CN110284913B - 一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，包括沿巷道掘进方向交替布置的第一锚杆索系统A1和第二锚杆索系统A2，以及设置于A1系统与A2系统之间的内拉锚索桁梁系统A3；其中A1系统侧重靠实体煤帮侧顶板支护，A2系统侧重顶板中部区域支护，A3系统侧重采空区侧顶板结构与深部稳定围岩的力学联系，三个锚杆索系统之间通过内在力的传递作用、相互影响、相互配合，共同实现掘进期间顶板稳定性控制。其中A3下部桁梁结构具有让压吸能功能，在对顶板施加足够护表作用的同时，也避免了桁梁结构拉裂撕坏。锚杆与锚索一体化同排布置，有利于改善浅部煤岩体应力状态，提高浅部煤岩体的加固强度，限制浅部围岩变形破坏。

Description

一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构
技术领域
本发明涉及煤矿巷道支护领域，尤其涉及一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构。
背景技术
切顶成巷是一种新兴的无煤柱开采方式，其取消了常规沿空留巷中的充填岩柱、无需使用人工充填材料，只需对顶板进行卸压降顶，利用矿山压力和岩体的碎胀特性即可实现无煤柱开采。事实上，由于无煤柱切顶成巷工艺的特殊性，将导致切顶成巷围岩结构与应力分布沿巷道中轴线两侧的不对称性：围岩结构方面，一侧是经过垮冒、压实过程的已发生损伤的煤岩体，一侧是保持较好完整性的实体煤，两者力学特性存在显著不同；应力分布方面，切顶成巷整体处于应力降低区，但靠实体煤侧顶板及实体煤帮均处于集中应力区内。上述围岩结构与应力分布的差异性在沿巷道中心轴两侧的差异性将导致顶板变形破坏特征的差异性，引发巷道顶板非均匀沉降，即采空区侧顶板下沉量远大于煤体侧顶板下沉量，顶板向采空区侧发生严重倾斜。当采用传统的对称式锚杆索结构支护顶板时，顶板将向采空区侧发生严重下沉，巷道断面面积严重压缩，影响通风、行人。
发明内容
本发明为了克服无煤柱切顶自成巷顶板非均匀沉降问题，提供了一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构。
本发明采用的技术方案是：一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，包括沿巷道掘进方向交替布置的第一锚杆索系统和第二锚杆索系统，以及设置于第一锚杆索系统与第二锚杆索系统的内拉锚索桁梁系统；
所述第一锚杆索系统，包括在巷道顶板上布置位于同一铅垂平面内的多根锚杆或锚索结构，自巷道中线起向实体煤帮侧和采空区侧分别布置i个锚杆索，其中最接近实体煤帮侧的锚杆索设置为锚索，位于采空区侧i-2至实体煤帮侧i-1的区域设置1～2根锚索，其余为锚杆；最接近实体煤帮侧的锚索向实体煤帮侧倾斜，并锚固在实体煤帮侧上部顶板，其余锚杆索垂直顶板布置；用带状连接结构将各锚杆或锚索连接起来组成第一锚杆索系统；
所述第二锚杆索系统包括在顶板上布置位于同一铅垂平面内的多根锚杆或锚索结构，自巷道中线起向实体煤帮侧和采空区侧分别布置i个锚杆索；靠近采空区侧与实体煤帮侧处的锚杆索设置为锚杆，锚索位于巷道中部区域，即巷道中线左右分别1～2个锚杆索位置的范围内；靠近实体煤侧锚杆向实体煤帮倾斜，并锚固在实体煤帮侧上部顶板，其余锚杆索垂直顶板布置；用带状连接结构将各锚杆或锚索连接起来组成第二锚杆索系统；
所述第一锚杆索系统和第二锚杆索系统的锚杆索在整个巷道内，除靠近实体煤帮侧为锚索锚杆交替列，靠近采空区侧为全锚杆列以外，其余呈锚杆锚索交替列、锚索锚杆交替列、全锚杆列的交错布置；
所述内拉锚索桁梁系统包含沿巷道宽度方向布置j个的内拉锚索，用桁梁结构将内拉锚索在顶板表面连接，多个内拉锚索位于同一铅垂平面内；内拉锚索向实体煤侧倾斜。进一步的，所述第一锚杆索系统的锚杆索数量i≤4且锚索数量≤3根，锚杆索间距600mm≤b≤1200mm。
进一步的，所述第一锚杆索系统中，最接近实体煤帮侧的锚索向实体煤帮侧倾斜角度10度≤α≤25度。
进一步的，所述第一锚杆索系统中锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm、1×7结构钢绞线，长度5300～6300mm，预紧力不低于120kN。
进一步的，所述第二锚杆索系统的i≤4且锚索数量≤3根，锚杆索间距600mm≤b≤1200mm；靠近实体煤侧锚杆向实体煤帮倾斜角度10度≤α≤25度。
进一步的，所述第二锚杆索系统系统中锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm、1×7结构钢绞线，长度7300～8300mm不等，预紧力不低于120kN。
进一步的，所述带状连接结构厚度5mm≤f≤10mm，宽度200mm≤e≤500mm，长度d＝(2i-1)*b+400mm，上面设计有用于锚杆索穿过的圆孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
进一步的，所述内拉锚索桁梁系统的内拉锚索数量1≤j≤3，内拉锚索与竖直方向夹角50度≤β≤80度，多根内拉锚索结构在同一平面内；相邻内拉锚索间跨度为1500mm≤n≤3000mm，内拉锚索与采空区侧距离为500mm≤m≤1000mm。
进一步的，所述内拉锚索桁梁系统的多个内拉锚索选用直径17～22mm的1×19股钢绞线，预紧力不低于120kN。
进一步的，桁梁结构由底座和类梯形让压装置组成；所述桁梁底座为板结构，板结构长度为s，宽度为k，厚度为r，s＝(j-1)*n+400mm,350mm≤k≤600mm，6mm≤r≤15mm；设计有多个拱锚索穿过锚索孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
本发明的有益效果是：锚杆索系统A1、A2、A3分别对顶板不同区域进行加固，其中A1系统侧重靠实体煤帮侧顶板支护，A2系统侧重顶板中部区域支护，A3系统侧重采空区侧顶板结构与深部稳定围岩的力学联系，三个锚杆索系统之间通过内在力的传递作用、相互影响、相互配合，共同实现掘进期间顶板稳定性控制。其中，内拉锚索A3锚固点位于稳定的实体煤上方顶板，而非巷道正上方稳定性稍低的顶板，锚固点牢靠，不易脱落，通过锚索的倾斜张拉力对顶板进行有效张拉悬吊；下部桁梁结构具有让压吸能功能，在锚索张拉作用下，在对顶板施加足够护表作用的同时，也避免了桁梁结构拉裂撕坏，从而对顶板倾斜下沉实现有效控制。锚杆与锚索一体化同排布置，有利于改善浅部煤岩体应力状态，提高浅部煤岩体的加固强度，限制浅部围岩变形破坏。
附图说明
图1—巷道顶板支护俯视图；
图2—巷道顶板支护立体图；
图3—A1锚杆索系统(Ⅰ-Ⅰ剖面图)；
图4—A2锚杆索系统(Ⅱ-Ⅱ剖面图)；
图5—A3锚杆索系统(Ⅲ-Ⅲ剖面图)；
图6—带状连接结构示意图；
图7—带状连接结构剖视图；
图8—桁梁结构示意图；
图9—桁梁结构俯视图；
图中，1—巷道，2—顶板，3—实体煤帮侧，4—采空区侧，5—带状连接结构，6—工作面端头区域，7、8—内拉锚索，9—板状结构，10—类梯形让压装置；a—系统A1与系统A2间距，b—锚杆索间距，c—圆孔孔径，d—带状结构长度，e—带状结构宽度，f—带状结构厚度，i—A1、A2系统中单侧锚杆索数量，j—A3系统中内拉锚索数量，k-桁梁底座宽度，l—巷道宽度，m—内拉锚索距采空区距离，n—内拉锚索间距，r-桁梁底座厚度，s-桁梁底座长度。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，掘进期间，巷道1边掘进边对顶板2进行支护：当巷道1沿掘进方向至第一距离，对顶板2进行第一锚杆索系统A1支护；当巷道1继续掘进至第二距离，对顶板2进行第二锚杆索系统A2支护；沿巷道掘进方向，第一锚杆索系统A1与第二锚杆索系统A1交替布置，两者之间的间距为600mm≤a≤12 00mm。步骤一：如图1、2和3所示，所述第一锚杆索系统A1的支护包括如下步骤：沿巷道宽度方向，在巷道顶板2上自巷道中线起，向实体煤帮侧3锚杆索依次命名为Z1、Z2、Z3；向采空区侧4，锚杆索依次命名为Z1＇、Z2＇、Z3＇；锚杆索间距600mm≤b≤12 00mm；靠近实体煤帮侧3处设置锚索Z3，另外设置1根锚索Z1＇(如图1所示)，其余位置为锚杆结构；锚索Z3需向实体煤帮侧3倾斜并锚固在实体煤帮侧3上部顶板深处，倾斜角度10度≤α≤25度，其余锚杆索均垂直顶板2布置；各锚杆、锚索采用具有一定强度的带状连接结构5连接，包括但不仅限于W钢带、M型钢带、T型钢带。锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm不等，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm、1×7结构钢绞线，长度5300～6300mm不等，预紧力不低于120kN。
如图6、7所示，带状连接结构5厚度5mm≤f≤10mm，宽度200mm≤e≤500mm，长度d＝(2i-1)*b+400mm，上面设计有用于锚杆索穿过的圆孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
步骤二：如图1、2、4所示，第二锚杆索系统A2的支护包括如下步骤：沿巷道宽度在顶板2自巷道中线起，向实体煤帮侧3锚杆索依次命名为Y1、Y2、Y3；向采空区侧4锚杆索依次命名为Y1＇、Y2＇、Y3＇，锚杆索间距600mm≤b≤1200mm；靠近采空区侧4与实体煤帮侧3处为Y3＇与Y3为锚杆，Y2及Y2＇为锚索，其余为锚杆；Y3向实体煤帮3倾斜并锚固在实体煤帮侧3上部顶板，倾斜角度10度≤α≤25度；其余锚索、锚杆垂直顶板2布置。各锚杆、锚索采用上述具有一定强度的带状连接结构5连接。锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm不等，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm钢绞线，长度7300～8300mm不等，预紧力不低于120kN。
步骤三：如图1、2、5所示，本工作面回采过程中对顶板2进行支护：在工作面端头区域6，在第一锚杆索系统A1和第二锚杆索系统A2中间位置布设内拉锚索桁梁系统A3，内拉锚索桁梁系统A3包含内拉锚索X1、X2及连接锚索的桁梁结构，多个内拉锚索位于同一铅垂平面内。
如图5所示，所述内拉锚索桁梁系统A3施工步骤如下：在巷道顶板2补打两根内拉锚索结构，锚索结构向实体煤侧3倾斜，与竖直方向夹角β为25度≤α≤50度，使得多根内拉锚索结构在同一平面内；在顶板表面选用桁梁结构将锚索在顶板表面连接。
所述内拉锚索选用直径17～22mm的1×19股钢绞线，预紧力不低于120kN；相邻锚索间跨度1500mm≤n≤3000mm，锚索与采空区侧4距离500mm≤m≤1000mm。
锚索7、8的长度M1、M2根据下列公式确定：
Figure BDA0002135660470000051
Figure BDA0002135660470000052
Figure BDA0002135660470000053
C0为煤岩交界处的内聚力，ψ0为煤岩交界处的内摩擦角；M为煤层厚度；Px支架对煤帮的支护力；A为侧压系数；K为应力集中系数；γ为岩层平均容重；H为巷道距地表深度；
如图8、9所示，相邻锚索采用桁梁结构进行连接，桁梁结构由底座9和类梯形让压装置10组成；所述桁梁底座为板结构，板结构长度为s，宽度为k，厚度为r，s＝(j-1)*n+400mm,350mm≤k≤600mm，6mm≤r≤15mm；设计有多个拱锚索穿过锚索孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
类梯形让压装置10为类梯形，让压装置由吸能材料制成，该类材料为兼具任性和弹性的合成弹性材料，该类材料在外力作用下可通过内部分子紧密接触而发生显著压缩变形，从而将外部转化为内力，达到吸收能量的目的。让压装置与底座之间通过化学或物理作用进行连接。

Claims (10)

1.一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，包括沿巷道掘进方向交替布置的第一锚杆索系统(A1)和第二锚杆索系统(A2)，以及设置于第一锚杆索系统(A1)与第二锚杆索系统(A2)的内拉锚索桁梁系统(A3)；
所述第一锚杆索系统(A1)，包括在巷道顶板(2)上布置位于同一铅垂平面内的多根锚杆或锚索结构，自巷道中线起向实体煤帮侧(3)和采空区侧(4)分别布置i个锚杆索，其中最接近实体煤帮侧(3)的锚杆索设置为锚索，位于采空区侧i-2至实体煤帮侧i-1的区域设置1～2根锚索，其余为锚杆；最接近实体煤帮侧(3)的锚索向实体煤帮侧(3)倾斜，并锚固在实体煤帮侧(3)上部顶板，其余锚杆索垂直顶板(2)布置；用带状连接结构(5)将各锚杆或锚索连接起来组成第一锚杆索系统(A1)；
所述第二锚杆索系统(A2)包括在顶板(2)上布置位于同一铅垂平面内的多根锚杆或锚索结构，自巷道中线起向实体煤帮侧(3)和采空区侧(4)分别布置i个锚杆索；靠近采空区侧(4)与实体煤帮侧(3)处的锚杆索设置为锚杆，锚索位于巷道中部区域，即巷道中线左右分别1～2个锚杆索位置的范围内；靠近实体煤侧锚杆向实体煤帮侧(3)倾斜，并锚固在实体煤帮侧(3)上部顶板，其余锚杆索垂直顶板(2)布置；用带状连接结构(5)将各锚杆或锚索连接起来组成第二锚杆索系统(A2)；
所述第一锚杆索系统(A1)和第二锚杆索系统(A2)的锚杆索在整个巷道内，除靠近实体煤帮侧(3)为锚索锚杆交替列，靠近采空区侧(4)为全锚杆列以外，其余呈锚杆锚索交替列、锚索锚杆交替列、全锚杆列的交错布置；
所述内拉锚索桁梁系统(A3)包含沿巷道宽度方向布置j个内拉锚索，用桁梁结构将内拉锚索在顶板(2)表面连接，内拉锚索位于同一铅垂平面内；内拉锚索向实体煤帮侧(3)倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述第一锚杆索系统(A1)的锚杆索数量i≤4且锚索数量≤3根，锚杆索间距600mm≤b≤1200mm。
3.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述第一锚杆索系统(A1)中，最接近实体煤帮侧的锚索向实体煤帮侧(3)倾斜角度10度≤α≤25度。
4.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述第一锚杆索系统(A1)中锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm、1×7结构钢绞线，长度5300～6300mm，预紧力不低于120kN。
5.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述第二锚杆索系统(A2)的i≤4且锚索数量≤3根，锚杆索间距600mm≤b≤1200mm；靠近实体煤侧锚杆向实体煤帮侧(3)倾斜角度10度≤α≤25度。
6.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述第二锚杆索系统(A2)系统中锚杆选用直径20～22mm的全螺纹钢高强锚杆，长度2400～2700mm，预紧力不低于80kN；锚索选用直径17～22mm、1×7结构钢绞线，长度7300～8300mm不等，预紧力不低于120kN。
7.根据权利要求2所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述带状连接结构厚度5mm≤f≤10mm，宽度200mm≤e≤500mm，长度d＝(2i-1)*b+400mm，上面设计有用于锚杆索穿过的圆孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
8.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述内拉锚索桁梁系统(A3)的内拉锚索数量1≤j≤3，内拉锚索与竖直方向夹角50度≤β≤80度，多根内拉锚索结构在同一平面内；相邻内拉锚索间跨度为1500mm≤n≤3000mm，内拉锚索与采空区侧距离为500mm≤m≤1000mm。
9.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，所述内拉锚索桁梁系统(A3)的内拉锚索(7)、(8)选用直径17～22mm的1×19股钢绞线，预紧力不低于120kN。
10.根据权利要求1所述的一种大跨度切顶成巷顶板的内拉锚索结构，其特征在于，桁梁结构由底座(9)和类梯形让压装置(10)组成；所述底座(9)为板结构，板结构长度为s，宽度为k，厚度为r，s＝(j-1)*n+400mm,350mm≤k≤600mm，6mm≤r≤15mm；设计有多个拱锚索穿过锚索孔，圆孔直径25≤c≤30mm。
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Application publication date: 20190927

Assignee: Shandong Zeming Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023370010027

Denomination of invention: An internal tensile anchor cable structure for the roof of a large span roof cutting roadway

Granted publication date: 20210910

License type: Common License

Record date: 20230309

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Effective date of registration: 20240112

Address after: 266590 No. 579, Qian Wan Gang Road, Qingdao economic and Technological Development Zone, Shandong

Patentee after: SHANDONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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