基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法技术

技术编号:14002609 阅读:91 留言:0更新日期:2016-11-16 10:29
本发明专利技术公开了一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,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:根据所确定的围岩基本力学参数,并结合上覆岩层下压侧煤帮的向内位移理论值和煤柱下压侧煤帮的向内位移理论值,对当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量进行确定;三、巷道开挖:根据所确定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;四、下一节段开挖;五、多次重复步骤四,直至完成近距离煤层巷道的全部开挖过程。本发明专利技术方法步骤简单、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,能解决煤帮非对称变形后侵入巷道净空的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于巷道施工
,尤其是涉及一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法
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,即夹层的厚度小于30m。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。
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,提供一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,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,能有效解决煤帮非对称变形后侵入巷道净空并影响巷道正常使用的问题,避免了近距离下部煤层巷道的返修工作,且施工成本低。为解决上述技术问题,本专利技术采用的技术方案是:一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,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;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时,多个所述节段的开挖方法均相同;对于近距离煤层巷道的任一节段进行开挖时,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;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;(5),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、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖;步骤五、多次重复步骤四,直至完成近距离煤层巷道的全部开挖过程。上述基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,其特征是:所述近距离煤层巷道的煤柱下压侧煤帮内侧岩体由外至内分为第一变形区、第二变形区和第三变形区,所述第一变形区位于采空区下方,第二变形区位于上煤层巷道下方,第三变形区位于保护煤柱下方;所述第二变形区与上煤层巷道的宽度相同,所述第三变形区的宽度与保护煤柱的宽度相同;步骤二中所述的l1为第一变形区的宽度,所述第一变形区由内至外分为破裂区、塑性区和弹性区;所述的k2为当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮内侧的第三变形区内岩体的应力集中系数。上述基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,其特征是:步骤二中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,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,根据公式Δd1=S1+Δd1(9)进行确定;公式(9)中,Δd1=0.05m~0.12m;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,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,根据公式Δd2=S2+Δd2(10)进行确定;公式(10)中,Δd2=0.05m~0.12m。上述基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,其特征是:步骤三中进行巷道开挖之前,先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,并结合近距离煤层巷道的设计宽度B,对当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮一侧的实际开挖宽度b1和煤柱下压侧煤帮一侧的实际开挖宽度b2分别进行确定;其中,b1=b+Δd1,b2=b+Δd2,且b和B的单位均为m;当前施工节段的实际开挖宽度b'=b1+b2;步骤三中进行巷道开挖时,根据预先设计的当前所施工节段的巷道中心线,并结合所确定的b1和b2,对当前所施工节段进行开挖。上述基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,其特征是:步骤三中巷道开挖完成后,还需由后向前在当前所施工节段的煤本文档来自技高网
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基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法

【技术保护点】
一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,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;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)进行开挖时,多个所述节段的开挖方法均相同;对于近距离煤层巷道(1)的任一节段进行开挖时,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;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、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖;步骤五、多次重复步骤四,直至完成近距离煤层巷道(1)的全部开挖过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,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;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)进行开挖时,多个所述节段的开挖方法均相同;对于近距离煤层巷道(1)的任一节段进行开挖时,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;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、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖;步骤五、多次重复步骤四,直至完成近距离煤层巷道(1)的全部开挖过程。2.按照权利要求1所述的基于巷帮位移分析的近距离煤层巷道开挖方法,其特征在于:所述近距离煤层巷道(1)的煤柱下压侧煤帮内侧岩体由外至内分为第一变形...

【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

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