一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统及方法技术方案

本发明专利技术属于煤矿巷道支护技术领域，公开了一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统及方法。沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，针对不同的顶板岩层情况，分别对顶板实施支护，形成顶板组合岩梁的支护系统与方法，形成的顶板组合岩梁承受巷道顶板上部的荷载，实现采区矩形巷道顶板的支护与稳定。本发明专利技术结合具体的巷道顶板岩层条件，利用锚杆等对顶板岩层的支护作用，在巷道顶板岩层中形成一种顶板组合岩梁的支护系统及方法；形成的顶板组合岩梁利用结构中简支梁的承载原理和作用，使得巷道顶板岩层能像结构中的梁一样承受荷载作用，保证巷道稳定。既能解决此类巷道支护技术问题，保证巷道稳定；又不过于增加支护成本，施工简单，易于操作。易于操作。易于操作。

【技术实现步骤摘要】
一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统及方法


[0001]本专利技术涉及煤矿巷道支护
，尤其涉及一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，我国煤炭开采已经进入深部，为了实现快速开采，减少开采成本，大量布置在煤层内的采区矩形巷道被广泛采用，其总量已占煤矿支护巷道的60～80％左右。此类巷道沿着巷道顶板在煤层内布置，经掘进、支护后，即使两帮与底板较为稳定，矩形巷道顶板仍会出现大面积冒落，有的巷道顶板较为破碎，下沉严重；有的巷道顶板离层明显，造成巷道顶板破坏等。此类巷道经松动圈测试和现场取芯钻孔发现，巷道顶板围岩多为砂岩、页岩、泥岩等，其破碎深度在3.0～5.0m左右。
[0003]支护此类巷道现在普遍采用的是锚网支护技术。锚网支护就是在巷道顶板下方铺设一层金属网，利用锚杆锚入顶板岩层，并将金属网固定，或在此基础上增加锚索支护。在浅部煤矿开采时，由于巷道顶板破坏深度较小，锚网支护技术一定程度上有效解决了巷道顶板的支护问题，但随着煤矿开采进入深部，现有技术存在的问题是：
[0004](1)不能有效解决顶板压力过大造成的巷道破坏问题。压力主要来自巷道上方破碎岩体自重压力，或构造应力引起的垂直应力。
[0005](2)顶板岩石节理裂隙较为发育，两节理面之间的摩擦力受断层、褶曲地带等地质构造影响较大，使顶板岩石极易破碎，同时深部巷道顶板砂岩普遍软化严重，泥岩极易崩解，从而造成岩石的强度降低，塑性区范围随之变大问题。
[0006](3)采区巷道顶板岩层中多有泥岩夹层存在，使其在支承压力作用下产生向外的位移，从而导致顶板的下沉问题。
[0007](4)顶板层状岩层整体性差，各层刚度较小，在上部压力作用下，各分层独自受力，独自变形，致使整个巷道顶板抗弯承载力低，变形大问题。
[0008](5)现有技术存在支护深度、支护强度不够，或支护形成的顶板支护系统、方法不合理，但又不能不计成本增加支护深度、强度，支护形成的顶板支护系统不能有效的发挥围岩的自身稳定性、不能提高巷道顶板的稳定性等问题。
[0009]此类问题的长期存在，致使巷道顶板支护后的破坏频繁发生，已经严重影响到大多数煤矿巷道的正常施工、正常生产和安全，亟需一种安全可靠、经济合理、便于施工的巷道顶板支护系统及方法，用于此类巷道顶板的支护治理，确保巷道稳定。
[0010]解决上述技术问题的难度：多年来，各级政府和相关企事业单位投入了大量技术和资金支持进行研究，期望解决布置在煤层内的采区矩形巷道的顶板支护稳定，但由于此类巷道顶板岩层条件的复杂性、动态性、变化性以及不可预测性，到目前为止也没有找到能够解决上述所有技术问题的方法，解决上述技术问题的难度非常大。
[0011]解决上述技术问题的意义：由于采区矩形巷道大量布置在煤层内，巷道掘进速度快，提高了煤炭开采的速度；但增加了巷道的不稳定性。为此采区矩形巷道一般沿着煤层顶
板布置，巷道的稳定性主要取决于顶板岩层状况和支护的效果。如巷道顶板支护技术过于复杂，投入大，尽管能保证巷道稳定，但这类巷道总体服务年限较短，如果成本太高，在经济上非常不合理。为此，本专利技术结合具体的巷道顶板岩层条件，利用锚杆等对顶板岩层的支护作用，在巷道顶板岩层中形成一种顶板组合岩梁的支护系统及方法；利用梁的承载原理和作用，使得巷道顶板岩层能像结构中的梁一样承受荷载作用，保证巷道稳定。用该技术方法既能解决此类巷道的支护技术问题，保证巷道稳定；又不过于增加支护成本，施工简单，易于操作，对于保证煤矿企业的正常生产和安全，提高巷道施工速度，提高经济效益，具有重要的社会和经济意义。

技术实现思路

[0012]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统及方法。
[0013]本专利技术是这样实现的，一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法，所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，在不同的顶板岩层情况下，通过对顶板支护形成顶板组合岩梁的支护系统与方法，利用结构中梁的承受荷载的原理与作用，实现采区矩形巷道顶板的支护与稳定。
[0014]进一步，所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法包括：
[0015]第一种支护方法，对于为层状岩层的矩形巷道，通过锚入巷道顶板层状岩层内一定长度和根数的高强锚杆、铺设在巷道平顶顶板下部沿巷道横向全长的钢筋梯子，形成的层状岩层采区矩形巷道顶板支护系统，提供给顶板层状岩层足够的轴向压力对层状各岩层紧固，形成由高强锚杆、钢筋梯子、层状岩层组成的钢筋岩层支护结构，使原以巷道两帮为支点的由各岩层顶板组成的叠合岩梁支护系统，变成了一个厚度大的平顶组合岩梁支护系统；
[0016]第二种支护方法，对于顶板由非层状岩层或破碎岩层组成的巷道，将巷道顶板施工成圆弧形曲顶，沿着曲顶下侧铺设的金属网、横向全长的钢筋梯子，然后通过锚入巷道顶板岩层的一定长度和数量的高强锚杆、形成非层状岩层或破碎岩层采区矩形巷道顶板支护系统，提供给顶板非层状岩层或破碎岩层足够的轴向压力，对非层状岩层或破碎岩层紧固、挤压，并由曲顶、高强锚杆、钢筋梯子、金属网、非层状岩层或破碎岩层形成加固组合拱形岩梁支护体系；
[0017]第三种支护方法，对于顶板压力较大、为层状岩层的巷道，由锚杆和铺设在巷道平顶下部的横向钢筋梯子形成的矩形巷道顶板组合岩梁，通过锚入一定数量和足够长度的锚索，将第一种支护方法形成的平顶组合岩梁悬吊到上部坚固岩石中，相当于在组合岩梁下方又增加了多个支承。
[0018]进一步，所述第一种支护方法中，巷道顶板的层状岩层多为3～5层，以各种页岩为主，每层厚度分布在零点几米至十几米不等；对于矩形巷道，顶板的每一层岩石即是一个单层岩石梁，巷道开挖后支承在两帮的煤壁上，形成一个独立的简支梁；每一独立的简支梁在顶板上部荷载和岩石梁自重等竖向荷载的作用下独自承受弯矩及其引起的变形；组成顶板岩层的弹性模量E相同，按最小三层计算，每层厚度相同，取h，宽度取b；
[0019]则：每层岩石梁的刚度为：
[0020]当高强锚杆、钢筋梯子对层状岩层支护紧固后，顶板形成了由钢筋锚杆、钢筋梯子和岩层组成的整体组合岩梁，其刚度为：
[0021]组合岩梁与叠合岩梁的刚度比为：
[0022]组合岩梁与叠合岩梁的挠度比为：
[0023]组合岩梁与叠合岩梁在受拉对应位置的正应力比为：
[0024]公式中，EI表示组合岩梁的刚度；EI
i
表示单层岩梁的刚度；E表示岩层的弹性模量；I表示组合岩梁的惯性矩，I
i
表示单层岩梁的惯性矩，f表示组合岩梁的最大挠度；f
i
表示单层岩梁的最大挠度；M表示作用在梁截面的最大弯矩；σ表示组合岩梁截面的正应力；σ
i
表示单层岩梁截面的正应力；l表示岩梁的跨度。
[0025]进一步，所述第三种支护方法中，作用在巷道顶板组合岩梁上的竖向荷载为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法，其特征在于，所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，在不同的顶板岩层情况下，通过对顶板支护形成顶板组合岩梁的支护系统与方法，利用结构中简支梁的承受荷载的原理与作用，实现采区矩形巷道顶板的支护与稳定。2.如权利要求1所述的用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法，其特征在于，所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法包括：第一种支护方法，对于为层状岩层的矩形巷道，通过锚入巷道顶板层状岩层内一定长度和根数的高强锚杆、铺设在巷道平顶顶板下部沿巷道横向全长的钢筋梯子，形成的层状岩层采区矩形巷道顶板支护系统，提供给顶板层状岩层足够的轴向压力对层状各岩层紧固，形成由高强锚杆、钢筋梯子、层状岩层组成的钢筋岩层支护结构，使原以巷道两帮为支点的由各岩层顶板组成的叠合岩梁支护系统，变成了一个厚度大的平顶组合岩梁支护系统；第二种支护方法，对于顶板由非层状岩层或破碎岩层组成的巷道，将巷道顶板施工成圆弧形曲顶，沿着曲顶下侧铺设的金属网、横向全长的钢筋梯子，然后通过锚入巷道顶板岩层的一定长度和数量的高强锚杆、形成非层状岩层或破碎岩层采区矩形巷道顶板支护系统，提供给顶板非层状岩层或破碎岩层足够的轴向压力，对非层状岩层或破碎岩层紧固、挤压，并由曲顶、高强锚杆、钢筋梯子、金属网、非层状岩层或破碎岩层形成加固组合拱形岩梁支护体系；第三种支护方法，对于顶板压力较大、为层状岩层的巷道，由锚杆和铺设在巷道平顶下部的横向钢筋梯子形成的矩形巷道顶板组合岩梁，通过锚入一定数量和足够长度的锚索，将第一种支护方法形成的平顶组合岩梁悬吊到上部坚固岩石中，相当于在组合岩梁下方又增加了多个支承。3.如权利要求2所述的用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法，其特征在于，所述第一种支护方法中，巷道顶板的层状岩层多为3～5层，以各种页岩为主，每层厚度分布在零点几米至十几米不等；对于矩形巷道，顶板的每一层岩石即是一个单层岩石梁，巷道开挖后支承在两帮的煤壁上，形成一个独立的简支梁；每一独立的简支梁在顶板上部荷载和岩石梁自重等竖向荷载的作用下独自承受弯矩及其引起的变形；组成顶板岩层的弹性模量E相同，按最小三层计算，每层厚度相同，取h，宽度取b；则：每层岩石梁的刚度为：当高强锚杆、钢筋梯子对层状岩层支护紧固后，顶板形成了由钢筋锚杆、钢筋...

【专利技术属性】
技术研发人员：初明祥，初琪，杨荣帅，孙悦强，曾哲，彭传雄，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：