，所述连接杆沿巷道轴线方向横断面呈三角形布置，将所述螺纹钢筋纵横交错布置在所述箱梁立柱侧面，并在其表面铺钢筋网。
所述箱梁立柱之间均采用连接杆横向连接固定，在箱梁立柱上部、中部和下部各焊接一对附耳，附耳上设有圆孔，同时在所述连接杆两端头设有圆孔，箱梁立柱上的圆孔与连接杆上的圆孔通过螺栓连接在一起，从而将两个箱梁立柱连接在一起，所述连接杆可由钢筋构成。
所述竖直锚索分别垂直于顶底板，沿巷道轴线方向纵断面中位于一条线上、垂直于顶底板的两根锚索通过所述双向锁紧器连接，并通过所述双向锁紧器对锚索施加预紧力；垂直于顶底板的锚索排距为0.8～1.2m，并且均匀布置于混凝土墙顶部中心线两侧。
所述注浆锚索孔布置于由两排竖直锚索和上下两排锚杆箱梁所围成的中心位置处，注浆锚索孔倾斜向上一定角度布置。
沿空巷道采用矩形巷道，巷道宽度按照满足工作面正常生产需要的沿空巷道的宽度加上混凝土墙的宽度掘进，混凝土墙宽度由采场上覆岩层重量决定。
沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，不仅在煤柱帮形成以混凝土墙为辅助支撑的承载结构，辅助煤柱帮对工作面上覆顶板形成有效支撑，而且在采动影响过程中，混凝土墙能为煤柱帮提供一定围压，改善其受力状态，阻止煤柱帮向巷道内部变形破坏，加之对煤柱帮进行注浆加固，进一步提升了煤柱帮的承载能力，承载能力提升的煤柱帮又与混凝土墙共同抵抗覆岩载荷，最终实现煤柱帮与混凝土墙刚柔协同控制。同时可防止采空区有害气体和矿井水通过煤柱帮裂隙涌入到本工作面中，保证工作面安全生产。
有益效果
1)对于采用沿空巷道的工作面，采用混凝土墙辅助煤柱帮支撑顶板，可以使煤柱帮稳定性得到提高，增强巷道煤柱帮的承载能力，防止煤柱帮出现被压垮现象。
2)采用该方法，可以阻断相邻工作面采空区与本工作面之间由煤柱内部裂隙形成的沟通通道，防止采空区的有害气体和矿井水涌入本工作面，保证本工作面的生产安全。
3)混凝土墙内置的箱梁立柱、螺纹钢筋和钢筋网构成基本骨架，增强了混凝土墙的整体稳定性和承载能力。同时混凝土墙通过与顶底板连接的竖直锚索系统和与煤帮连接的锚杆箱梁系统，使混凝土墙和煤柱帮连成一体，为煤柱帮提供一定围压，改善其受力状态，阻止煤柱帮向巷道内部变形破坏，进一步提升煤柱帮承载能力，达到处于“柔”状态的煤柱帮与处于“刚”状态的混凝土墙共同抵抗覆岩载荷，以实现煤柱帮与钢筋混凝土墙刚柔协同控制。
附图说明
图1是本发明所述一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法剖面图。
图2是本发明所述一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法侧视图。
图3是本发明所述一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法内部箱梁立柱布置图。
图4是本发明所述一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法箱梁立柱结构示意图。
附图标记说明：1、顶板；2、沿空巷道；3、底板；4、煤柱帮；5、混凝土墙；6、箱梁立柱；7、连接杆；8、附耳；9、钢筋网；10、竖直锚索；11、双向锁紧器；12、锚索锁具；13、锚杆；14、锚杆箱梁；15、螺母；16、托盘；17、注浆锚索；18、套管；19、楔形垫木；20、带压充填袋；21、喷浆；22、沟槽。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
根据图1-图4，本发明一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，所述方法包括煤柱帮刚柔协同控制结构，所述结构包括：内含箱梁立柱6结构的混凝土墙5、与顶底板连接的竖直锚索系统10、11、12、与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统13、14、15、16、带压充填袋20、滞后高压注浆加固的注浆锚索17；
所述混凝土墙5沿着煤柱帮4布置，是在巷道2完成正常支护后，对沿空巷道2顶板、煤柱帮喷浆21封闭，然后沿着煤柱侧底板开挖一条沟槽22，沿沟槽22构建混凝土墙5基本骨架，所述基本骨架由箱梁立柱6、连接杆7、螺纹钢筋和钢筋网9构成，并架设模板，所述基本骨架顶部与煤层顶板1留有一定的空间，墙体采用混凝土浇筑成型，所述混凝土墙采用混凝土5浇筑成型工艺以保证墙体较强承载能力和稳定性。
所述与顶底板1、3连接的竖直锚索系统10、11、12是由锚固在顶板1的两根竖直锚索与锚固在底板3的两根竖直锚索通过双向锁紧器连接构成，所述竖直锚索系统被浇筑在混凝土墙5内，使得混凝土墙5与顶底板1、3连接稳固。
所述与煤柱帮4连接的锚杆箱梁系统13、14、15、16由穿过混凝土墙5并锚固在煤柱帮的两根锚杆13与连接所述两根锚杆端部的锚杆箱梁14构成，所述锚杆13垂直于煤柱帮布置，所述锚杆箱梁14设置在混凝土墙体外侧，使得混凝土墙5与煤柱帮4形成整体；沿巷道轴线方向每隔两排竖直锚索设置上、下两排锚杆箱梁系统，所述上、下两排锚杆箱梁系统均匀布置于混凝土墙侧部中心线两侧；实现混凝土墙5与围岩整体协同发挥作用，同时可加固煤柱帮4，有效控制锚固岩体弱面的扩展，增强煤柱帮4的稳定性。
所述带压充填袋20置于混凝土墙5顶部与顶板1之间的空间里，带压充填时，充填材料充入充填袋中，在填满充填袋后，由于充填袋的约束，会对外产生一定的压力，将混凝土墙5由被动承载变为主动支护，增强混凝土墙5的接顶性，更能适应顶板1的变形。
所述注浆锚索17沿混凝土墙轴线间隔一定距离布置，其在浇筑混凝土墙5之前安装，在混凝土墙中的部分通过套管18与混凝土墙5隔离；所述滞后高压注浆加固是在构建混凝土墙基本骨架之后进行，用于对裂隙发育的煤柱帮4进行注浆加固，以提高煤柱帮4整体抗拉剪强度，且浆液固结后形成新的网络骨架结构可提高岩体变形模量，并使裂隙端部应力集中大大削弱，改变裂隙原有扩展破坏机制，大幅提高煤柱帮4承载和抗变形破坏能力。
所述箱梁立柱6沿巷道轴线方向呈三花布置，所述箱梁立柱6两两之间通过所述连接杆7横向连接，以增加其稳定性，所述连接杆沿巷道轴线方向横断面呈三角形布置，将所述螺纹钢筋纵横交错布置在所述箱梁立柱侧面，并在其表面铺钢筋网9，以期保持在较大范围内形成较稳定的承载结构。
所述箱梁立柱6之间均采用连接杆7横向连接固定，在箱梁立柱6上部、中部和下部各焊接一对附耳8，附耳8上设有圆孔，同时在所述连接杆7两端头设有圆孔，箱梁立柱5上的圆孔与连接杆7上的圆孔通过螺栓连接在一起，从而将两个箱梁立柱6连接在一起，所述连接杆可由钢筋构成。
所述竖直锚索10分别垂直于顶底板，深入煤体一定长度，沿巷道轴线方向纵断面中位于一条线上、垂直于顶底板的两根锚索10尾部依次穿过双向锁紧器11，并安装锚索锁具12施加高预紧力，并通过所述双向锁紧器对锚索施加预紧力；垂直于顶底板1、3的竖直锚索10排距l为0.8～1.2m，并且均匀布置于混凝土墙5顶部中心线两侧。
所述构成与煤柱帮4连接的锚杆箱梁系统13、14、15、16的锚杆13垂直于煤柱帮4布置，每隔两排竖直锚索10沿巷道断面布置两个锚杆13。垂直于煤柱帮4的锚杆13排距为2l，均匀布置于混凝土墙5侧部中心线两侧。与煤柱帮4连接的锚杆13外漏长度要比锚杆箱梁14宽度长10cm左右，深入煤柱帮4的长度由锚杆13长度、混凝土墙5宽度和锚杆箱梁14宽度共同决定，实现混凝土墙5与围岩整体协同发挥作用，同时可加固煤柱帮4，有效控制锚固岩体弱面的扩展，增强煤柱帮4的稳定性。待混凝土墙5达到一定强度后，卸除模板，给与煤柱帮4连接的锚杆13尾端安装螺母15和托盘16，并沿巷道轴线通过锚杆箱梁14将两根锚杆13连接起来，进行永久支护，再进行下一段巷道的浇筑。
所述混凝土墙5顶部与顶板1之间使用带压充填袋20，将混凝土墙5由初始阶段的被动承载变为主动支护，用于及时支撑顶板，增强混凝土墙5的接顶性。带压充填袋20沿巷道轴线方向布置于两排竖直锚索10之间，带压充填袋20的设计规格应满足将混凝土墙5顶部与顶板1之间的空间填满，在此条件下，长宽高各方向应留有一定的富余量，以增加袋包的延展能力。带压充填袋20上预留出注浆孔和排气孔，充填材料凝固后其强度应与混凝土墙5强度相一致。
所述注浆锚索17孔布置于由两排竖直锚索10和上下两排锚杆箱梁14所围成的中心位置处，注浆锚索17孔间距为4l，并使钻孔倾斜向上一定角度布置。保证注浆锚索17与托盘16间的良好接触以消除应力集中，达到施加的预紧力在支护结构中均匀扩散，在巷道表面与托盘之间填加楔形垫木19。
所述沿空巷道2采用矩形巷道，巷道宽度按照满足工作面正常生产需要的沿空巷道2的宽度加上混凝土墙5的宽度掘进，混凝土墙5宽度由采场上覆岩层重量决定。并在煤柱侧底板3开挖一条具有一定深度的沟槽22，沟槽22宽度与混凝土墙5宽度一致。混凝土墙5宽度根据工作面生产地质条件，计算上覆岩层对煤柱帮4的载荷，使混凝土墙5承载能力不小于上覆岩层的作用力，从而确定混凝土墙5的宽度。
所述用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，不仅在煤柱帮4形成以混凝土墙5为辅助支撑的承载结构，辅助煤柱帮4对工作面上覆顶板1形成有效支撑，而且在采动影响过程中，混凝土墙5能为煤柱帮4提供一定围压，改善其受力状态，阻止煤柱帮4向巷道内部变形破坏，加之对煤柱帮4进行注浆加固，进一步提升了煤柱帮4的承载能力，承载能力提升的煤柱帮4又与混凝土墙5共同抵抗覆岩载荷，最终实现煤柱帮4与混凝土墙5刚柔协同控制。同时可防止采空区有害气体和矿井水通过煤柱帮4裂隙涌入到本工作面中，保证工作面安全生产。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，所述方法包括煤柱帮刚柔协同控制结构，所述结构包括：内含箱梁立柱结构的混凝土墙、与顶底板连接的竖直锚索系统、与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统、带压充填袋、滞后高压注浆加固的注浆锚索；
所述混凝土墙沿着煤柱帮布置，是在巷道完成正常支护后，对沿空巷道的顶板、煤柱帮喷浆封闭，然后沿着煤柱帮一侧的底板开挖一条沟槽，沿沟槽构建混凝土墙的基本骨架，所述基本骨架由箱梁立柱、连接杆、螺纹钢筋和钢筋网构成，并在所述基本骨架外侧架设模板，所述基本骨架的顶部与煤层顶板留有一定的空间，所述混凝土墙采用混凝土浇筑成型工艺以保证墙体较强承载能力和稳定性；
所述与顶底板连接的竖直锚索系统是由锚固在顶板的两根竖直锚索与锚固在底板的两根竖直锚索通过双向锁紧器连接构成，所述竖直锚索系统被浇筑在混凝土墙内，使得混凝土墙与顶底板连接稳固；
所述与煤柱帮连接的锚杆箱梁系统由穿过混凝土墙并锚固在煤柱帮的两根锚杆与连接所述两根锚杆端部的锚杆箱梁构成，所述锚杆垂直于煤柱帮布置，所述锚杆箱梁设置在混凝土墙体外侧，使得混凝土墙与煤柱帮形成整体；沿巷道轴线方向每隔两排竖直锚索设置上、下两排锚杆箱梁系统，所述上、下两排锚杆箱梁系统均匀布置于混凝土墙侧部中心线两侧；
所述带压充填袋置于混凝土墙顶部与顶板之间的空间里，将充填材料带压充入所述带压充填袋中以对外产生一定的压力，将混凝土墙由被动承载变为主动支护；
所述注浆锚索沿混凝土墙轴线间隔一定距离布置，其在浇筑混凝土墙之前安装，在混凝土墙中的部分通过套管与混凝土墙隔离；所述滞后高压注浆加固是在构建混凝土墙基本骨架之后进行，对裂隙发育的煤柱帮进行滞后高压注浆加固，浆液固结后形成新的网络骨架结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，其特征在于，所述箱梁立柱沿巷道轴线方向呈三花布置，所述箱梁立柱两两之间通过所述连接杆横向连接，所述连接杆沿巷道轴线方向横断面呈三角形布置，将所述螺纹钢筋纵横交错布置在所述箱梁立柱侧面，并在其表面铺钢筋网。
3.根据权利要求2所述的一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，其特征在于，所述箱梁立柱之间均采用连接杆横向连接固定，在箱梁立柱上部、中部和下部各焊接一对附耳，附耳上设有圆孔，同时在所述连接杆两端头设有圆孔，箱梁立柱上的圆孔与连接杆上的圆孔通过螺栓连接在一起，从而将两个箱梁立柱连接在一起，所述连接杆可由钢筋构成。
4.根据权利要求3所述的一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，其特征在于，所述竖直锚索分别垂直于顶底板，沿巷道轴线方向纵断面中位于一条线上、垂直于顶底板的两根锚索通过所述双向锁紧器连接，并通过所述双向锁紧器对锚索施加预紧力；垂直于顶底板的锚索排距为0.8～1.2m，并且均匀布置于混凝土墙顶部中心线两侧。
5.根据权利要求4所述的一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，其特征在于，所述注浆锚索孔布置于由两排竖直锚索和上下两排锚杆箱梁所围成的中心位置处，注浆锚索孔倾斜向上一定角度布置。
6.根据权利要求5所述的一种用于沿空巷道煤柱帮刚柔协同控制方法，其特征在于，沿空巷道采用矩形巷道，巷道宽度按照满足工作面正常生产需要的沿空巷道的宽度加上混凝土墙的宽度掘进，混凝土墙宽度由采场上覆岩层重量决定。
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