一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置与方法，属于充填开采技术领域。该装置包括顶板控制装置和充填装置，所述顶板控制装置为预应力桁架锚索装置，加固顶板，增强顶板自身承力性能，控制顶板下沉量；充填装置包括垛柱式充填模板，充填模板内注入充填材料，垛柱式充填模板骨架道木控制顶板前期下沉量和充填柱体后期压缩量，木质挡板控制充填柱体形状和欠接顶量；两者相互配合全面控制顶板下沉量，提高柱式部分充填对顶板下沉量的控制效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置与方法，属于充填开采

技术介绍
为了控制“三下”采煤引起的地表沉降及长臂垮落式采煤方法对环境的损害，煤炭开采企业近年来选用了充填法采煤工艺。充填开采中顶板下沉量直接影响地表沉陷量，顶板下沉量是评定充填效果的直接标准。充填开采顶板下沉量包括：充填前期顶板下沉量，充填柱体欠接顶量，充填柱体后期压缩量。全采全充采煤工艺对地表沉降和环境损害取得了很好的控制效果，但也存在着主要不足：一是因为全采全充需要充填的空间量相对较大，充填材料供不应求的矛盾较为突出，充填工序材料成本较高；二是因为充填工作量相对较大，占用了正常采煤工序的作业时间，采煤工作面原有的生产效率大幅度降低。因此，有学者提出采空区部分充填采煤方法，以减少充填工作量和充填材料使用量，降低充填成本，提高生产效率。采空区部分充填方法主要包括条带式充填和墩柱式充填，然而部分充填对地表沉陷的控制效果不如全采全充，尤其是墩柱式充填多用柔性土工布防渗真空袋装载充填材料，形状不易控制，且易破损变形，接顶率不高，不能控制顶板早期下沉量，后期强度也不能保证，控制效果不甚理想。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置与方法。本专利技术提供了一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，包括顶板控制装置和充填装置，所述顶板控制装置为预应力桁架锚索装置，加固顶板，增强顶板自身承力性能，控制顶板下沉量；充填装置包括垛柱式充填模板，充填模板内设有充填材料；每组充填装置上方设有五组顶板控制装置，每组充填装置由四个呈正方形排列的垛柱式充填模板组成，每个垛柱式充填模板的上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置，且以正方形为中心的正上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置；所述预应力桁架锚索装置为矿用预应力桁架锚索装置，每个装置由两根桁架锚索和一个连接锁紧器组成，连接锁紧器上设有紧固螺栓；锚索将不同岩层组合在一起，提高岩层自身抗弯性能；连接锁紧器将两根锚索用刚性材料连接在一起，共同起到悬吊托举顶板的作用，提高顶板的抗拉性能；锚索的长度和连接锁紧器的长度以工程实际情况而定，锚索锚固段位于顶板上方稳定岩层(如关键层)中，连接锁紧器两端的锚索外露端头在模板外侧20-40cm；垛柱式充填模板和位于其正上方的预应力桁架锚索装置，两者中心位置相互对齐，模板固定后与连接锁紧器的刚性材料接触；所述垛柱式充填模板设置在直接顶下方，四周由拼接在一起的支撑架围成长方体框架结构，模板的相对两个面上分别是单个支撑架或经单侧拼接后的若干支撑架组成的整体，相邻两个面通过边缘的支撑架垂直拼接组成；每块支撑架由挡板、骨架道木和对拉锚索组成，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，对拉锚索设置在每一侧模板中心的竖向道木上；骨架道木拼接后直接接触顶板，对顶板形成支撑；在模板一侧的挡板上方设有充填口；所述挡板为木质板，用于围挡充填柱体，厚20-50mm，高度随采高确定，长度根据充填柱体的尺寸确定；充填柱体指充填后形成的柱状充填体，也可叫充填体支柱；当充填柱体单侧尺寸在3m以内时，挡板尺寸等于充填柱体单侧尺寸；当充填柱体单侧尺寸大于3m时，可将充填模板分段设计成若干块小的支撑架后再进行单侧拼接；四周支撑架垂直拼接后形状规整，不变形不漏浆，挡板内部充填膨胀性充填材料，提高材料固结后接顶率；所述骨架道木为矿用道木，是四棱柱结构，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，道木截面是边长为100-200mm的正方形，横向道木两端比挡板两端各延伸出100-300mm的宽度，便于不同模板的拼接组装，竖向道木高度和挡板的高度相同；横向道木和竖向道木分别通过钢钉固定在挡板上，是主要的受力结构，拼接后可直接对顶板和充填柱体形成支撑；所述拼接是指支撑架之间的拼接，分为单侧平行拼接和垂直拼接，设计时将相邻支撑架的横向骨架道木交错布置以便于拼接；单侧拼接是指当充填柱体单侧长度较大时(大于3m)，这时将支撑架延伸出来的横向骨架道木相互穿插进相邻支撑架的竖向道木下完成拼接，将若干支撑架连接在一起形成一个长的整体结构，其长度与充填柱体的长度相等；垂直拼接是指不同侧支撑架的拼接，此时相邻支撑架延伸出来的横向骨架道木相互交错搭接，四周全部完成拼接后用对拉锚索施加预紧力进行固定；所述对拉锚索为矿用钢绞线锚索，长度随模板的整体尺寸而定，两端各向支撑架外延伸出150-300mm，以便于施加预紧力，对拉锚索固定在模板中心的竖向道木上，配合骨架道木为充填柱体提供侧向压力，提高充填柱体抗压强度，减小充填柱体后期压缩量；所述充填口为圆孔，充填口的直径为10-20cm，位于充填模板的最上端，充填完成后封闭充填口。本专利技术提供了一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的方法，包括以下步骤：(1)根据工程条件计算初次或周期垮落步距L，并运用安全系数法和支路面积分配法确定充填间距L'和充填柱体尺寸a；(2)根据充填间距设计桁架锚索装置的安装位置：在充填支柱中心位置和充填后悬顶中心位置安装高强预紧力桁架锚索装置；根据顶板岩层条件及悬顶尺寸确定桁架锚索的尺寸；(3)根据充填柱体尺寸设计充填模板长度：当充填柱体单侧尺寸在3m以内时，挡板尺寸等于充填柱体尺寸；当充填柱体单侧尺寸大于3m时，可将充填模板分段设计成若干块小的支撑架后进行拼接，模板高度随采高确定；随后将制作好的充填支撑架通过矿井材料运输系统运到充填工作面；(4)当充填支架移动到充填柱体设计位置L时在后尾梁的掩护下安装桁架锚索装置，对桁架锚索施加高强预紧力，并将紧固螺栓拧紧；(5)桁架锚索安装完毕后，在后尾梁和桁架锚索的掩护下将模板安装拼接：随着充填支架的移动，在充填柱体设计的位置在临时支护的保护下将支撑架安装拼接；然后用对拉锚索固定，并向对拉锚索施加一定的预紧力；木垛的拼接后固定也可用道木侧向支撑；(6)当四周模板拼接完成，即可进行充填工作，可选用膨胀性充填材料，以提高材料固结后的接顶率；充填模板骨架道木直接对顶板形成支撑，控制顶板下沉量；所述膨胀性充填材料可为含有膨润土的膏体充填材料，其中：胶结料∶膨润土∶煤矸石∶粉煤灰为1∶0.6∶3∶4，膏体的质量浓度为70～75％，其余为水；或含有膨胀剂的膏体充填材料，配比为胶结材料15％，粉煤灰20％，煤矸石45％，水20％，其中胶结材料是由普通硅酸盐水泥85～90％，甲酸钙2～5％，膨胀剂8～10％均匀混合而成，所述膨胀剂为氧化镁，膏体的质量浓度为78～82％，其余为水；(7)当充填支架移动到充填后悬顶中心桁架锚索设计位置L+L'/2时，在后尾梁的掩护下安装桁架锚索装置，对桁架锚索施加高强预紧力，并将紧固螺栓拧紧；(8)悬顶中心桁架锚索安装后，充填液压支架前移割煤，当行进到下一充填位置时重复步骤(4)～(7)；直至采区开采并充填完毕。上述使用方法中，所述拼接即将挡板的骨架道木相互穿插组合，再用对拉锚索固定；拼接分为单侧拼接、垂直拼接，拼接完成后也可用侧向支撑道木代替对拉锚索提供侧向支撑。本专利技术提供的柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，所述的预应力桁架锚索装置，加固顶板，增强顶板自身承力性能，控制顶板下沉量；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：包括顶板控制装置和充填装置，所述顶板控制装置为预应力桁架锚索装置，加固顶板，增强顶板自身承力性能，控制顶板下沉量；充填装置包括垛柱式充填模板，充填模板内设有充填材料；所述预应力桁架锚索装置为矿用预应力桁架锚索装置，每个装置由两根桁架锚索和一个连接锁紧器组成，连接锁紧器上设有紧固螺栓；锚索将不同岩层组合在一起，提高岩层自身抗弯性能；连接锁紧器将两根锚索用刚性材料连接在一起，共同起到悬吊托举顶板的作用，提高顶板的抗拉性能；锚索的长度和连接锁紧器的长度以工程实际情况而定，锚索锚固段位于顶板上方稳定岩层中，连接锁紧器两端的锚索外露端头在模板外侧20‑40cm；所述垛柱式充填模板设置在直接顶下方，四周由拼接在一起的支撑架围成长方体框架结构，模板的相对两个面上分别是单个支撑架或经单侧拼接后的若干支撑架组成的整体，相邻两个面通过边缘的支撑架垂直拼接组成；每块支撑架由挡板、骨架道木和对拉锚索组成，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，对拉锚索设置在每一侧模板中心的竖向道木上；骨架道木拼接后直接接触顶板，对顶板形成支撑；在模板一侧的挡板上方设有充填口；每组充填装置上方设有五组顶板控制装置，每组充填装置由四个呈正方形排列的垛柱式充填模板组成，每个垛柱式充填模板的上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置，且以正方形为中心的正上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置。...

【技术特征摘要】
1.一种柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：包括顶板控制装置和充填装置，所述顶板控制装置为预应力桁架锚索装置，加固顶板，增强顶板自身承力性能，控制顶板下沉量；充填装置包括垛柱式充填模板，充填模板内设有充填材料；所述预应力桁架锚索装置为矿用预应力桁架锚索装置，每个装置由两根桁架锚索和一个连接锁紧器组成，连接锁紧器上设有紧固螺栓；锚索将不同岩层组合在一起，提高岩层自身抗弯性能；连接锁紧器将两根锚索用刚性材料连接在一起，共同起到悬吊托举顶板的作用，提高顶板的抗拉性能；锚索的长度和连接锁紧器的长度以工程实际情况而定，锚索锚固段位于顶板上方稳定岩层中，连接锁紧器两端的锚索外露端头在模板外侧20-40cm；所述垛柱式充填模板设置在直接顶下方，四周由拼接在一起的支撑架围成长方体框架结构，模板的相对两个面上分别是单个支撑架或经单侧拼接后的若干支撑架组成的整体，相邻两个面通过边缘的支撑架垂直拼接组成；每块支撑架由挡板、骨架道木和对拉锚索组成，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，对拉锚索设置在每一侧模板中心的竖向道木上；骨架道木拼接后直接接触顶板，对顶板形成支撑；在模板一侧的挡板上方设有充填口；每组充填装置上方设有五组顶板控制装置，每组充填装置由四个呈正方形排列的垛柱式充填模板组成，每个垛柱式充填模板的上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置，且以正方形为中心的正上方岩层中设有一组预应力桁架锚索装置。2.根据权利要求1所述的柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：所述垛柱式充填模板和位于其正上方的预应力桁架锚索装置，两者中心位置相互对齐，模板固定后与连接锁紧器的刚性材料接触。3.根据权利要求1所述的柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：所述挡板为木质板，用于围挡充填柱体，厚20-50mm，高度随采高确定，长度根据充填柱体的尺寸确定。4.根据权利要求1所述的柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：所述骨架道木为矿用道木，是四棱柱结构，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，道木截面是边长为100-200mm的正方形，横向道木两端比挡板两端各延伸出100-300mm的宽度，便于不同模板的拼接组装，竖向道木高度和挡板的高度相同；横向道木和竖向道木分别通过钢钉固定在挡板上，是主要的受力结构，拼接后可直接对顶板和充填柱体形成支撑。5.根据权利要求1所述的柱式部分充填开采中控制顶板下沉的装置，其特征在于：所述拼接是指支撑架之间的拼接，分为单侧平行拼接和垂直拼接，设计时将相邻支撑架的横向骨架道木交错布置以便于拼接；单侧拼接是指当充填柱体单侧长度大于3m时，这时将支撑架延伸出来的横向骨架道木相互穿插进相邻支撑架的竖向道木下完成拼接，将若干支撑架连接在一起形成一个长的整体结构，其长度与充填柱体的长度相等；垂直拼接是指不同侧支撑架的拼接，此时相邻支撑架延伸出来的横向骨架道木相互交错搭接，四周全...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，杜献杰，张玉江，郭育霞，戚庭野，李振，白锦文，宋凯歌，刘国艳，郭军，康立勋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14