一种沿空留巷支护系统协调变形定量设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种沿空留巷支护系统协调变形定量设计方法，它首先构建沿空留巷支护系统，然后建立结构力学模型，根据力学模型获得受实体煤帮加锚煤体允许变形量限制、受巷旁充填体允许变形量限制、受沿空留巷巷道断面服务要求限制以及受采空区矸石最大变形量限制四种情形下的基本顶岩梁最大回转角，根据四种情形下的基本顶岩梁最大回转角的相对大小对沿空留巷围岩支护进行定量设计。本发明专利技术以控制侧向基本顶岩梁最佳回转角为依据，提出了协调沿空留巷巷帮加锚煤体、巷旁充填体、采空区矸石体变形能力等支护系统的定量设计方法，达到了沿空留巷支护系统协调变形共同承载的目标，成功实现了不同条件下的沿空留巷。

A Quantitative Design Method for Coordinated Deformation of Support System for Gob-side Retaining Roadway

The invention discloses a quantitative design method for coordinated deformation of gob-side retaining roadway support system. Firstly, the gob-side retaining roadway support system is constructed, and then the structural mechanics model is established. According to the mechanical model, the allowable deformation of the solid coal-side bolted coal body, the allowable deformation of the roadway-side filling body, the service requirements of the gob-side retaining roadway section and the maximum gangue in the goaf are obtained. The maximum rotation angle of the basic roof rock girder in four cases is limited by deformation. According to the relative magnitude of the maximum rotation angle of the basic roof rock girder in four cases, the quantitative design of surrounding rock support for gob-side retaining roadway is carried out. Based on the control of the optimum rotation angle of the lateral basic roof rock beam, the quantitative design method of supporting system including bolting coal body, filling body beside roadway and deformation ability of gangue body in goaf is proposed, which achieves the goal of coordinated deformation and common bearing of supporting system of goaf-side roadway retaining, and successfully realizes goaf-side roadway retaining under different conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种沿空留巷支护系统协调变形定量设计方法
本专利技术涉及煤矿采煤工作面沿空留巷技术，尤其涉及一种通过对沿空留巷实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石体协调变形达到沿空留巷定量支护设计的方法。
技术介绍
为减少采煤区段之间的煤柱损失，矿井常常采用无煤柱开采，即沿采空区保留本区段工作面顺槽为下一个区段回采工作面服务的巷道称为沿空留巷。沿空留巷实现了无煤柱开采，减少了巷道的掘进量，缓解了矿井衔接紧张的情况，具有明显的社会及经济效益。现我国已成功实现薄煤层、中厚煤层及厚煤层的采煤工作面沿空留巷。沿空留巷巷道与采空区之间多采用充填体进行隔离，实现巷道隔离采空区瓦斯等有毒有害气体。根据矿压理论，沿空留巷段实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体及采空区矸石共同承担上覆岩层重量。现场实践表明，在大埋深、坚硬顶板、大采高等复杂条件下实施沿空留巷，由于巷帮加锚煤体、充填体和采空区矸石体的承载性能(变形或强度)存在较大差异，经常出现某一项或两项远未达到其承载极限时，另外一项却因过度承载而破坏失稳的现象，严重威胁着留巷安全。
技术实现思路
针对前人没有涉及统筹考虑沿空留巷中实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石承载性能而进行沿空留巷支护系统设计，本专利技术提出一种沿空留巷支护系统协调变形设计方法。在充分发挥采空区矸石承载性能的基础上，调整沿空留巷基本顶岩梁回转角至最佳回转角，使实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石的变形相协调，三者均未达到极限变形而破坏，同时又能有效支护顶板，达到最优的沿空留巷效果。此方法能够保持沿空留巷围岩稳定，经济效益明显。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种沿空留巷支护系统协调变形设计定量方法，其特征在于，具体方法如下：第一：构建沿空留巷支护系统采煤工作面开采后，沿空巷道侧向直接顶一部分在采空区内垮落成矸石，另一部分由加锚煤体和巷旁充填体支撑形成岩梁A，其重量由实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体共同承担；侧向基本顶则在实体煤帮加锚煤体上方断裂形成岩梁B，岩梁B沿断裂线发生回转下沉，其自重和上覆软弱岩层重量由直接顶和采空区矸石共同承担，而作用在直接顶上的力将进一步转移至实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体上，由此，沿空留巷顶板运动过程中，实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石三者共同构成沿空留巷支护系统；第二：建立沿空留巷“加锚煤体-巷旁充填体-矸石体”协调控制结构力学模型基于实用矿山压力理论和岩石力学基本原理，建立了沿空留巷“加锚煤体-巷旁充填体-矸石体”协调控制结构力学模型，如变形方程式(1)和力学方程式(2)所示：变形方程：力学方程：其中，△h＝△hG+h-(Km-1)mz......................................式(3)式中：θ─基本顶岩梁回转角；△hM─基本顶岩梁断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁上部的顶板下沉量；L0─基本顶岩梁断裂后深入沿空留巷实体煤帮的距离；△hF─基本顶岩梁断裂后在沿空留巷充填体上部的顶板下沉量；a─沿空留巷巷道宽度；b─沿空留巷充填体宽度；△h─基本顶岩梁断裂后在采空区处最大下沉量；L1─基本顶断裂后的长度；△hW─巷道断面的变形量；q1─基本顶断裂后在沿空留巷实体煤帮断裂线处煤体提供的支承载荷；q2─基本顶断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁处煤体提供的支承载荷；qF─沿空留巷充填体提供的支承载荷；qG─基本顶断裂后采空区矸石提供的支承载荷；L2─基本顶断裂后采空区矸石的支承宽度；GZ─沿空留巷上部直接顶的重量；GE─沿空留巷上部基本顶的重量；q─基本顶上部软弱岩层对基本顶的压力；△hG─基本顶岩梁初始顶板下沉量与最终顶板下沉量之差；h─煤体厚度；Km─直接顶初始碎胀系数；mZ─直接顶厚度；c─直接顶岩梁断裂后在采空区部分悬顶长度；第三：根据第二步的力学模型获得基本顶岩梁最大回转角θmax在沿空留巷顶板运动过程中，当基本顶岩梁回转角θ较大时，实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体及采空区矸石变形量均较大，若加锚煤体和巷旁充填体变形量超过其允许变形量，将造成该支护结构破坏失稳，致使沿空留巷失败。同时，考虑到运输、通风等对沿空留巷巷道断面的要求，沿空留巷围岩变形也不能过大，基于上述原理需对受实体煤帮加锚煤体允许变形量限制、受巷旁充填体允许变形量限制、受沿空留巷巷道断面服务要求限制以及受采空区矸石最大变形量限制四种情形下的基本顶岩梁最大回转角进行限制，四种情形下的基本顶岩梁最大回转角统称θmax；①实体煤帮加锚煤体允许变形量限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax设实体煤帮加锚煤体在峰值应力处的应变用εCM表示，则基本顶岩梁断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁上部的顶板下沉量的最大值为△hMmax＝hεCM，带入式(1)即可获得受实体煤帮加锚煤体限制的基本顶最大回转角θmax，用θMmax表示；②巷旁充填体允许变形量限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax设巷旁充填体在峰值应力处的应变用εCF表示，则基本顶岩梁断裂后在沿空留巷充填体上部的顶板下沉量的最大值为△hFmax＝h2εCF，h2为原沿空掘巷巷道初始高度，带入式(1)即可获得受巷旁充填体限制的基本顶最大回转角θmax，用θFmax表示；③沿空留巷巷道断面服务要求限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax当巷道断面收缩率α小于沿空留巷巷道宽度a时，可以满足运输、通风等的要求，据此巷道断面的变形量的最大值Δhwmax＝h2α，带入式(1)即可获得受巷道断面服务要求限制的最大回转角θmax，用θWmax表示；④采空区矸石最大变形量限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax采空区矸石的承载能力随其变形呈指数增大，且变形量不会无限增大，设采空区矸石压实后的碎胀系数为KA，则基本顶岩梁初始顶板下沉量与最终顶板下沉量之差的最大值△hG＝(Km-KA)mZ，带入式(3)及式(1)，即可获得受采空区矸石最大变形量限制的基本顶最大回转角θmax，用θGmax表示；第四步：根据四种情形下的基本顶岩梁最大回转角θmax的相对大小对沿空留巷围岩支护进行定量设计在实际中，如果θMmax、θFmax、θWmax中任何一项超过限制值都将导致留巷失败(支护结构破坏失稳，或留巷断面太小，不满足服务要求)；而对于θGmax，其虽不存在结构失稳问题，但其变形量也不可以任意无限增大，为达到沿空留巷支护系统中任意一承载体不发生变形破坏，基本顶回转角应能同时满足上述四项限制，因此，基本顶最佳回转角应为θmax＝min{θMmax,θFmax,θWmax,θGmax}，基于上述机理，分以下四种情形开展优化设计。第一种情形：当θGmax≤min{θMmax,θFmax,θWmax}时，此时可以保证实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体结构的稳定，且巷道断面也能满足服务要求，无需对支护系统的变形进行调整；第二种情形：当θMmax≤min{θGmax,θFmax,θWmax}时，说明此时基本顶岩梁断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁上部的顶板下沉量△hM过大，此时采取以下措施中的一种：措施一：对巷旁顶板进行切顶，切顶高度为增加采空区矸石初始高度，使巷旁充填体的允许变形量Δhmax减小为L1sinθMmax，相应的θGmax减小为θMmax，也就是说基本顶岩梁最大回转角θ为θMmax；措施二：通过采用”柔-强”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沿空留巷支护系统协调变形设计定量方法，其特征在于，具体方法如下：第一：构建沿空留巷支护系统采煤工作面开采后，沿空巷道侧向直接顶一部分在采空区内垮落成矸石，另一部分由加锚煤体和巷旁充填体支撑形成岩梁(A)，其重量由实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体共同承担；侧向基本顶则在实体煤帮加锚煤体上方断裂形成岩梁(B)，岩梁(B)沿断裂线发生回转下沉，其自重和上覆软弱岩层重量由直接顶和采空区矸石共同承担，而作用在直接顶上的力将进一步转移至实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体上，由此，沿空留巷顶板运动过程中，实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石三者共同构成沿空留巷支护系统；第二：建立沿空留巷加锚煤体‑巷旁充填体‑矸石体协调控制结构力学模型基于实用矿山压力理论和岩石力学基本原理，建立了沿空留巷“加锚煤体‑巷旁充填体‑矸石体”协调控制结构力学模型，如变形方程式(1)和力学方程式(2)所示：变形方程：

【技术特征摘要】
1.一种沿空留巷支护系统协调变形设计定量方法，其特征在于，具体方法如下：第一：构建沿空留巷支护系统采煤工作面开采后，沿空巷道侧向直接顶一部分在采空区内垮落成矸石，另一部分由加锚煤体和巷旁充填体支撑形成岩梁(A)，其重量由实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体共同承担；侧向基本顶则在实体煤帮加锚煤体上方断裂形成岩梁(B)，岩梁(B)沿断裂线发生回转下沉，其自重和上覆软弱岩层重量由直接顶和采空区矸石共同承担，而作用在直接顶上的力将进一步转移至实体煤帮加锚煤体和巷旁充填体上，由此，沿空留巷顶板运动过程中，实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石三者共同构成沿空留巷支护系统；第二：建立沿空留巷加锚煤体-巷旁充填体-矸石体协调控制结构力学模型基于实用矿山压力理论和岩石力学基本原理，建立了沿空留巷“加锚煤体-巷旁充填体-矸石体”协调控制结构力学模型，如变形方程式(1)和力学方程式(2)所示：变形方程：力学方程：其中，△h＝△hG+h-(Km-1)mz..........................................式(3)式中：θ─基本顶岩梁回转角；△hM─基本顶岩梁断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁上部的顶板下沉量；L0─基本顶岩梁断裂后深入沿空留巷实体煤帮的距离；△hF─基本顶岩梁断裂后在沿空留巷充填体上部的顶板下沉量；a─沿空留巷巷道宽度；b─沿空留巷充填体宽度；△h─基本顶岩梁断裂后在采空区处最大下沉量；L1─基本顶断裂后的长度；△hW─巷道断面的变形量；q1─基本顶断裂后在沿空留巷实体煤帮断裂线处煤体提供的支承载荷；q2─基本顶断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁处煤体提供的支承载荷；qF─沿空留巷充填体提供的支承载荷；qG─基本顶断裂后采空区矸石提供的支承载荷；L2─基本顶断裂后采空区矸石的支承宽度；GZ─沿空留巷上部直接顶的重量；GE─沿空留巷上部基本顶的重量；q─基本顶上部软弱岩层对基本顶的压力；△hG─基本顶岩梁初始顶板下沉量与最终顶板下沉量之差；h─煤体厚度；Km─直接顶初始碎胀系数；mZ─直接顶厚度；c─直接顶岩梁断裂后在采空区部分悬顶长度；第三：根据第二步的力学模型获得基本顶岩梁最大回转角θmax在沿空留巷顶板运动过程中，当基本顶岩梁回转角θ较大时，实体煤帮加锚煤体、巷旁充填体及采空区矸石变形量均较大，若加锚煤体和巷旁充填体变形量超过其允许变形量，将造成该支护结构破坏失稳，致使沿空留巷失败，同时，考虑到运输和通风对沿空留巷巷道断面的要求，沿空留巷围岩变形也不能过大，基于上述原理需对受实体煤帮加锚煤体允许变形量限制、受巷旁充填体允许变形量限制、受沿空留巷巷道断面服务要求限制以及受采空区矸石最大变形量限制四种情形下的基本顶岩梁最大回转角进行限制，四种情形下的基本顶岩梁最大回转角统称θmax；①实体煤帮加锚煤体允许变形量限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax设实体煤帮加锚煤体在峰值应力处的应变用εCM表示，则基本顶岩梁断裂后在沿空留巷实体煤帮煤壁上部的顶板下沉量的最大值为△hMmax＝hεCM，带入式(1)即可获得受实体煤帮加锚煤体限制的基本顶最大回转角θmax，用θMmax表示；②巷旁充填体允许变形量限制下的基本顶岩梁最大回转角θmax设巷旁充填体在峰值应力处的应变用εCF表示，则基本顶岩梁断裂后在沿空留巷充填体上部的顶板下沉量的最大值为△hFmax＝h2εCF，h2为原沿空掘...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁建国，商和福，王俊，刘学生，杨尚，邱鹏奇，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37