本發(fā)明涉及煤層沿空留巷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種巷旁“支護(hù)體-充填體”協(xié)調(diào)支護(hù)沿空留巷方法。

背景技術(shù)：

沿空留巷技術(shù)自20世紀(jì)50年代在我國開始使用以來，一直是我國煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。到了70年代，巷旁支護(hù)開始采用混凝土砌塊和密集金屬支柱，并成功應(yīng)用于中厚煤層。80年代，我國先后從英國、德國引進(jìn)了充填材料和充填設(shè)備，并在陽泉、開灤、平頂山等礦區(qū)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較好的效果，并逐漸認(rèn)清了沿空留巷中的充填體既是限制變形體，又是適應(yīng)變形體。經(jīng)過十多年的研究、試驗(yàn)和推廣，到90年代初，充填材料和充填設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，中國礦業(yè)大學(xué)所研制的充填材料和設(shè)備在性能上已經(jīng)超過了國外的材料和設(shè)備，此充填材料具有增阻速度快、支撐能力大、密封性能好和機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，使得發(fā)展沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵問題得到了解決。

目前為止，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及煤幫加固技術(shù)已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層較大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時沒有取得預(yù)期的效果，甚至留巷失敗，從而限制了沿空留巷技術(shù)更廣泛地推廣應(yīng)用。

根據(jù)沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護(hù)方式，我國沿空留巷技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可分為以下四個階段。

第一階段，20世紀(jì)50年代起，在煤厚1.5m以下的煤層中嘗試著用矸石墻作巷旁支護(hù)，巷內(nèi)主要采用木棚支護(hù)，其存在著矸石的沉縮量大、巷內(nèi)支架變形嚴(yán)重、維護(hù)工作量大、工人壘砌矸石的工效低、勞動強(qiáng)度大、安全性差等問題，其應(yīng)用范圍受到極大限制。

第二階段，20世紀(jì)60年代至70年代，在1.5～2.5m厚的煤層中應(yīng)用密集支柱、木垛、矸石帶、砌塊等作為巷旁支護(hù)，巷內(nèi)多采用木棚、工字鋼梯形支架支護(hù)，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的應(yīng)用。

第三階段，20世紀(jì)80年代至90年代，在大力推行綜合機(jī)械化采煤后，隨著采高不斷增大，我國煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國外的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巷旁充填護(hù)巷技術(shù)，巷內(nèi)多采用型鋼可縮性金屬支架。90年代初期，沿空留巷理論與技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于巷內(nèi)支護(hù)大多為被動支護(hù)，加之巷旁充填技術(shù)還不完善，其支護(hù)技術(shù)難以適應(yīng)大斷面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技術(shù)應(yīng)用范圍又呈減少趨勢。

第四階段，21世紀(jì)以來，隨著錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用和巷旁充填技術(shù)的不斷完善，有些學(xué)者在厚煤層綜放工作面進(jìn)行了沿空留巷技術(shù)試驗(yàn)研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦s2-6綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷旁支護(hù)運(yùn)用高水材料充填加上空間錨栓加固網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行綜放大斷面沿空留巷試驗(yàn)，并取得初步成功。

但是現(xiàn)有研究中，對于巷旁充填體(包括常規(guī)的矸石充填體、膏水充填體、混凝土砌塊充填體等)與巷幫支護(hù)體(包括常規(guī)的單體支柱、金屬支架、鋼管混凝土支架等)協(xié)同作用方面并無相關(guān)研究，現(xiàn)有的沿空留巷方式，對巷旁的充填體、支護(hù)體都是單一的考慮其支護(hù)材料、支護(hù)強(qiáng)度，沒有統(tǒng)籌考慮兩者協(xié)同支護(hù)情況下的變形量、承載能力。包括沿空留巷模型的建立、支護(hù)體、充填體承載量的計(jì)算、支護(hù)體變形量的計(jì)算，以及具體的協(xié)同作用支護(hù)方法的確定，仍然需要進(jìn)一步研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對上述存在的缺陷而提供一種支護(hù)原理科學(xué)、可靠、理論計(jì)算方便的普遍適用于煤層回采巷道巷旁支撐體-巷幫支護(hù)體協(xié)同作用的充填工作面沿空留巷方法，進(jìn)而提供一種沿空留巷巷旁支護(hù)體和充填體協(xié)同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。對于巷旁充填體(包括常規(guī)的矸石充填體、膏水充填體、混凝土砌塊充填體等)與巷幫支護(hù)體(包括常規(guī)的單體支柱、金屬支架、鋼管混凝土支架等)協(xié)同作用進(jìn)行了研究，改善了現(xiàn)有的對巷旁的充填體、支護(hù)體都是單一考慮、沒有統(tǒng)籌兩者協(xié)同支護(hù)情況下的變形量、承載能力的沿空留巷方式。本發(fā)明的巷旁“支護(hù)體-充填體”協(xié)調(diào)支護(hù)沿空留巷方法提高了沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的一種巷旁“支護(hù)體-充填體”協(xié)調(diào)支護(hù)沿空留巷方法技術(shù)方案為：在保證充填高度和充填密實(shí)的情況下，直接頂將冒落充填上部空區(qū)，并對基本頂形成良好支撐；基本頂保持彎曲變現(xiàn)或破裂后鉸接狀態(tài)；為確保留巷斷面和保持留巷穩(wěn)定，需加固巷道直接頂使其形成梁，巷旁充填體和支護(hù)體一起控制梁的下沉；針對不同強(qiáng)度類型的充填體，計(jì)算出需要巷旁支護(hù)體的支護(hù)力，變被動支護(hù)為主動支護(hù)，同時根據(jù)直接頂斷裂后的端部下沉量估算支護(hù)體的變形量，預(yù)先給剛性支護(hù)體留出變形量，從而保證巷道支護(hù)質(zhì)量。

具體為：

(1)充填工作面沿空留巷力學(xué)模型

在保證充填高度和充填密實(shí)的情況下，直接頂將冒落充填上部空區(qū)，并對基本頂形成良好支撐?；卷敱３謴澢儸F(xiàn)或破裂后鉸接狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)充填工作面沿空留巷時可不考慮基本頂對巷道的影響。為確保留巷斷面和保持留巷穩(wěn)定，需加固巷道直接頂使其形成梁，巷旁充填體和支護(hù)體一起控制梁的下沉。

(2)沿空留巷支護(hù)體支護(hù)力計(jì)算

直接頂與巷旁充填體及支護(hù)體之間的力學(xué)關(guān)系如說明書附圖圖1所示，根據(jù)力矩平衡原理可計(jì)算出支護(hù)體的支護(hù)力。充填工作面沿空留巷圍巖控制的關(guān)鍵在于：直接頂作為荷載體與巷旁充填體和巷旁支護(hù)體作為承載體要匹配，一是力的匹配，二是變形量匹配。

l-巷道寬度，m；b-巷旁充填體寬度，m；l-直接頂斷裂塊長度，m；r1-巷旁充填體支撐力，n；r2-巷旁支護(hù)體支護(hù)力，n。

由力矩的平衡原理可以計(jì)算出走向每米直接頂作用力為：

γml²/2＝r2l+r1(l+b/2)

式中：γ——直接頂?shù)钠骄亓γ芏?，kn/m³；m——直接頂?shù)暮穸龋琺；r2可認(rèn)為是一定值，與支護(hù)方式有關(guān)；應(yīng)變量，f(ε)表示巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度是關(guān)于巷旁充填體應(yīng)變量的函數(shù)，f(ε)可表示為說明書附圖圖3所示的曲線。

圖中ε＝δh/h，δh為巷幫充填體壓縮量，也是直接頂端部下沉量。由于ε與δh呈正比，因此，f(ε)也可表示為f(δh)。因此，巷旁充填體支護(hù)力r1可表示為

r1＝bf(δh)

據(jù)此，得到

r2＝γml²/2l-bf(δh)(l+b/2)/l

可見，巷旁支護(hù)體支護(hù)力r2與直接頂端部下沉量呈反比，即直接頂端部下沉量越大，巷旁充填體支撐力越大，而所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力越小。即所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力與直接頂位態(tài)有關(guān)，控制位態(tài)越高，所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力越大。

(3)充填工作面沿空留巷巷幫支護(hù)體預(yù)留變形量計(jì)算

基本頂?shù)臉O限狀態(tài)是沿留巷實(shí)體幫斷裂回轉(zhuǎn)

δs/c＝δh/l

式中：δs-巖層觸矸處的沉降量，δs＝(0.15～0.25)h′，h′為當(dāng)量采高；c-基本頂運(yùn)動步距；l-直接頂斷裂塊長度；△h-直接頂端部下沉量。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的一種沿空留巷巷旁支護(hù)體和充填體協(xié)同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，對于巷旁充填體(包括常規(guī)的矸石充填體、膏水充填體、混凝土砌塊充填體等)與巷幫支護(hù)體(包括常規(guī)的單體支柱、金屬支架、鋼管混凝土支架等)協(xié)同作用進(jìn)行了研究，改善了現(xiàn)有的對巷旁的充填體、支護(hù)體都是單一考慮、沒有統(tǒng)籌兩者協(xié)同支護(hù)情況下的變形量、承載能力的沿空留巷方式。本發(fā)明的巷旁“支護(hù)體-充填體”協(xié)調(diào)支護(hù)沿空留巷方法提高了沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1所示為巷旁充填體-巷幫支護(hù)體協(xié)同作用沿空留巷力學(xué)模型；

圖2所示為直接頂與巷旁充填體及支護(hù)體之間的力學(xué)關(guān)系圖；

圖3所示為f(ε)曲線；

圖4所示為基本頂最終位態(tài)圖；

圖5所示為巷旁充填體-巷幫支護(hù)體協(xié)同作用沿空留巷結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中，1-關(guān)鍵層，2-基本頂，3-直接頂，4-煤層，5-巷旁支護(hù)體，6-巷旁充填體，7-采空區(qū)。

具體實(shí)施方式：

為了更好地理解本發(fā)明，下面用具體實(shí)例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但是本發(fā)明并不局限于此。

實(shí)施例1

本發(fā)明的一種巷旁“支護(hù)體-充填體”協(xié)調(diào)支護(hù)沿空留巷方法：

充填工作面沿空留巷力學(xué)模型

在保證充填高度和充填密實(shí)的情況下，直接頂將冒落充填上部空區(qū)，并對基本頂形成良好支撐?；卷敱３謴澢儸F(xiàn)或破裂后鉸接狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)充填工作面沿空留巷時可不考慮基本頂對巷道的影響。為確保留巷斷面和保持留巷穩(wěn)定，需加固巷道直接頂使其形成梁，巷旁充填體和支護(hù)體一起控制梁的下沉。

沿空留巷支護(hù)體支護(hù)力計(jì)算

直接頂與巷旁充填體及支護(hù)體之間的力學(xué)關(guān)系如說明書附圖圖1所示，根據(jù)力矩平衡原理可計(jì)算出支護(hù)體的支護(hù)力。充填工作面沿空留巷圍巖控制的關(guān)鍵在于：直接頂作為荷載體與巷旁充填體和巷旁支護(hù)體作為承載體要匹配，一是力的匹配，二是變形量匹配。

l-巷道寬度，m；b-巷旁充填體寬度，m；l-直接頂斷裂塊長度，m；r1-巷旁充填體支撐力，n；r2-巷旁支護(hù)體支護(hù)力，n。

由力矩的平衡原理可以計(jì)算出走向每米直接頂作用力為：

γml²/2＝r2l+r1(l+b/2)

式中：γ——直接頂?shù)钠骄亓γ芏?，kn/m³；m——直接頂?shù)暮穸?，m；r2可認(rèn)為是一定值，與支護(hù)方式有關(guān)；應(yīng)變量，f(ε)表示巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度是關(guān)于巷旁充填體應(yīng)變量的函數(shù)，f(ε)可表示為說明書附圖圖3所示的曲線。

圖中ε＝δh/h，δh為巷幫充填體壓縮量，也是直接頂端部下沉量。由于ε與δh呈正比，因此，f(ε)也可表示為f(δh)。因此，巷旁充填體支護(hù)力r1可表示為

r1＝bf(δh)

據(jù)此，得到

r2＝γml²/2l-bf(δh)(l+b/2)/l

可見，巷旁支護(hù)體支護(hù)力r2與直接頂端部下沉量呈反比，即直接頂端部下沉量越大，巷旁充填體支撐力越大，而所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力越小。即所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力與直接頂位態(tài)有關(guān)，控制位態(tài)越高，所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力越大。

取γ＝2.5×10⁴n，m＝3m，l＝7.5m，l＝4.5m，b＝3m。將上述數(shù)據(jù)帶入公式可得：

r2＝2.5×10⁴×3×7.5²/9-3×(4.5+3/2)f(δh)/4.5＝4218.75×10³-4f(δh)

若控制直接頂位態(tài)δh＝0，即直接頂不下沉，此時巷旁充填體未被壓縮，沒有支撐力，需要巷旁支護(hù)體支護(hù)力為4218.75kn；若允許直接頂有一定量的下沉，巷旁充填體受壓縮將提供一定的支撐力，所需巷旁支護(hù)體支護(hù)力將有所降低。假定巷旁充填體受壓縮將后的支撐力為0.2mpa，則此時巷旁支護(hù)體支護(hù)力為4218.75kn-4×0.2×10³kn＝3418.75kn。

充填工作面沿空留巷巷幫支護(hù)體預(yù)留變形量計(jì)算

基本頂?shù)臉O限狀態(tài)是沿留巷實(shí)體幫斷裂回轉(zhuǎn)

δs/c＝δh/l

式中：δs-巖層觸矸處的沉降量，δs＝(0.15～0.25)h′，h′為當(dāng)量采高；c-基本頂運(yùn)動步距；l-直接頂斷裂塊長度；△h-直接頂端部下沉量。

取δs＝0.2h′，h′＝3.2-2.2＝1.0m，l＝7.5m，c＝15m。帶入上式可得

△h＝0.2×7.5/15＝0.1m＝100mm

考慮到取值問題和實(shí)際充填高度問題，考慮一定的富裕，取支護(hù)體預(yù)留變形量為200mm。

在支護(hù)之前預(yù)先把支護(hù)體的預(yù)計(jì)變形量留出來，在頂板來壓下沉的過程中跟隨頂板下沉。一般支護(hù)體是剛性材料，頂板來壓比較大，如果不預(yù)留變形量，支護(hù)體就會被頂板壓垮、壓變形。