[发明专利]一种沿空留巷支护系统协调变形定量设计方法

摘要

本发明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。

主权项

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＝△h_G+h‑(K_m‑1)m_z..........................................式(3)式中：θ─基本顶岩梁回转角；△h_M─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；△h_F─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；△h_W─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；q_F─沿空留巷充填体提供的支承载荷；q_G─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；G_Z─沿空留巷上部直接顶的重量；G_E─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；△h_G─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；K_m─直接顶初始碎胀系数；m_Z─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θ_max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θ_max；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θ_max设实体煤帮加锚煤体在峰值应力处的应变用ε_CM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△h_Mmax＝hε_CM，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θ_max，用θ_Mmax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θ_max设巷旁充填体在峰值应力处的应变用ε_CF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△h_Fmax＝h₂ε_CF，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θ_max，用θ_Fmax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θ_max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θ_max，用θ_Wmax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θ_max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K_A，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△h_G＝(K_m‑K_A)m_Z，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θ_max，用θ_Gmax表示；第四步：根据四种情形下的基本顶岩梁最大回转角θ_max的相对大小对沿空留巷围岩支护进行定量设计第一种情形：当θ_Gmax≤min{θ_Mmax,θ_Fmax,θ_Wmax}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θ_Mmax≤min{θ_Gmax,θ_Fmax,θ_Wmax}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△h_M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Δh_max减小为L₁sinθ_Mmax，相应的θ_Gmax减小为θ_Mmax，也就是说基本顶岩梁最大回转角θ为θ_Mmax；措施二：通过采用柔‑强组合材料作为巷旁充填体、增加实体煤帮煤体的加锚密度措施，提高巷旁充填体和实体煤帮加锚煤体变形能力，使θ_Mmax、θ_Fmax增大为θ_Gmax，也就是说基本顶岩梁最大回转角θ增大为θ_Gmax，在此过程中要求巷旁柔性材料最小压缩量应为实体煤帮加锚煤体峰值应变最小应为其中h₄为原巷旁充填体强性材料初始高度；第三种情形：当θ_Fmax≤min{θ_Gmax,θ_Mmax,θ_Wmax}，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△h_M过大，按照情形二设计，此时当采用情形二的措施一的巷旁切顶方式，则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Δh_max减小为L₁sinθ_Mmax，相应的θ_Gmax减小为θ_Mmax，也就是说基本顶岩梁最大回转角θ此时为θ_Mmax；当采用情形二的措施二，同情形2；第四种情形：当θ_Wmax≤min{θ_Gmax,θ_Mmax,θ_Fmax}，说明此时也属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△h_M过大，但与情形2和3不同，必须对采空区顶板进行切顶，切顶高度为使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由Δh_max减小为L₁sinθ_Wmax，相应的θ_Gmax减小为θ_Wmax，也就是说，此时的基本顶岩梁最大回转角θ_maxx＝θ_Wmax，才能使巷道断面满足服务要求；第五步：验证设计是否合理上述四种情形调整完成后，除了第一种情形，第二、三、四种情形需验证合理性，验证时，只需要将每种情形调整后的基本顶岩梁最大回转角θ_max带入式(2)，查看式(2)是否满足；若该式满足，则设计完成；否则需对巷帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石体进行加固，提高其承载能力，重新进行设计，直到满足式(2)为止。