[发明专利]煤矿采空区下近距离煤巷支护参数设计方法

摘要

本发明公开了一种煤矿采空区下近距离煤巷支护结构及支护参数设计方法，首先计算上部煤层开采过程中引起的底板损伤深度和屈服比；然后对近距离煤层顶板分类；根据顶板分类选择支护方式；最后设计高预紧力高强锚杆配合锚索钢梁结构。本发明采用高预紧力高强锚杆支护可以有效地阻止顶板岩层松散冒落，可将己受到上部煤层开采影响、完整性受到一定破坏程度的上部煤层或为煤层开采后垮落的应力降低区岩层加固成一个完整的组合梁，再通过锚索槽钢梁的悬吊作用，使下部煤层开采过程中顶板结构变化较小，避免出现较大的矿山压力，保证下部煤层巷道的完整性。

主权项

1.一种煤矿采空区下近距离煤巷支护参数的设计方法，其特征在于，步骤如下：第一步，计算上部煤层开采过程中引起的底板损伤深度hσ根据滑移线场理论，因支承压力影响而形成的底板屈服破坏深度h为：式中由得：即：由式(3‑1)至式(3‑5)可求得，底板岩层的最大屈服破坏深度hmax为：根据极限平衡理论计算的煤壁塑性区宽度x0为：由式(3‑6)、式(3‑7)确定的上部煤层开采时底板岩层最大屈服破坏深度hmax即底板损伤深度hσ，为：上述式中，M—上部煤层开采厚度，单位m；k‑应力集中系数，取3.0；γ‑采场上覆岩层的平均容重，kg/m3；H‑煤层埋藏深度，m；C‑煤体的内聚力，MPa；‑煤体的内摩擦角度值；f‑煤层与顶底板接触面的摩擦系数ξ‑三轴应力系数‑底板岩层内摩擦角度值；第二步，计算屈服比ψ当岩层中的应力强度达到或超过岩层的屈服极限时，会产生大量次生裂隙，屈服比描述的是上部煤层开采后屈服区在底板岩层中所占的比例；屈服比ψ用以下公式表示：即上部煤层开采引起的底板岩层损伤深度hσ与上下煤层间岩层厚度或煤层的层间距离之比；式中hσ为底板岩层损伤深度，由式(3‑8)计算得到；hj为上下煤层间岩层厚度或煤层的层间距离；第三步，对近距离煤层顶板分类当两煤层之间的岩层厚度即层间距hj≤0.5m时，按夹矸煤层处理，可把上下两煤层视为同一煤层开采；当煤层的层间距离hj小于公式(3‑8)的计算值hσ时，视为破碎顶板；当下部煤层顶板的ψ≥1，说明上部煤层开采后下部煤层顶板己经完全损伤破坏，此类顶板称为破碎顶板；当下部煤层顶板的ψ＜1，且顶板厚度满足hj≥1.5m时，说明上部煤层开采后下部煤层顶板尚未完全损伤破坏，顶板内部具有稳定区域，此类顶板称为块裂顶板；第四步，选择支护方式1、破碎顶板的支护方式由于该类顶板完整性遭到严重破坏，支护过程中没有稳定的层位或者稳定的区域，无法锚索支护，所以巷道顶板只能采用传统的架棚方式进行支护；2、块裂顶板的支护方式此类巷道顶板采用高预紧力高强锚杆配合锚索钢梁结构支护方式；第五步，设计高预紧力高强锚杆配合锚索钢梁结构高预紧力高强锚杆配合锚索钢梁结构设计如下：煤巷的顶板和两帮采用高强高预紧力锚杆支护，通过高强高预紧力锚杆将巷道顶煤以及顶板岩层加固成一个完整的组合梁；在煤巷每个支护断面的顶板上还布置有横向的托梁和两根以上的锚索，通过锚索将托梁拉紧，从而将由高强高预紧力锚杆加固而成的组合梁悬吊住；上述的高强高预紧力锚杆安装在顶板时，采用直径20mm矿用高强螺纹钢，锚杆长度至少大于底板损伤深度hσ加两块树脂锚固剂的长度，且不低于2400mm，要求其屈服强度＞500MPa，抗拉强度＞650MPa，锚杆施加预紧力60KN以上；上述的高强高预紧力锚杆安装在两帮时，采用直径180mm的矿用高强螺纹钢，锚杆长度大于2000mm，要求其屈服强度＞500MPa，抗拉强度＞650MPa，锚杆施加预紧力40KN以上；要求锚杆间距和排距均为800‑1000mm；上述的锚索采用矿用笼型锚索，锚索直径17‑18mm，锚索安装深度应靠近上部煤层采空区的底部，且至少为4500mm，最大破断力＞353KN；上述的托梁采用11#槽钢，长度2200mm；要求托梁每隔两排锚杆布置一根。