一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系的制作方法

本發明涉及一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系。

背景技術：

隨著煤炭資源的不斷開采，淺部煤層儲量越來越少，很多煤礦都進入了深部開采。深部煤層上部煤層開采后，受到上部煤層的采動影響，改變了下采區原巖應力狀態，導致應力重新分布。下采區煤巷掘進過程中，圍巖易發生顯著變形位移和壓力增大，需要經過應力重新分布達到新的平衡，巷道圍巖才能重新穩定下來。如果巷道的支護不能適應采動影響帶來的應力變化，或者沒有及時采取相應的加固補救措施，則巷道容易發生不同程度的破壞，或圍巖大變形，或圍巖松動失穩，影響巷道的正常安全使用。

尤其當遇到上覆煤層與下覆煤層之間為夾矸層，且夾矸層屬于0-2米厚的薄夾矸層時，此時巷道頂板受采動影響極為破碎。巷道掘進及開采過程中破碎頂板冒頂嚴重，冒頂后容易與上層采空區導通，使得工作面通風困難，不利于安全生產；巷道維護工程量大，成本高；具有工作面生產成本高，影響生產工期，經濟效益低等問題。

而且上覆煤層采空后，再開采頂板破碎的下部煤層，破碎頂板易超前漏冒，煤壁易片幫，采場圍巖控制特別困難，制約工作面推進度甚至使工作面不能正常推進而被迫停產，難以實現安全高效開釆。

對于上覆開采完成，薄夾矸下覆煤層工作面的頂板有效管理方法研究很少。由于煤層的頂板為垮落的破碎矸石重新壓實、穩定、膠結而成的再生頂板，整體極差，因此改善巷道頂板的受力狀態，減小頂板冒落是保證薄夾矸下覆煤層巷道安全的關鍵。傳統的支護方案只是采用靜壓巷道中的簡單的聯合支護方法，只考慮原巖應力場的作用，并未充分估計采動影響導致的頂板破碎和應力集中的影響，很容易發生頂板的垮塌和冒落。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系。

為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系，包括錨桿結構、類梯形棚架和設于所述類梯形棚架外側的防護網，所述類梯形棚架包括沿縱向每隔設定間距布設在巷道兩側對置的側壁支撐件，兩個所述側壁支撐件的頂端通過頂梁連接；所述頂梁具有向上拱起的弧度，其曲率為0.1-0.3；所述錨桿結構包括側壁錨桿和頂部錨桿，同一隧道斷面上的相鄰的所述側壁錨桿之間的間距為0.7～1.5m，相鄰的所述頂部錨桿之間的間距為0.7～1.5m。

巷道開挖后，由于開挖卸荷的作用，導致巷道的頂板、兩幫和底板均會出現明顯的應力釋放區。針對薄夾矸煤巷上覆煤層與下覆煤層之間的厚度很薄且受采動影響極為破碎的情況，，采用具有向上拱起且弧度很小的類梯形的棚架結構，可以顯著減小應力釋放區和塑性破壞區，更好的控制頂板的帽落和垮塌，顯著改善巷道頂梁的受力狀態，有利于巷道頂板的穩定，提高薄夾矸巷道的支護效果。此外，當類梯形棚架頂部拱起的弧度曲率過大時，支護的彎矩和軸力會迅速增大；而曲率過小時，支護結構的下沉值得不到有效抑制。當采用上述曲率時，可以達到受力和位移的最佳平衡狀態。

錨桿支護屬于“主動”支護，可以充分利用圍巖的自承能力，提高巷道圍巖的穩定性，有著傳統外部支承方法所不能獲得的技術和經濟優越性，更有利于改善巷道的維護狀況，保持巷道圍巖的長期穩定。

通過錨桿結構、類梯形棚架和防護網建立了“礦工鋼類梯形棚+錨網”組合支護設計新工藝，在控制成本的同時，實現安全高效開采。

當薄夾矸的厚度為0-1m米時，所述頂梁弧度的曲率為0.3；當薄夾矸的厚度為1～2m米時，所述頂梁弧度的曲率為0.2；當薄夾矸的厚度為2～3米時，所述頂梁弧度的曲率為0.1。在滿足上述條件下，采用相應弧度曲率的頂梁可以取得更好的支護效果。

所述側壁支撐件和所述頂梁采用型鋼制成。

所述側壁支撐件與水平面的夾角為80゜-87゜。

所述頂梁的長度為3.5-4m，所述側壁支撐件的高度為3-3.5m。即使在薄夾矸的條件下，采用類梯形棚架仍然可以保證常規尺寸下巷道的正常支護，無需縮小巷道的尺寸。

位于同一側的所述側壁支撐件通過側壁連桿連接，所述側壁支撐件上設有用以所述側壁連桿通過的側壁過孔。側壁支撐件之間通過側壁連桿連接，增強結構的整體性和穩定性。

所述側壁連桿采用木材，其寬度為0.15m，高度為0.05m。

所述側壁過孔位于所述側壁連桿的上部，距離所述頂梁的距離為0.5m。在側壁支撐件的上部連接側壁連桿，結構受力更科學，支護效果更好。

相鄰的所述側壁支撐件之間和/或相鄰的所述頂梁之間設有連接鋼筋，所述連接鋼筋通過設于所述側壁支撐件和/或所述頂梁內側的連接件進行連接。設置連接鋼筋進一步增加結構的整體穩定性。

所述頂梁通過頂梁連桿連接，所述頂梁上設有所述頂梁連桿通過的頂梁過孔；所述頂梁過孔位于所述頂梁的中間位置。

所述防護網采用金屬網，所述防護網與所述頂梁和所述側壁支撐件之間設有沿隧道縱向設置的墊板。可以使金屬網更穩定的固定在棚架上。

本發明的有益效果是：

當開采薄夾矸的下覆煤巷時，采用類梯形棚架支護可以有效的改善巷道頂板的受力狀態，減小巷道頂板下沉，為薄夾矸中下覆巷道支護提供了新思路。

附圖說明

圖1是本發明的斷面圖；

圖2a是梯形支護有限元計算模型；

圖2b是類梯形支護有限元計算模型；

圖3a是梯形支護模型拉應力分布圖；

圖3b是類梯形支護模型拉應力分布圖；

圖4a是梯形支護模型壓應力分布圖；

圖4b是類梯形支護模型壓應力分布圖；

圖5a是梯形支護模型總位移場分布圖；

圖5b是類梯形支護模型總位移場分布圖；

圖6a是梯形支護模型圍巖塑性破壞區分布圖；

圖6b是類梯形支護模型圍巖塑性破壞區分布圖。

圖中：1.側壁支撐件，2.頂梁，3.金屬網，4.側壁過孔，5.頂梁過孔，6.墊板；A.上覆煤層；B薄夾矸層；C下覆煤層；D1是梯形支護，D2是類梯形支護。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明進行詳細說明。

實施例1：

一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系，包括錨桿結構、類梯形棚架和設于所述類梯形棚架外側的防護網，類梯形棚架包括沿縱向每隔設定間距布設在巷道兩側對置的側壁支撐件1，兩個側壁支撐件1的頂端通過頂梁2連接，頂梁2具有向上拱起的弧度。當薄夾矸的厚度為2米時，頂梁2弧度的曲率為0.2。錨桿結構包括側壁錨桿和頂部錨桿，同一隧道斷面上的相鄰的側壁錨桿之間的間距為0.9m，相鄰的頂部錨桿之間的間距為1.0m。

側壁支撐件1與水平面的夾角為80゜，頂梁2的長度為4m，側壁支撐件1的長度為3.5m。即使在薄夾矸的條件下，采用類梯形棚架仍然可以保證常規尺寸下巷道的正常支護，無需縮小巷道的尺寸。

位于同一側的側壁支撐件1通過側壁連桿連接，側壁支撐件1上設有用以側壁連桿通過的側壁過孔4。側壁支撐件1之間通過側壁連桿連接，增強結構的整體性和穩定性。

側壁連桿采用木材，其寬度為0.15m，高度為0.05m。

側壁過孔4位于側壁連桿的上部，距離頂梁2的距離為0.5m。在側壁支撐件1的上部連接側壁連桿，結構受力更科學，支護效果更好。

相鄰的側壁支撐件1之間和/或相鄰的頂梁2之間設有連接鋼筋，連接鋼筋通過設于側壁支撐件1和/或頂梁2內側的連接件進行連接。設置連接鋼筋進一步增加結構的整體穩定性。

頂梁2通過頂梁連桿連接，頂梁2上設有頂梁連桿通過的頂梁過孔5；頂梁過孔5位于頂梁2的中間位置。

防護網采用金屬網3，防護網與頂梁2和側壁支撐件1之間設有沿隧道縱向設置的墊板6，可以使金屬網3更穩定的固定在棚架上。

分別建立具有相同支護條件的薄夾矸巷道梯形支護和類梯形支護的有限元模型(如圖2a和圖2b)，即除了棚架支護的截面形狀不同外，其他的支護條件均相同。其中上覆煤層A、薄夾矸層B、下覆煤層C、梯形支護D1和類梯形支護D2分別如圖2a和圖2b所示。

巷道掘進后，梯形支護和類梯形支護圍巖應力場分布如圖3a-圖4b所示，圖中巷道附近的深色(紅色)區域為巷道開挖導致的應力釋放區，巷道遠處的深色(藍色)區域為巷道開挖導致的應力集中區。可以看出巷道開挖后，巷道的頂板、兩幫和底板均出現了明顯的應力釋放區，這主要是巷道的開挖卸荷所致。梯形支護和類梯形支護下巷道應力釋放區的對比可以看出，當采用類梯形支護時，圍巖頂板的應力釋放區減小了30％以上，表明類梯形支護可以很好的改善巷道拱頂的受力狀態，有利于巷道頂板穩定。

巷道掘進后，梯形支護和類梯形支護圍巖位移場分布如圖5a和圖5b所示。從圖中可以看出，巷道開挖后，圍巖出現了明顯的收斂位移，其中兩幫以水平變形為主，頂板的下沉和底鼓明顯。梯形支護和類梯形支護下巷道位移場的對比可以看出，當采用類梯形支護時，圍巖頂板下沉減小了36％，表明類梯形支護在巷道頂板破碎的情況下，可以較好的控制頂板的冒落和垮塌。

巷道掘進后，梯形支護和類梯形支護圍巖塑性破壞區分布如圖6a和圖6b所示。可以看出巷道開挖后，隨著圍巖卸荷效應和變形的增大，巷道周邊出現了明顯的塑性破壞區。當采用類梯形支護時，由于巷道頂板的受力狀態有所改善，圍巖的變形明顯減小，巷道頂板的塑性破壞區也有所減小，表明類梯形支護有利于提高薄夾矸巷道的支護效果。

實施例2：

一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系，與實施例1的區別為：薄夾矸層的厚度為1米，頂梁具有向上拱起的弧度，其曲率是0.3。梯形支護和類梯形支護的數值模擬計算結果的對比具有與實施例1相同的趨勢。

實施例3：

一種應用于采動影響區薄夾矸煤巷的支護體系，與實施例1的區別為：薄夾矸層的厚度為3m米，頂梁具有向上拱起的弧度，其曲率是0.1。梯形支護和類梯形支護的數值模擬計算結果的對比具有與實施例1相同的趨勢。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現，未予以詳細說明的部分，為現有技術，在此不進行贅述。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。