一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，包括巷頂支護、巷幫支護和巷底支護，該巷頂支護包括用于支撐巷頂?shù)慕饘倬W(wǎng)以及用于加固巷頂?shù)捻敳夸摻钐葑恿?、頂部錨桿和頂部錨索；巷幫支護包括高幫支護和低幫支護，兩幫支護均包括用于支撐巷幫的電焊平網(wǎng)以及用于加固巷幫的幫部鋼筋梯子梁和幫部錨桿，高幫支護還包括幫部錨索；巷底支護包括沿巷道縱向?qū)ΨQ設(shè)置的底角錨桿，該底角錨桿位于巷底與巷幫形成的兩側(cè)底角處，其俯角呈45°。本發(fā)明采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，通過巷頂和巷幫的錨桿、錨索、鋼筋梯子梁等的設(shè)置改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并通過幫部錨索的設(shè)置加強巷道高幫局部支護，同時設(shè)置底角錨桿，從而有效控制巷道底鼓。
【專利說明】
一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，特別涉及一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是一個產(chǎn)煤大國，煤炭是我國的主要能源，儲量十分豐富。十二五規(guī)劃指出，直到2015年，煤炭在我國能源消費比重仍將占到63%左右，即使核能、風(fēng)能、水利發(fā)電等新能源在能源消費比例中不斷上升，但在相當(dāng)長的時間內(nèi)中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。新中國成立近70年以來，中國能源供給及消費能力由弱變強，已經(jīng)成為世界第一大能源生產(chǎn)國和第二大能源消費國。近年來，我國中東部地區(qū)煤炭開采的規(guī)模、產(chǎn)量及深度都在逐年加大，淺部煤炭資源越來越少，為了滿足經(jīng)濟發(fā)展對煤炭產(chǎn)量的迫切需求，煤炭企業(yè)不得不轉(zhuǎn)向深部開采。一項調(diào)查結(jié)果顯示，目前中國94%以上的煤礦是井工礦，大中型煤礦平均開采深度456m，采深大于600m的礦井產(chǎn)量占28.5%，最深達1365m。特別是近幾年，國內(nèi)千米深井?dāng)?shù)量不斷增加，目前已超過20個，但深井開采的安全隱患也隨之增加，尤其是深部三軟煤層巷道支護問題已成為制約煤礦安全高效開采的技術(shù)難題之一。
[0003]三軟煤層是指煤礦開采中遇到的:軟的頂板巖層、軟的主采煤層和軟的煤層底板巖層。一般情況下，具有三軟特征的煤層頂?shù)装寰鶠檐浫鯉r層，煤層裂隙發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜。三軟煤層巷道具有圍巖軟、應(yīng)力高、強度低、遇水易膨脹、無可選擇性等特征。隨著礦井開采深度的不斷增加，原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力不斷升高，三軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定性更加難以控制，具體表現(xiàn)為:在頻繁的重復(fù)采動影響和應(yīng)力集中共同作用情況下，巷道圍巖會產(chǎn)生非線性大變形，巷道頂板下沉嚴重，底板隆起，兩幫易發(fā)生非對稱大變形收斂，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大隱患。
[0004]目前，國內(nèi)外煤礦巷道支護技術(shù)主要包括料石碹、混凝土碹、桁架、錨桿、錨索、錨注、工字鋼、U型鋼可縮性支架和高強度混凝土弧板支架等。在回采巷道(煤巷)中，最主要的支護技術(shù)還是以錨桿支護(包括塑料網(wǎng)、金屬網(wǎng)、“W”型鋼帶等聯(lián)合形式)為主。上述支護方式各有優(yōu)缺點，但直到目前，深部三軟煤層巷道支護問題依然存在著支護成本高、維護量大、支護效果差、支護理論和方法不夠完善等技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種能夠有效控制巷道變形量、降低巷道維護費用的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，包括巷頂支護、巷幫支護和巷底支護，該巷頂支護包括用于支撐巷頂?shù)慕饘倬W(wǎng)以及用于加固巷頂?shù)捻敳夸摻钐葑恿?、頂部錨桿和頂部錨索;巷幫支護包括高幫支護和低幫支護，兩幫支護均包括用于支撐巷幫的電焊平網(wǎng)以及用于加固巷幫的幫部鋼筋梯子梁和幫部錨桿，高幫支護還包括幫部錨索;巷底支護包括沿巷道縱向?qū)ΨQ設(shè)置的底角錨桿，該底角錨桿位于巷底與巷幫形成的兩側(cè)底角處，其俯角呈45°。
[0007]具體的，金屬網(wǎng)沿巷頂傾斜面鋪設(shè)，頂部鋼筋梯子梁設(shè)于金屬網(wǎng)外側(cè)、沿巷頂傾斜方向拼接、并在巷道縱向間隔分布，任一頂部鋼筋梯子梁上間隔垂直穿設(shè)頂部錨桿;頂部錨索位于巷頂中部、且穿過頂部鋼筋梯子梁位于相鄰頂部錨桿之間，相鄰頂部錨索在巷道縱向上通過頂部槽鋼連接。
[0008]較優(yōu)的，上述頂部錨索至少為兩根，頂部錨索與頂部錨桿在頂部鋼筋梯子梁上間隔分布。
[0009]進一步的，頂部鋼筋梯子梁在巷道縱向上等距間隔分布，頂部錨桿在頂部鋼筋梯子梁上等距間隔分布。
[0010]其中，任一頂部鋼筋梯子梁上首端和末端的頂部錨桿分別向其鄰近的巷幫傾斜
10。。
[0011]上述巷幫支護中，電焊平網(wǎng)沿巷幫鋪設(shè)，幫部鋼筋梯子梁設(shè)于電焊平網(wǎng)外側(cè)、沿巷道縱向拼接、并在巷幫豎向間隔分布，任一幫部鋼筋梯子梁上間隔垂直穿設(shè)幫部錨桿。
[0012]其中，低幫支護一側(cè)，幫部錨桿在豎向相鄰的幫部鋼筋梯子梁上交錯設(shè)置。
[0013]其中，高幫支護一側(cè)，巷幫豎向兩端設(shè)有幫部錨索，該幫部錨索沿巷道縱向間隔分布，相鄰幫部錨索在巷道縱向上通過幫部槽鋼連接，該幫部槽鋼位于豎向相鄰的兩條幫部鋼筋梯子梁之間；相鄰的幫部槽鋼和幫部鋼筋梯子梁上，幫部錨索與幫部錨桿在巷幫豎向上的位置錯開;相鄰兩幫部鋼筋梯子梁上的幫部錨桿在巷幫豎向上的位置錯開。
[0014]優(yōu)選的，幫部鋼筋梯子梁在巷幫豎向上等距間隔分布，幫部錨桿在幫部鋼筋梯子梁上等距間隔分布。
[0015]進一步的，穿設(shè)于巷幫最上端的幫部鋼筋梯子梁上的幫部錨桿向巷頂傾斜10°，穿設(shè)于巷幫最下端的幫部鋼筋梯子梁上的幫部錨桿向巷底傾斜10°。
[0016]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，通過對巷頂和巷幫安裝錨桿、錨索、鋼筋梯子梁等部件，并合理安排各部件的位置、數(shù)量及排布方式，達到提高巷道圍巖整體錨固力和改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的效果;通過對巷道高幫安裝幫部錨索，可以實現(xiàn)在遇斷層、褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造時對巷道高幫進行加強支護的目的；另外，在巷底兩側(cè)的底角處設(shè)置底角錨桿、并使底角錨桿以一定傾角的方式支護，可以有效地控制巷道底鼓;將本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)用于深部三軟煤層非對稱巷道支護時，能夠緩解巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，減緩巷道圍巖的塑性變形，同時有效降低巷頂、兩幫和巷底的位移，可迅速、有效地遏制巷道的非線性大變形。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)的支護斷面示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)的巷頂支護結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)的高幫支護結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)的低幫支護結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。
[0022]本發(fā)明中，巷道縱向為巷道延伸方向，巷幫豎向為巷道的高度方向，由于巷頂是傾斜面，因此，兩側(cè)巷幫的豎向必然會有高度差，將較高一側(cè)的巷幫稱為高幫，較低一側(cè)的巷幫稱為低幫。
[0023]如圖1?圖4，本發(fā)明的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，包括巷頂支護、巷幫支護和巷底支護，該巷頂支護包括用于支撐巷頂?shù)慕饘倬W(wǎng)I以及用于加固巷頂?shù)捻敳夸摻钐葑恿?、頂部錨桿3和頂部錨索4;巷幫支護包括高幫支護和低幫支護，兩幫支護均包括用于支撐巷幫的電焊平網(wǎng)5以及用于加固巷幫的幫部鋼筋梯子梁6和幫部錨桿7，高幫支護還包括幫部錨索8;巷底支護包括沿巷道縱向?qū)ΨQ設(shè)置的底角錨桿9，該底角錨桿9位于巷底與巷幫形成的兩側(cè)底角處，其俯角呈45°。
[0024]本發(fā)明采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，一方面通過巷頂和巷幫的錨桿、錨索、鋼筋梯子梁等的設(shè)置改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并通過幫部錨索的設(shè)置加強高幫支護，可以在遇斷層、褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造時對巷道高幫進行局部加強支護;另一方面通過底角錨桿的位置及傾角的設(shè)置，可以有效控制巷道底鼓。
[0025]如圖2，巷頂支護中，金屬網(wǎng)I鋪設(shè)在巷頂傾斜面上，其外側(cè)設(shè)有頂部鋼筋梯子梁2，頂部鋼筋梯子梁2沿巷頂傾斜方向拼接，拼接后在巷道縱向間隔分布，如可在巷道縱向上等距間隔分布。
[0026]每根頂部鋼筋梯子梁2上間隔穿設(shè)頂部錨桿3，相鄰頂部錨桿3之間的距離可相等；其中，每根頂部鋼筋梯子梁2上首端和末端的頂部錨桿3分別向其鄰近的巷幫傾斜10°，其余頂部錨桿3與巷頂傾斜面相垂直。
[0027]頂部錨索4位于巷頂中部、且穿過頂部鋼筋梯子梁2、位于相鄰頂部錨桿3之間，相鄰頂部錨索4在巷道縱向上通過頂部槽鋼10連接;頂部錨索4可為一根或多根，當(dāng)頂部錨索為I根時，頂部錨索4位于巷頂正中；當(dāng)頂部錨索4為至少兩根時，頂部錨索4位于巷頂中間部位，且其與頂部錨桿3在頂部鋼筋梯子梁2上間隔分布。
[0028]如圖3和圖4，巷幫支護中，電焊平網(wǎng)5鋪設(shè)在巷幫表面上，其外側(cè)設(shè)置幫部鋼筋梯子梁6，幫部鋼筋梯子梁6沿巷道縱向拼接、拼接后在巷幫豎向間隔分布，豎向相鄰兩幫部鋼筋梯子梁6之間的距離可相等。
[0029]任一幫部鋼筋梯子梁6上間隔穿設(shè)幫部錨桿7，相鄰幫部錨桿7之間的距離可相等；穿設(shè)于巷幫最上端的幫部鋼筋梯子梁6上的幫部錨桿7向巷頂傾斜10°，穿設(shè)于巷幫最下端的幫部鋼筋梯子梁6上的幫部錨桿7向巷底傾斜10°。
[0030]如圖4，低幫支護一側(cè)，幫部錨桿7在豎向相鄰的幫部鋼筋梯子梁6上交錯設(shè)置。
[0031]如圖3，高幫支護一側(cè)，巷幫豎向兩端設(shè)有幫部錨索8，該幫部錨索8沿巷道縱向間隔分布，相鄰幫部錨索8在巷道縱向上通過幫部槽鋼11連接，該幫部槽鋼11位于豎向相鄰的兩條幫部鋼筋梯子梁6之間；相鄰的幫部槽鋼11和幫部鋼筋梯子梁6上，幫部錨索8與幫部錨桿7在巷幫豎向上的位置錯開;相鄰兩幫部鋼筋梯子梁6上的幫部錨桿7在巷幫豎向上的位置錯開。
[0032]實施例
[0033]下面以淮南礦區(qū)某煤礦深部三軟煤層巷道為例，采用本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)對巷道圍巖控制效果進行系統(tǒng)研究。
[0034]1、巷道基本情況
[0035]該礦深部三軟煤層賦存條件:頂?shù)装寰赡鄮r、粘土巖組成，局部由細砂巖和粉砂巖組成，煤層中間有一層約1.2m的泥巖夾層。頂板泥巖厚度lm，強度較小，粉砂巖厚度7m，為中等硬度的巖石。頂板泥巖厚度3.5m，粘土巖厚度1.Sm，均為典型的軟巖。頂?shù)装寰鶠檐泿r，煤層為典型的三軟煤層。
[0036]該三軟煤層巷道埋深為-650m，巷道所受的垂直自重應(yīng)力約為15.5MPa，水平集中應(yīng)力最大達到31MPa，處于25?50MPa范圍內(nèi)，根據(jù)軟巖分類可以判斷該巷道圍巖為高應(yīng)力軟巖。該巷道頂板裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，巷道掘進后出現(xiàn)了高地壓、大變形、難支護的現(xiàn)象。
[0037]2、巷道變形情況
[0038]選取兩處測點，對巷道圍巖變形情況進行觀測:在48天的觀測時間內(nèi)，測點I處的巷道兩幫累計移近量為784mm，最大變形速度為80mm/d，平均為16.3mm/d，巷道頂板下沉量為369mm，最大變形速度為39mm/d，平均為7.6mm/d，巷道底鼓量為386mm，最大變形速度為30mm/d，平均為8.0mm/d ；測點2的巷道兩幫累計移近量為783_，最大變形速度為68mm/d，平均為16.3mm/d，巷道頂板下沉量為375mm，最大變形速度為37mm/d，平均為7.8mm/d，巷道底鼓量為391mm，最大變形速度為33mm/d，平均為8.lmm/d。從這兩個測點可以看出，巷道圍巖變形較大，巷道有效斷面明顯減少，特別是巷道兩幫和底板，已嚴重影響了巷道的正常使用。
[0039]3、本發(fā)明的支護方案及支護效果
[0040]以下采用本發(fā)明的巷道支護結(jié)構(gòu)對該巷道進行支護:
[0041]首先，根據(jù)該三軟煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)，確定設(shè)置的錨桿、錨索等部件的數(shù)量、間排距、錨固力、扭矩力等參數(shù);如下從巷道斷面支護結(jié)構(gòu)對該支護方案進行說明:
[0042]如圖1，全斷面共布置12根錨桿和4根錨索，其中巷道頂部布置3根頂部錨桿、2根頂部錨索，兩邊頂部錨桿向幫部傾斜10°;左側(cè)高幫布置5根幫部錨桿、2根幫部錨索，右側(cè)低幫布置4根幫部錨桿，上下幫部錨桿向巷頂或巷底傾斜10°;頂部錨桿和幫部錨桿均選用直徑22mm、長度2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼，頂部錨桿之間、幫部錨桿的間排距均為700 X700mm，錨固力不小于18MPa，扭距力不小于10N.m。
[0043]底板角錨桿與頂部錨桿、幫部錨桿材質(zhì)和參數(shù)一樣，布置在巷道底板兩邊的底角處，俯角45°。頂部錨索和幫部錨索均采用直徑17.8mm，長度7000mm的鋼絞線，高幫錨索間距為2000mm，頂部錨索間距為1400mm，頂部錨索和幫部錨索在巷道縱向方向上均通過16#槽鋼連接。巷頂使用的金屬網(wǎng)為金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格4.0mX 1.0m，網(wǎng)孔尺寸10mmX 10mm;兩幫使用的電焊平網(wǎng)，規(guī)格2.0mX 1.0m，網(wǎng)孔尺寸10mmX 100mm。頂部鋼筋梯子梁和幫部鋼筋梯子梁的規(guī)格均為Φ12mm的圓鋼焊接加工，凈長4m，寬50mm。
[0044]支護效果如下:
[0045](I)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布
[0046]巷道圍巖垂直應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中，但范圍較小，應(yīng)力集中程度最大的為原巖應(yīng)力的1.8倍。巷道圍巖水平應(yīng)力基本維持在原巖應(yīng)力水平，沒有出現(xiàn)大的應(yīng)力集中。
[0047](2)巷道圍巖塑性區(qū)分布
[0048]錨桿和錨索錨固效果較好，巷道圍巖塑性區(qū)范圍較小。
[0049](3)巷道圍巖變形情況
[0050]現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明:巷道兩幫累計最大變形量為91mm，兩幫最大收斂速度為12mm/d，平均為3.9mm/d，最大底鼓量為60mm，最大底鼓速度為4.5mm/d，平均為1.6mm/d，頂板最大下沉量為40mm，最大下沉速度為4.5mm/d，平均為0.9mm/d，在觀測的第40天巷道變形基本趨于穩(wěn)定，巷道圍巖變形控制效果顯著。
【主權(quán)項】
1.一種深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括巷頂支護、巷幫支護和巷底支護，該巷頂支護包括用于支撐巷頂?shù)慕饘倬W(wǎng)(I)以及用于加固巷頂?shù)捻敳夸摻钐葑恿?2)、頂部錨桿(3)和頂部錨索(4);所述巷幫支護包括高幫支護和低幫支護，兩幫支護均包括用于支撐巷幫的電焊平網(wǎng)(5)以及用于加固巷幫的幫部鋼筋梯子梁(6)和幫部錨桿(7)，所述高幫支護還包括幫部錨索(8);所述巷底支護包括沿巷道縱向?qū)ΨQ設(shè)置的底角錨桿(9)，該底角錨桿(9)位于巷底與巷幫形成的兩側(cè)底角處，其俯角呈45°。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬網(wǎng)(I)沿巷頂傾斜面鋪設(shè)，所述頂部鋼筋梯子梁(2)設(shè)于金屬網(wǎng)(I)外側(cè)、沿巷頂傾斜方向拼接、并在巷道縱向間隔分布，任一頂部鋼筋梯子梁(2)上間隔垂直穿設(shè)頂部錨桿(3);所述頂部錨索(4)位于巷頂中部、且穿過頂部鋼筋梯子梁(2)位于相鄰頂部錨桿(3)之間，相鄰頂部錨索(4)在巷道縱向上通過頂部槽鋼(1)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂部錨索(4)至少為兩根，頂部錨索(4)與頂部錨桿(3)在頂部鋼筋梯子梁(2)上間隔分布。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂部鋼筋梯子梁(2)在巷道縱向上等距間隔分布，頂部錨桿(3)在頂部鋼筋梯子梁(2)上等距間隔分布O5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，任一頂部鋼筋梯子梁(2)上首端和末端的頂部錨桿(3)分別向其鄰近的巷幫傾斜10°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電焊平網(wǎng)(5)沿巷幫鋪設(shè)，所述幫部鋼筋梯子梁(6)設(shè)于電焊平網(wǎng)(5)外側(cè)、沿巷道縱向拼接、并在巷幫豎向間隔分布，任一幫部鋼筋梯子梁(6)上間隔垂直穿設(shè)幫部錨桿(7)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低幫支護一側(cè)，幫部錨桿(7)在豎向相鄰的幫部鋼筋梯子梁(6)上交錯設(shè)置。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述高幫支護一側(cè)，巷幫豎向兩端設(shè)有幫部錨索(8)，該幫部錨索(8)沿巷道縱向間隔分布，相鄰幫部錨索(8)在巷道縱向上通過幫部槽鋼(11)連接，該幫部槽鋼(11)位于豎向相鄰的兩條幫部鋼筋梯子梁(6)之間；相鄰的幫部槽鋼(11)和幫部鋼筋梯子梁(6)上，幫部錨索(8)與幫部錨桿(7)在巷幫豎向上的位置錯開;相鄰兩幫部鋼筋梯子梁(6)上的幫部錨桿(7)在巷幫豎向上的位置錯開。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述幫部鋼筋梯子梁(6)在巷幫豎向上等距間隔分布，幫部錨桿(7)在幫部鋼筋梯子梁(6)上等距間隔分布O10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部三軟煤層非對稱巷道支護結(jié)構(gòu)，其特征在于，穿設(shè)于巷幫最上端的幫部鋼筋梯子梁(6)上的幫部錨桿(7)向巷頂傾斜10°，穿設(shè)于巷幫最下端的幫部鋼筋梯子梁(6)上的幫部錨桿(7)向巷底傾斜10°。
【文檔編號】E21D21/00GK105909289SQ201610240355
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】張煒, 張東升, 吳立新, 馬立強, 胡文敏, 閆世勇
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)