一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法技术

本发明专利技术公开了一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，包括步骤：一、围岩基本力学参数确定；二、巷道两帮预留开挖量确定；三、巷道开挖；四、巷道帮部支护结构确定：巷道支护结构包括呈交错布设的巷道支护单元和注浆锚杆，巷道帮部支护单元包括顶板支护体系、底板支护体系和巷道帮部支护体系；四、极限冒落拱矢高确定；五、巷道支护结构确定；六、巷道围岩支护施工；七、下一节段开挖及巷道围岩支护施工；八、多次重复步骤七，完成近距离煤层巷道的施工过程。本发明专利技术方法简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据近距离下部煤层巷道的围岩变形情况对巷道两帮预留开挖量分别进行确定，并采用注浆锚杆与巷道支护单元配合对巷道进行全断面支护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于巷道施工
，尤其是涉及一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法。
技术介绍
近年来，随着中厚煤层资源的逐步枯竭，近距离薄煤层群开采(也称为近距离煤层开采)成为当今煤炭资源发展的必然趋势之一。通常认为煤层层间距很近，开采时具有显著相互影响的煤层；一般指煤层间距小于30m的煤层。由于近距离煤层中煤层间距较小，受上部煤层开采后遗留煤柱形成的集中压力的影响，围岩变形剧烈，其中巷道两帮的煤体强度通常较顶底板的煤体强度软弱，巷道两帮煤体的变形量大已成为下部回采巷道支护工作的重点和难点，并且诸多专家和现场工程技术人员对此进行了深入研究。其中，张炜通过对近距离煤层巷道变形进行现场实测发现下部煤层的回采巷道布置在应力降低区，依然出现了巷道一帮变形大于另一帮的情形；胡敏军等认为由于下煤层巷道两帮所受的水平应力大小不等，巷道靠近煤柱侧的帮部变形和破坏区大于靠近实体煤侧；张继华等运用数学计算软件分析了近距离下部煤层巷道帮部变形失稳出现的非对称现象，指出靠近煤柱侧的变形情况远远超过靠近实体煤侧；杨智文提出从巷道布置、支护措施、预爆破上覆煤柱等来解决极近距离煤层多采空区下巷道的稳定问题；方新秋采用现场实测、理论分析及数值模拟，通过设计顶板及两帮不同支护参数，分析了不同计算模型下巷道煤帮及顶底板的位移。此外，还有一些文献也通过数值模拟和理论分析对近距离下部煤层巷道围岩的变形及支护技术进行了探讨。由上述内容可知，现如今对近距离下煤层回采巷道变形及其支护的研究取得了较多的成果，但都是采用数值模拟和现场实测来开展的，而基于工程类比或施工经验来确定的开挖、支护方案及参数具有很大的随意性和盲目性。由于近距离采空区下回采巷道的受力环境较单一煤层巷道具有显著的差异，现有单一煤层巷道变形及支护的研究成果并不适用于近距离采空区下的回采巷道。现如今对回采巷道底臌的形成机理及其控制措施进行了深入探讨。但由于煤矿巷道应力状况和围岩性质的复杂性，对底臌机理至今尚没有统一的认识，进而导致现场底臌控制措施的确定大多采用工程类比法和施工人员的经验法，具有相当大的盲目性和对经验的依赖性，底臌治理效果并不理想。工程实际中，巷道开挖后，对底板而言，两帮岩体起着传递应力的作用，底臌的发生及发展与两帮支承压力的分布是密切相关的。但目前治理底臌的方法主要集中在底板的处理上，一是加固法，即底板注浆、底板锚杆或封闭式支架；二是卸压法，即底板切缝、底板卸压钻孔或松动爆破；三是巷旁充填法，即把回采巷道两帮一定范围内的煤采出，再填入既有一定的支护阻力又有一定的让压性能的充填材料，使巷帮应力向深部转移。另外，工程实践表明，矩形巷道开挖以后，顶板岩体由于节理的切割而产生塌落，当塌落到一定程度后，上部岩体会形成一个自然平衡拱而稳定下来。由于自然平衡拱的支护参数与其形态及矢高密切关系，科学确定其形态及矢高可以合理设计支护参数，最大程度节约支护材料，达到预期的顶板支护效果。因此，对自然平衡拱的形态及矢高进行研究，具有极其重要的理论意义和工程实际意义。普氏冒落拱基本理论的基本假设为：①岩体中存在很多节理、裂隙及各种软弱夹层，岩体被上述非连续夹层切割成几何尺寸相对很小的岩块，其间还存在黏结力，因此巷道围岩可以视为一种有一定黏结力，但抗拉、抗弯及抗剪能力都很弱的松散体；②巷道开挖后，如不及时进行支护，巷道顶部岩体将冒落成一个拱：当巷道两帮稳定时，则初期冒落拱随塌落的发展而不断增高；若两帮不稳定，则拱跨和拱高会同时增大；当巷道埋深H大于5倍拱跨时，冒落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱；③拱脚处的摩擦抵抗着拱脚的移动并维护拱的稳定；④在拱脚处的水平推力小于拱脚处岩体的最大摩擦力，多余的摩擦力保证拱的稳定性，避免偶然移动而破坏，并且用这个储备为最大的条件来决定冒落拱的矢高。实践表明，普氏冒落拱基本理论在一定程度上反映了客观地压规律，但其尚存在以下不足：第一、忽略了水平应力σh对冒落拱的影响，实际上侧压力系数λ对顶板冒落拱的形态及矢高均有影响；第二、对两帮片帮形式的简化不当，而片帮形式对冒落拱矢高有较大影响；第三、两帮稳定时顶板冒落拱的形状简化过于单一；第四、忽略两帮楔形破坏对顶板冒落拱矢高的影响，实际上楔形破坏后沿竖直方向拉裂，各种形态的冒落拱矢高较理论值偏低。由此可见，工程实际中冒落拱的形态及矢高均与矩形回采巷道顶板的水平地应力和两帮的破坏形式均相关，因此有必要在考虑两帮变形破坏形式和水平地应力对顶板影响的前提下来确定冒落拱的形态及矢高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据近距离下部煤层巷道的围岩变形情况对巷道两帮预留开挖量分别进行确定，并采用注浆锚杆与巷道支护单元配合对巷道进行全断面支护。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向由后向前分多个节段对近距离煤层巷道进行开挖及巷道围岩支护施工；所述近距离煤层巷道的横断面为矩形且其为在下部煤层内开采的巷道，所述近距离煤层巷道位于上煤层巷道的一侧下方，所述上煤层巷道为在上部煤层内开采的巷道，所述上部煤层位于下部煤层上方，且上部煤层与下部煤层之间通过夹层进行分隔，所述夹层的厚度为D，其中15m≤D＜30m；所述近距离煤层巷道与上煤层巷道呈平行布设；所述上煤层巷道的一侧为采空区且其另一侧为预留的保护煤柱，所述近距离煤层巷道位于采空区下方；所述近距离煤层巷道靠近上煤层巷道的一侧巷道帮部为煤柱下压侧煤帮，近距离煤层巷道的另一侧巷道帮部为上覆岩层下压侧煤帮；对近距离煤层巷道进行开挖及巷帮围岩支护施工时，多个所述节段的开挖及巷道围岩支护施工方法均相同；对于近距离煤层巷道的任一节段进行开挖及巷道围岩支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；并且，对当前所施工节段的巷道两帮岩体的侧压力系数λ'进行确定，λ'＞0；步骤二、巷道两帮预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量分别进行确定；对当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的向内位移理论值S1进行确定；其中公式(1)中，h为近距离煤层巷道的净高，且a和h单位均为m；Δh为开挖完成后当前所施工节段的顶板最大下沉量；E为当前所施工节段两帮岩体的综合弹性模量且其单位为Pa；P1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的水平压力且P1＝λ·k1·γH(2)，公式(2)中k1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的应力集中系数，γ为当前所施工节段上覆岩层的平均容重且其单位为N/m3，H为当前所施工节段的埋深且其单位为m，λ为当前所施工节段中弹性地基梁的弹性特征值，所述弹性地基梁为当前所施工节段的两帮岩体；l1＝x0+le(3)，公式(3)中le为当前所施工节段两帮岩体弹性区的宽度且le＝h±Δh'，Δh'＝0m～0.3m；x0为当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度且公式(4)中c为当前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向由后向前分多个节段对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷道围岩支护施工；所述近距离煤层巷道(1)的横断面为矩形且其为在下部煤层(2)内开采的巷道，所述近距离煤层巷道(1)位于上煤层巷道(3)的一侧下方，所述上煤层巷道(3)为在上部煤层(4)内开采的巷道，所述上部煤层(4)位于下部煤层(2)上方，且上部煤层(4)与下部煤层(2)之间通过夹层(5)进行分隔，所述夹层(5)的厚度为D，其中15m≤D＜30m；所述近距离煤层巷道(1)与上煤层巷道(3)呈平行布设；所述上煤层巷道(3)的一侧为采空区(6)且其另一侧为预留的保护煤柱(7)，所述近距离煤层巷道(1)位于采空区(6)下方；所述近距离煤层巷道(1)靠近上煤层巷道(3)的一侧巷道帮部为煤柱下压侧煤帮，近距离煤层巷道(1)的另一侧巷道帮部为上覆岩层下压侧煤帮；对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷帮围岩支护施工时，多个所述节段的开挖及巷道围岩支护施工方法均相同；对于近距离煤层巷道(1)的任一节段进行开挖及巷道围岩支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；并且，对当前所施工节段的巷道两帮岩体的侧压力系数λ'进行确定，λ'＞0；步骤二、巷道两帮预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量分别进行确定；对当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的向内位移理论值S1进行确定；其中公式(1)中，h为近距离煤层巷道(1)的净高，且a和h单位均为m；Δh为开挖完成后当前所施工节段的顶板最大下沉量；E为当前所施工节段两帮岩体的综合弹性模量且其单位为Pa；P1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的水平压力且P1＝λ·k1·γH  (2)，公式(2)中k1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的应力集中系数，γ为当前所施工节段上覆岩层的平均容重且其单位为N/m3，H为当前所施工节段的埋深且其单位为m，λ为当前所施工节段中弹性地基梁的弹性特征值，所述弹性地基梁为当前所施工节段的两帮岩体；l1＝x0+le  (3)，公式(3)中le为当前所施工节段两帮岩体弹性区的宽度且le＝h±Δh'，Δh'＝0m～0.3m；x0为当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度且公式(4)中c为当前所施工节段巷道两帮岩体的粘聚力，为当前所施工节段巷道两帮岩体的内摩擦角；公式(5)中Ks为当前所施工节段的巷道两帮岩体与顶底板间交界面的切向刚度系数；对当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的向内位移理论值S2进行确定；其中公式(6)中l2为保护煤柱(7)的宽度，P2＝λ·k2·γH  (8)，公式(8)中k2为当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮内侧且位于保护煤柱(7)正下方的岩体的应力集中系数；步骤三、巷道开挖：根据步骤二中所确定的当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量，由后向前对当前施工节段进行开挖；步骤四、极限冒落拱矢高确定：根据步骤一中所确定的侧压力系数λ'，并结合所确定的围岩基本力学参数，对开挖后巷道帮部发生楔形破坏时冒落形成的第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b2'和在第一极限冒落拱(2‑2)的基础上继续冒落形成的第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b3'进行确定；其中，当0＜λ'＜1或λ'＞1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b2'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b3'；当λ'＝1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b2'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b3'；式(8‑1)、式(8‑2)、式(8‑3)和式(8‑4)中，K'为安全系数且K'为不小于1的有理数，f为当前所施工节段顶板岩层的坚固性系数，式(8‑5)中b'为步骤三中近距离煤层巷道(1)的开挖宽度，且b0和b'的单位均为m；步骤五、巷道支护结构确定：所采用的巷道支护结构包括多个巷道支护单元和多根注浆锚杆(8)，多个所述巷道支护单元沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，多根所述注浆锚杆(8)沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，且所述巷道支护单元与注浆锚杆(8)呈交错布设；多个所述巷道支护单元的结构均相同；所述巷道支护单元包括布设在近距离煤层巷道(1)顶板上的顶板支护体系、布设在近距离煤层巷道(1)底板上的底板支护体系和布设在近距离煤层巷道(1)左右两侧巷道帮上的巷道帮部支护体系，所述顶板支护体系、所述底板支护体系和所述巷道帮部支护体系均布设在近...

【技术特征摘要】
1.一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向由后向前分多个节段对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷道围岩支护施工；所述近距离煤层巷道(1)的横断面为矩形且其为在下部煤层(2)内开采的巷道，所述近距离煤层巷道(1)位于上煤层巷道(3)的一侧下方，所述上煤层巷道(3)为在上部煤层(4)内开采的巷道，所述上部煤层(4)位于下部煤层(2)上方，且上部煤层(4)与下部煤层(2)之间通过夹层(5)进行分隔，所述夹层(5)的厚度为D，其中15m≤D＜30m；所述近距离煤层巷道(1)与上煤层巷道(3)呈平行布设；所述上煤层巷道(3)的一侧为采空区(6)且其另一侧为预留的保护煤柱(7)，所述近距离煤层巷道(1)位于采空区(6)下方；所述近距离煤层巷道(1)靠近上煤层巷道(3)的一侧巷道帮部为煤柱下压侧煤帮，近距离煤层巷道(1)的另一侧巷道帮部为上覆岩层下压侧煤帮；对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷帮围岩支护施工时，多个所述节段的开挖及巷道围岩支护施工方法均相同；对于近距离煤层巷道(1)的任一节段进行开挖及巷道围岩支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；并且，对当前所施工节段的巷道两帮岩体的侧压力系数λ'进行确定，λ'＞0；步骤二、巷道两帮预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量分别进行确定；对当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的向内位移理论值S1进行确定；其中公式(1)中，h为近距离煤层巷道(1)的净高，且a和h单位均为m；Δh为开挖完成后当前所施工节段的顶板最大下沉量；E为当前所施工节段两帮岩体的综合弹性模量且其单位为Pa；P1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的水平压力且P1＝λ·k1·γH (2)，公式(2)中k1为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的应力集中系数，γ为当前所施工节段上覆岩层的平均容重且其单位为N/m3，H为当前所施工节段的埋深且其单位为m，λ为当前所施工节段中弹性地基梁的弹性特征值，所述弹性地基梁为当前所施工节段的两帮岩体；l1＝x0+le (3)，公式(3)中le为当前所施工节段两帮岩体弹性区的宽度且le＝h±Δh'，Δh'＝0m～0.3m；x0为当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度且公式(4)中c为当前所施工节段巷道两帮岩体的粘聚力，为当前所施工节段巷道两帮岩体的内摩擦角；公式(5)中Ks为当前所施工节段的巷道两帮岩体与顶底板间交界面的切向刚度系数；对当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的向内位移理论值S2进行确定；其中公式(6)中l2为保护煤柱(7)的宽度，P2＝λ·k2·γH (8)，公式(8)中k2为当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮内侧且位于保护煤柱(7)正下方的岩体的应力集中系数；步骤三、巷道开挖：根据步骤二中所确定的当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量，由后向前对当前施工节段进行开挖；步骤四、极限冒落拱矢高确定：根据步骤一中所确定的侧压力系数λ'，并结合所确定的围岩基本力学参数，对开挖后巷道帮部发生楔形破坏时冒落形成的第一极限冒落拱(2-2)的矢高b2'和在第一极限冒落拱(2-2)的基础上继续冒落形成的第二极限冒落拱(2-3)的矢高b3'进行确定；其中，当0＜λ'＜1或λ'＞1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2-2)的矢高b2'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2-3)的矢高b3'；当λ'＝1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2-2)的矢高b2'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2-3)的矢高b3'；式(8-1)、式(8-2)、式(8-3)和式(8-4)中，K'为安全系数且K'为不小于1的有理数，f为当前所施工节段顶板岩层的坚固性系数，式(8-5)中b'为步骤三中近距离煤层巷道(1)的开挖宽度，且b0和b'的单位均为m；步骤五、巷道支护结构确定：所采用的巷道支护结构包括多个巷道支护单元和多根注浆锚杆(8)，多个所述巷道支护单元沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，多根所述注浆锚杆(8)沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，且所述巷道支护单元与注浆锚杆(8)呈交错布设；多个所述巷道支护单元的结构均相同；所述巷道支护单元包括布设在近距离煤层巷道(1)顶板上的顶板支护体系、布设在近距离煤层巷道(1)底板上的底板支护体系和布设在近距离煤层巷道(1)左右两侧巷道帮上的巷道帮部支护体系，所述顶板支护体系、所述底板支护体系和所述巷道帮部支护体系均布设在近距离煤层巷道(1)的同一个巷道断面上；对所述巷道支护单元的支护结构进行确定时，需对所述顶板支护体系、所述底板支护体系和所述巷道帮部支护体系的支护结构分别进行确定；其中，所述巷道帮部支护体系所采用的支护结构根据当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度x0进行确定；对所述底板支护体系所采用的支护结构进行确定时，先根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式 (8-6)，计算得出当前所施工节段的巷道底板岩体最大破坏深度hmax；并根据公式计算得出当前所施工节段底部左右两侧的巷道底板岩体最大破坏深度处距相邻巷道帮壁的水平距离l0；式(8-6)和(8-7)中，为当前所施工节段巷道底板岩体的内摩擦角；之后，根据所确定的巷道底板最大破坏深度hmax和巷道底板最大破坏深度处至巷道帮壁的水平距离l0，对所述底板支护体系所采用的支护结构进行确定；所述顶板支护体系所采用的支护结构为锚索与锚杆联合支护结构；所述锚索与锚杆联合支护结构包括对当前所施工节段的顶板进行浅层支护的巷道顶板浅层支护结构和对当前所施工节段的顶板进行深层支护的巷道顶板深层支护结构；所述巷道顶板浅层支护结构包括多个由左至右布设在当前所施工节段的顶板上的顶板锚杆(11)，所述巷道顶板深层支护结构包括多个由左至右布设在当前所施工节段的顶板上的锚索(10)；对所述顶板支护体系的支护结构进行确定时，根据步骤四中所确定第一极限冒落拱(2-2)的矢高b2'对顶板锚杆(11)的长度进行确定，且根据步骤四中所确定第二极限冒落拱(2-3)的矢高b3'对锚索(10)的长度进行确定；多根所述注浆锚杆(8)均呈平行布设且其均与当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮呈垂直布设；所述注浆锚杆(8)位于当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮的中部且其布设在当前所施工节段的一个横断面上；步骤六、巷道围岩支护施工：根据步骤五中所确定的巷道支护结构，对当前所施工节段进行支护施工；步骤七、下一节段开挖及巷道围岩支护施工：重复步骤一至步骤六，对下一节段进行开挖及巷道围岩支护施工；步骤八、多次重复步骤七，直至完成近距离煤层巷道(1)的全部开挖及巷道围岩支护施工过程。2.按照权利要求1所述的一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其特征在于：所述近距离煤层巷道(1)为回采巷道且其净高与下部煤层(2)的净...

【专利技术属性】
技术研发人员：于远祥，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61