CN111335930A - 一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置及方法，包括多个防冲支撑装置，多个防冲支撑装置并排设置，相邻两个防冲支撑装置之间均设置柔性金属网；所述防冲支撑装置包括Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱、Ⅲ级支柱、上支板、下支板、钢钎和三个定节环；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱均为空心圆柱形缸筒；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱自下而上依次同轴设置。在受到高采动矿压冲击作用时具有良好的竖向让位卸压性能，从而可适应深部强采动巷道围岩大变形，并且能具有较好的抗侧压能力，维护矸石帮的稳定，最终使采空区矸石对上覆顶板形成有效支撑。

Description

一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置及方法

技术领域

本发明涉及一种煤巷矸石帮的挡矸支护装置及方法，具体是一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置及方法。

背景技术

煤炭作为一种不可再生资源，它的可持续开发越来越多的被人们所重视。在现有技术条件下为了更多的回收煤炭，无煤柱开采方式推广的步伐也逐步加大。作为无煤柱开采方式推广的基础沿空留巷也得以大量应用，沿空留巷技术是一种主要的无煤柱采煤方法，不仅提高资源回收率，还能避免因煤柱应力集中产生的地质灾害，是煤炭绿色开采和可持续发展的主要方向之一。切顶沿空留巷的最终稳定实际上是由实体煤帮和采空区矸石决定的。因此，矸石帮的稳定同样具有重要意义。切顶沿空留巷初期，顶板剧烈运动，采空区顶板未垮落充分，因此尚不能对上覆岩层形成有效的支撑作用，且锚杆(索)支护结构在侧向顶板断裂下沉作用下无法实现自稳。为降低顶板运动对巷道的影响及保持留巷围岩稳定，巷内尤其是采空区侧必须进行辅助加强支护，待沿空留巷覆岩运动结束，采空区矸石对上覆岩层形成有效支撑后，沿空留巷围岩趋于稳定状态，方可撤除巷内临时加强支护。刚性挡矸支护主要是受深部围岩竖向变形挤压而导致弯曲破坏，采空区矸石对挡矸结构的侧向水平推力并不是其破坏的主要因素。

切顶沿空留巷常采用刚性装置进行巷旁挡矸支护，而深部巷道应力高，动压影响显著提高，刚性挡矸支护常因无法适应深部围岩大变形而产生弯曲、折断现象，从而丧失挡矸支护能力，造成留巷失败。现行挡矸支护装置多利用锚杆和其他钢架结构，由于采空区切顶的不稳定、采空区侧向应力过大导致挡矸变形，应对深部地下环境并不能满足要求，规格固定无法适用于复杂的巷道环境，灵活性能不足；另外深部应力环境复杂，采空区释放应力过大时易导致支护结构的偏稳与变形，对沿空留巷造成威胁，因此需研究一种适用于复杂应力环境的支护装置，使其具有一定程度的竖向让位卸压，方可适应深部围岩变形，并且能具有较好的抗侧压能力，维护矸石帮的稳定，最终使采空区矸石对上覆顶板形成有效支撑。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置及方法，在受到地应力冲击时具有一定程度的竖向让位卸压，从而可适应深部围岩变形，并且能具有较好的抗侧压能力，维护矸石帮的稳定，最终使采空区矸石对上覆顶板形成有效支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置，包括多个防冲支撑装置，多个防冲支撑装置并排设置，相邻两个防冲支撑装置之间均设置柔性金属网；

所述防冲支撑装置包括Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱、Ⅲ级支柱、上支板、下支板、钢钎和三个定节环；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱均为空心圆柱形缸筒；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱自下而上依次同轴设置，其中Ⅱ级支柱设置在Ⅰ级支柱内且能相对Ⅰ级支柱伸缩，Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间通过设置在Ⅰ级支柱侧部的紧固螺栓Ⅰ相对固定；Ⅲ级支柱设置在Ⅱ级支柱内且能相对Ⅱ级支柱伸缩，Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间通过设置在Ⅱ级支柱侧部的紧固螺栓Ⅱ相对固定；上支板固定在Ⅲ级支柱的顶端，下支板固定在Ⅰ级支柱的底端且与上支板平行；所述钢钎同轴设置在Ⅰ级支柱下方、且钢钎的上端与下支板下部固定连接；所述三个定节环分别固定在Ⅰ级支柱侧部、Ⅱ级支柱侧部和Ⅲ级支柱侧部，三个定节环同一侧分别设有一个卡槽，相邻两个定节环之间通过拱形防冲吸能节固定连接；

相邻两个防冲支撑装置之间通过加强肋固定连接，且加强肋两端分别插入两个防冲支撑装置的卡槽内固定；柔性金属网上设有强力挂钩，柔性金属网通过强力挂钩固定在加强肋侧部。

进一步，所述Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力。依据采动矿压时空演变规律进行的如此设置，能使得本装置的防冲击性能及让位卸压能力更好，从而保证支护的稳定性。

进一步，所述上支板与Ⅲ级支柱的顶端、下支板与Ⅰ级支柱的底端、钢钎的上端与下支板下部和加强肋端部与卡槽的固定连接均为焊接。采用焊接，不仅施工方便，而且能有效保证连接稳定性，最终保证支护及围岩的稳定性。

一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置的支护方法，具体过程为：

步骤一：巷道采空区侧进行挡矸支护时，在采空区侧巷道的底板上，沿巷道轴向等间距的钻一排与钢钎匹配的孔，进而将各个防冲支撑装置的钢钎分别插入各个孔内，直至使下支板与巷道的底板切合，最后对孔进行填充使钢钎在孔内固定；

步骤二：根据巷道的高度，先松开紧固螺栓Ⅰ，将Ⅱ级支柱从Ⅰ级支柱内伸出一定长度后，将紧固螺栓Ⅰ紧固使Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间相对固定；然后松开紧固螺栓Ⅱ，将Ⅲ级支柱从Ⅱ级支柱内伸出一定长度，使上支板与巷道的顶板切合，此时将紧固螺栓Ⅱ紧固使Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间相对固定；依据应力的分布得出顶部比底部所需的应力更大，因此使紧固螺栓Ⅱ的紧固力大于紧固螺栓Ⅰ的紧固力，从而使Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力；

步骤三：将三个定节环分别固定在Ⅰ级支柱侧部、Ⅱ级支柱侧部和Ⅲ级支柱侧部，然后相邻两个定节环之间通过拱形防冲吸能节固定连接；

步骤四：相邻两个防冲支撑装置之间均采用三个加强肋连接，每个加强肋两端分别插入两个防冲支撑装置对应的卡槽内焊接，最后相邻两个防冲支撑装置之间挂设柔性金属网10，柔性金属网通过强力挂钩固定在加强肋侧部，完成一排铺设后，能在巷道采空区侧阻挡矸石的侧向移动，维护矸石帮的稳定。

与现有技术相比，本发明采用防冲支撑装置和柔性金属网相结合方式，其中防冲支撑装置包括Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱、Ⅲ级支柱、上支板、下支板、钢钎和三个定节环；在进行支护过程中，如受到深部围岩地应力形成的竖向变形挤压时，若竖向挤压力小于Ⅰ级支柱与Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力和这两个支柱之间拱形防冲吸能节的弹性形变力之和，则防冲支撑装置能起到稳定支撑效果，若竖向挤压力大于等于Ⅰ级支柱与Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力和这两个支柱之间拱形防冲吸能节的弹性形变力之和，此时Ⅱ级支柱向Ⅰ级支柱内部分回缩，同时Ⅰ级支柱与Ⅱ级支柱之间的拱形防冲吸能节发生弹性形变增大弹性力，从而增大防冲支撑装置的整体支撑力，对挤压冲击进行缓冲卸压支撑；直至竖向挤压力小于Ⅰ级支柱与Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力和两个支柱之间拱形防冲吸能节的弹性形变力，此时对巷道进行稳定支撑；若在Ⅱ级支柱向Ⅰ级支柱内部分回缩的情况下，竖向挤压力继续增大，当其大于等于Ⅱ级支柱与Ⅲ级支柱之间形成的摩阻力和和这两个支柱之间拱形防冲吸能节的弹性形变力之和，则Ⅲ级支柱向Ⅱ级支柱内部分回缩，同时Ⅱ级支柱与Ⅲ级支柱之间的拱形防冲吸能节发生弹性形变增大弹性力，从而进一步增大防冲支撑装置的整体支撑力，对挤压冲击进行进一步缓冲卸压支撑；直至竖向挤压力与支撑力稳定后，实现稳定支撑。另外在柔性金属网受到矸石侧向压力时，其能将侧向力通过强力筋传递给定节环，然后定节环将力传递给拱形防冲吸能节，拱形防冲吸能节通过部分形变对侧向力进行缓冲卸压。因此本发明在受到地应力冲击时具有一定程度的竖向让位卸压，从而可适应深部围岩变形，并且能具有较好的抗侧压能力，维护矸石帮的稳定，最终使采空区矸石对上覆顶板形成有效支撑。

附图说明

图1是本发明中防冲支撑装置的结构示意图；

图2是本发明中拱形防冲吸能节的结构示意图；

图3是本发明中定节环及卡槽的结构示意图

图4是本发明装配后的整体结构示意图。

图中：1、Ⅰ级支柱，2、Ⅱ级支柱，3、Ⅲ级支柱，4、紧固螺栓Ⅱ，5、上支板，6、下支板，7、钢钎，8、定节环，81、卡槽，9、加强肋，10、柔性金属网，11、拱形防冲吸能节，12、强力挂钩。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置，包括多个防冲支撑装置，多个防冲支撑装置并排设置，相邻两个防冲支撑装置之间均设置柔性金属网10；

所述防冲支撑装置包括Ⅰ级支柱1、Ⅱ级支柱2、Ⅲ级支柱3、上支板5、下支板6、钢钎7和三个定节环8；Ⅰ级支柱1、Ⅱ级支柱2和Ⅲ级支柱3均为空心圆柱形缸筒；Ⅰ级支柱1、Ⅱ级支柱2和Ⅲ级支柱3自下而上依次同轴设置，其中Ⅱ级支柱2设置在Ⅰ级支柱1内且能相对Ⅰ级支柱1伸缩，Ⅰ级支柱1和Ⅱ级支柱2之间通过设置在Ⅰ级支柱1侧部的紧固螺栓Ⅰ相对固定；Ⅲ级支柱3设置在Ⅱ级支柱2内且能相对Ⅱ级支柱2伸缩，Ⅲ级支柱3和Ⅱ级支柱2之间通过设置在Ⅱ级支柱2侧部的紧固螺栓Ⅱ4相对固定；上支板5固定在Ⅲ级支柱3的顶端，下支板6固定在Ⅰ级支柱1的底端且与上支板5平行；所述钢钎7同轴设置在Ⅰ级支柱1下方、且钢钎7的上端与下支板6下部固定连接；所述三个定节环8分别固定在Ⅰ级支柱1侧部、Ⅱ级支柱2侧部和Ⅲ级支柱3侧部，三个定节环8同一侧分别设有一个卡槽81，相邻两个定节环8之间通过拱形防冲吸能节11固定连接；

相邻两个防冲支撑装置之间通过加强肋9固定连接，且加强肋9两端分别插入两个防冲支撑装置的卡槽81内固定；柔性金属网10上设有强力挂钩12，柔性金属网10通过强力挂钩12固定在加强肋9侧部。

进一步，所述Ⅱ级支柱2和Ⅲ级支柱3之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱1和Ⅱ级支柱2之间形成的摩阻力。依据应力的分布得出顶部比底部所需的应力更大，因此如此设置，能使得本装置的防冲击性能更好，从而保证支护的稳定性。

进一步，所述上支板5与Ⅲ级支柱3的顶端、下支板与Ⅰ级支柱1的底端、钢钎7的上端与下支板6下部和加强肋9端部与卡槽81的固定连接均为焊接。采用焊接，不仅施工方便，而且能有效保证连接稳定性，最终保证支护的稳定性。

上述Ⅰ级支柱1、Ⅱ级支柱2、Ⅲ级支柱3、上支板5、下支板6、钢钎7、定节环8和拱形防冲吸能节11均为现有构件。

一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置的支护方法，具体过程为：

步骤一：巷道采空区侧进行挡矸支护时，在采空区侧巷道的底板上，沿巷道轴向等间距的钻一排与钢钎7匹配的孔，进而将各个防冲支撑装置的钢钎7分别插入各个孔内，直至使下支板6与巷道的底板切合，最后对孔进行填充使钢钎7在孔内固定；

步骤二：根据巷道的高度，先松开紧固螺栓Ⅰ，将Ⅱ级支柱2从Ⅰ级支柱1内伸出一定长度后，将紧固螺栓Ⅰ紧固使Ⅰ级支柱1和Ⅱ级支柱2之间相对固定；然后松开紧固螺栓Ⅱ4，将Ⅲ级支柱3从Ⅱ级支柱2内伸出一定长度，使上支板5与巷道的顶板切合，此时将紧固螺栓Ⅱ4紧固使Ⅲ级支柱3和Ⅱ级支柱2之间相对固定；依据应力的分布得出顶部比底部所需的应力更大，因此使紧固螺栓Ⅱ4的紧固力大于紧固螺栓Ⅰ的紧固力，从而使Ⅲ级支柱3和Ⅱ级支柱2之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱1和Ⅱ级支柱2之间形成的摩阻力；

步骤三：将三个定节环8分别固定在Ⅰ级支柱1侧部、Ⅱ级支柱2侧部和Ⅲ级支柱3侧部，然后相邻两个定节环8之间通过拱形防冲吸能节11固定连接；

步骤四：相邻两个防冲支撑装置之间均采用三个加强肋9连接，每个加强肋9两端分别插入两个防冲支撑装置对应的卡槽81内焊接，最后相邻两个防冲支撑装置之间挂设柔性金属网10，柔性金属网10通过强力挂钩12固定在加强肋9侧部，完成一排铺设后，能在巷道采空区侧阻挡矸石的侧向移动，维护矸石帮的稳定。

Claims (4)

1.一种深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置，其特征在于，包括多个防冲支撑装置，多个防冲支撑装置并排设置，相邻两个防冲支撑装置之间均设置柔性金属网；

所述防冲支撑装置包括Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱、Ⅲ级支柱、上支板、下支板、钢钎和三个定节环；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱均为空心圆柱形缸筒；Ⅰ级支柱、Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱自下而上依次同轴设置，其中Ⅱ级支柱设置在Ⅰ级支柱内且能相对Ⅰ级支柱伸缩，Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间通过设置在Ⅰ级支柱侧部的紧固螺栓Ⅰ相对固定；Ⅲ级支柱设置在Ⅱ级支柱内且能相对Ⅱ级支柱伸缩，Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间通过设置在Ⅱ级支柱侧部的紧固螺栓Ⅱ相对固定；上支板固定在Ⅲ级支柱的顶端，下支板固定在Ⅰ级支柱的底端且与上支板平行；所述钢钎同轴设置在Ⅰ级支柱下方、且钢钎的上端与下支板下部固定连接；所述三个定节环分别固定在Ⅰ级支柱侧部、Ⅱ级支柱侧部和Ⅲ级支柱侧部，三个定节环同一侧分别设有一个卡槽，相邻两个定节环之间通过拱形防冲吸能节固定连接；

相邻两个防冲支撑装置之间通过加强肋固定连接，且加强肋两端分别插入两个防冲支撑装置的卡槽内固定；柔性金属网上设有强力挂钩，柔性金属网通过强力挂钩固定在加强肋侧部。

2.根据权利要求1所述的深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置，其特征在于，所述Ⅱ级支柱和Ⅲ级支柱之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力。

3.根据权利要求1所述的深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置，其特征在于，所述上支板与Ⅲ级支柱的顶端、下支板与Ⅰ级支柱的底端、钢钎的上端与下支板下部和加强肋端部与卡槽的固定连接均为焊接。

4.一种根据权利要求1所述的深部开采切顶沿空留巷采空侧的挡矸支护装置的支护方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一：巷道采空区侧进行挡矸支护时，在采空区侧巷道的底板上，沿巷道轴向等间距的钻一排与钢钎匹配的孔，进而将各个防冲支撑装置的钢钎分别插入各个孔内，直至使下支板与巷道的底板切合，最后对孔进行填充使钢钎在孔内固定；

步骤二：根据巷道的高度，先松开紧固螺栓Ⅰ，将Ⅱ级支柱从Ⅰ级支柱内伸出一定长度后，将紧固螺栓Ⅰ紧固使Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间相对固定；然后松开紧固螺栓Ⅱ，将Ⅲ级支柱从Ⅱ级支柱内伸出一定长度，使上支板与巷道的顶板切合，此时将紧固螺栓Ⅱ紧固使Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间相对固定；且使紧固螺栓Ⅱ的紧固力大于紧固螺栓Ⅰ的紧固力，从而使Ⅲ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力大于Ⅰ级支柱和Ⅱ级支柱之间形成的摩阻力；

步骤三：将三个定节环分别固定在Ⅰ级支柱侧部、Ⅱ级支柱侧部和Ⅲ级支柱侧部，然后相邻两个定节环之间通过拱形防冲吸能节固定连接；

步骤四：相邻两个防冲支撑装置之间均采用三个加强肋连接，每个加强肋两端分别插入两个防冲支撑装置对应的卡槽内焊接，最后相邻两个防冲支撑装置之间挂设柔性金属网10，柔性金属网通过强力挂钩固定在加强肋侧部，完成一排铺设后，能在巷道采空区侧阻挡矸石的侧向移动，维护矸石帮的稳定。

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