一种用于沿空巷道顶板的非对称锚梁结构及其支护方法.pdf

本发明公开了一种沿空巷道顶板的支护方法，包括在沿空巷道顶板上布置多个连续的非对称锚梁结构，所述非对称锚梁结构包括托梁装置及固定连接在所述托梁装置上的多根锚索；所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；所述多个锚索孔在煤柱帮侧的分布密度大于其在实体煤帮侧的分布密度；在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧的锚索的数量大于固定到托梁装置实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护。本发明还进一步公开了实现上述支护方法的锚梁结构。本发明所述的支护方法和非对称锚梁结构可有效解决沿空巷道顶板矿压显现不对称及常规锚索复合结构因水平挤压其连接部件失效的问题。

1.  一种用于沿空巷道顶板的支护方法，包括在沿空巷道顶板上布置多个连续 的非对称锚梁结构，其特征在于：
所述非对称锚梁结构包括托梁装置及固定连接在所述托梁装置上的多根锚 索；
所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体煤帮 侧的分布密度；
在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到托梁 装置实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
其中，所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述托梁装置包括：圈梁结构和 固定在所述圈梁结构上的用于连接锚索的锚索连接板。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述圈梁结构包括圈内梁和圈外 梁，所述圈内梁嵌入圈外梁的内部，并与其固定连接。

4.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锚索连接板包括用于斜拉锚 索的斜拉板和用于直拉锚索的直拉板，所述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述 直拉板上设有圆形锚索孔。

5.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述托梁装置还包括用于加固圈 梁结构的加固板，所述加固板位于所述锚索连接板之间。

6.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锚索通过托板和锁紧器固定 在所述锚索连接板上。

7.  一种实现权利要求1-6所述支护方法的非对称锚梁结构，其特征在于，包 括：
托梁装置；
固定连接在所述托梁装置上的多根锚索；其中，
所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体煤帮 侧的分布密度；
在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到托梁 装置实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。

8.  如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述托梁装置包括：圈梁结构和 固定在所述圈梁结构上的用于连接锚索的锚索连接板。

9.  如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述锚索连接板包括用于斜拉锚 索的斜拉板和用于直拉锚索的直拉板，所述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述 直拉板上设有圆形锚索孔。

10.  如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述托梁装置还包括用于加固 圈梁结构的加固板，所述加固板位于所述锚索连接板之间。

一种用于沿空巷道顶板的非对称锚梁结构及其支护方法
技术领域
本发明涉及采矿领域，尤其涉及一种用于沿空巷道顶板的非对称锚梁结 构及其支护方法。
背景技术
沿空掘巷是在上区段工作面采空区覆岩运动终止后沿采空区边缘掘进巷 道，用作下区段工作面通风、运料或运输通道，具有提高煤炭资源回收率、 缩短巷道掘进准备时间、延长矿井生产服务年限等诸多优势，成为我国最为 常用的回采巷道开掘方式。
大规模的沿空掘巷工程实践清楚表明：沿空巷道顶板的围岩性质结构、 受采动影响程度、矿山压力分布和显现等沿巷道中心轴两侧存在明显的不对 称性，这种不对称性在窄煤柱沿空掘巷的条件下尤为明显和突出。这种不对 称性现象，一方面是由于沿空巷道上方基本顶断裂、回转、失稳等力学行为 对直接顶的影响程度、影响范围和影响周期不同，造成了煤柱帮侧和实体煤 帮侧顶板支承压力分布特征的差异性；另一方面是由于沿空巷道两帮围岩结 构、应力赋存状态的差异，沿空掘巷一侧是煤柱帮，一侧是实体煤帮，沿空 掘巷时煤柱实际上已经遭到严重破坏，不仅对顶板支承作用有限，变相增大 了巷道的实际跨度，增大了煤柱帮侧顶板的不稳定性和敏感程度，而实体煤 帮仍具有相当程度的承载能力，对顶板支撑作用较好。
沿空巷道两侧支承压力分布和围岩性质结构的差异性导致了沿巷道中心 轴两侧不对称矿压的显现，即煤柱侧顶板首先发生离层、扩容等变形，破坏 围岩整体性，形成许多松散破碎的小岩块，煤柱帮与顶板交界处亦会形成大 范围破碎，在支护不利情况下发生冒落，而实体煤帮侧顶板及顶帮交界区域 矿压显现则相对缓和。在这种情况下，在沿空巷道顶板中采用常规的全断面 等强对称支护形式难以适应顶板的非对称变形，无法保证巷道稳定，必须采 用符合顶板不对称规律要求的支护系统。
上世纪60年代中期，澳大利亚矿山首次使用锚索进行岩体加固，1996 年小孔径预应力锚索在我国煤矿回采巷道试验并获得成功，由于锚索支护具 有预紧力大、承载能力高、安装简便等优点，如今锚索支护已经成为各类煤 矿巷道的主要支护形式。锚索多与W型钢带、槽钢配合使用作为煤矿巷道的 加强支护，通过钢带、槽钢的支护能够起到很好的控顶作用。但在窄煤柱沿 空掘巷条件下，即便在相邻采空区覆岩运动稳定后掘进巷道，巷道上位岩层 会存在相当程度的水平运动；部分沿空巷道在上区段工作面采空区覆岩运动 尚未完全结束时掘进，甚至出现迎采面掘进的现象，上位岩层水平运动更加 剧烈。在岩层水平运动作用下，巷道顶板围岩会形成沿巷道走向延伸的挤压 破碎带，常规的锚索W钢带组合结构会因顶板水平挤压运动出现W钢带向 下严重弯曲并导致结构永久失效，锚索槽钢组合结构亦会因顶板水平挤压运 动出现槽钢沿走向撕裂现象，W型钢带、槽钢失效后大大减弱由其产生承载 力，而且还会对锚索本身产生破坏，使得锚索支护质量大幅度降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于沿 空巷道顶板的非对称锚梁结构及其支护方法，可有效解决上述沿空巷道顶板矿 压显现不对称及常规锚索复合结构因水平挤压，其连接部件失效的问题。
为实现本发明的上述目的，本发明一方面提供一种沿空巷道顶板的支护 方法，包括在沿空巷道顶板上布置多个连续的非对称锚梁结构，
所述非对称锚梁结构包括托梁装置及固定连接在所述托梁装置上的多根 锚索；
所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体 煤帮侧的分布密度；
在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到 托梁装置实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
其中，所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。
其中，所述托梁装置煤柱帮侧为托梁装置靠近巷道煤柱帮的一侧，所述 托梁装置实体煤帮侧为托梁装置靠近巷道实体煤帮的一侧。
其中，所述托梁装置包括：圈梁结构和固定在所述圈梁结构上的用于连 接锚索的锚索连接板。
其中，所述圈梁结构包括圈内梁和圈外梁，所述圈内梁嵌入圈外梁的内 部，并与其固定连接。
特别是，所述圈内梁和圈外梁由长钢筋弯曲后头尾进行线性接触并固定 连接而成，并沿宽度方向呈对称布置。
其中，所述锚索连接板包括用于斜拉锚索的斜拉板和用于直拉锚索的直 拉板，所述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述直拉板上设有圆形锚索孔。
特别是，所述锚索连接板和加固板与圈梁结构采用冲压包裹连接。
其中，所述锚索通过托板和锁紧器固定在所述锚索连接板上。
其中，所述托梁装置还包括用于加固圈梁结构的加固板，所述加固板位 于所述锚索连接板之间，用于减少托梁跨度，增强结构稳定性。
需要说明的是，锚索通过锚索连接板与托梁装置连接，相比传统的钢筋 梯子梁结构，其接触面积更大，连接更为稳固；尤其是以冲压包裹方式连接 时，锚索连接板与圈内梁和圈外梁的三面接触，接触面积更大，当通过锁紧 器对锚索施加预应力时，随着垂直方向上压力的增长，锚索连接板与托梁装 置间的水平摩擦力大幅度提升，使得所述锚索连接板与托梁装置不易沿水平 方向滑动。
需要进一步说明的是，穿过所述矩形半圆锚索孔的锚索与所述矩形半圆 锚索孔的外边缘接触，当沿空巷道顶板运动以水平运动为主时，为锚索预留 出水平运动的空间；当沿空巷道顶板运动以垂直运动为主时，锚索与矩形半 圆锚索孔的半圆形过渡接触，能有效抑制顶板下沉所引起的应力集中对结构 造成的破坏，如w型钢带，因顶板水平挤压运动出现撕裂，甚至失效的问题。
本发明另一方面提供一种实现所述支护方法的非对称锚梁结构，包括：
托梁装置；
固定连接所述托梁装置的多根锚索；其中，
所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体 煤帮侧的分布密度；
在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到 托梁装置实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。
其中，所述托梁装置煤柱帮侧为托梁装置靠近巷道煤柱帮的一侧，所述 托梁装置实体煤帮侧为托梁装置靠近巷道实体煤帮的一侧。
其中，所述托梁装置包括：圈梁结构和固定在所述圈梁结构上的用于连 接锚索的锚索连接板。
其中，所述圈梁结构包括圈内梁和圈外梁，所述圈内梁嵌入圈外梁的内 部，并与其线性固定连接。
特别是，所述圈内梁和圈外梁由长钢筋弯曲后头尾固定连接而成，并沿 宽度方向呈对称布置。
其中，所述锚索连接板包括用于斜拉锚索的斜拉板和用于直拉锚索的直 拉板，所述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述直拉板上设有圆形锚索孔。
其中，所述托梁装置还包括用于加固圈梁结构的加固板，所述加固板位 于所述锚索连接板之间，用于减少托梁跨度，增强结构稳定性。
特别是，所述锚索连接板和加固板与圈梁结构采用冲压包裹连接。
其中，所述锚索通过托板和锁紧器与所述锚索连接板固定连接。
本发明的有益效果体现在以下方面：
1)采用非对称锚梁结构进行沿空巷道顶板支护，使相对薄弱的煤柱侧 顶板的锚索支护密度大于实体煤侧支护密度，更有针对性的稳定围岩结构， 从而解决了现有的沿空巷道顶板所存在的因围岩性质结构、受采动影响程度 不同造成的矿山显现不对称的技术问题；
2)本发明所述托梁装置上设有矩形半圆形锚索孔，有利于沿空巷道顶 板运动以水平运动为主时，为锚索预留出水平运动的空间，避免锚索复合结 构因围岩水平运动而失效；
3)本发明所述托梁装置上设有矩形半圆形锚索孔，其半圆形与锚索过渡 接触，能有效抑制沿空巷道顶板运动以垂直运动为主时，顶板下沉所引起的 应力集中对结构造成的破坏。
附图说明
图1是本发明所述非对称锚梁结构用于沿空巷道顶板支护的示意图；
图2是本发明所述非对称钢筋托梁装置的示意图；
图3是图1的俯视图；
图4是图2的Ⅰ-Ⅰ剖面示意图；
图5是图2的Ⅱ-Ⅱ剖面示意图；
图6是图2的III-III剖面示意图。
附图标记说明：2-托梁装置；2a-煤柱帮侧；2b-实体煤帮侧；3-锚索；21a-圈 内梁；21b-圈外梁；22a-斜拉板；22b-直拉板；23-加固板；24a-矩形半圆锚 索孔；24b-圆形锚索孔；4-顶板；5-沿空巷道；6-煤柱帮；7-实体煤帮。
具体实施方式
图1是本发明所述非对称锚梁结构用于沿空巷道顶板支护的示意图；图 2是本发明所述非对称钢筋托梁装置的示意图；图3是图1的俯视图；图4 是图2的Ⅰ-Ⅰ剖面示意图；图5是图2的Ⅱ-Ⅱ剖面示意图；图6是图2的 III-III剖面示意图。
1、如图1-5所示的一种非对称锚梁结构，包括：
托梁装置2；
固定连接所述托梁装置的三根锚索3；
其中，所述托梁装置2包括：圈梁结构和固定在所述圈梁结构上的用于 连接锚索3的锚索连接板，以及用于加固圈梁结构的加固板23。
其中，所述圈梁结构包括圈内梁21a和圈外梁21b，所述圈内梁21a嵌 入圈外梁21b的内部，并与其线性固定连接。
其中，所述锚索连接板包括两个用于斜拉锚索的斜拉板22a和一个用于 直拉锚索的直拉板22b，所述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔24a，所述直拉板 上设有圆形锚索孔24b。
其中，两个斜拉板22a分别位于托梁装置2的关于中心对称的两个端部， 直拉板22b位于托梁装置2的近中心煤柱帮侧2a，从而使三个锚索孔在托梁 装置2的煤柱帮侧2a的分布密度大于其在托梁装置2的实体煤帮侧2b的分 布密度；
其中，所述加固板23位于所述锚索连接板之间。
在支护时，固定在托梁装置2煤柱帮侧2a上的锚索的数量大于固定到托 梁装置2实体煤帮侧2b的锚索的数量，从而形成了对沿空巷道顶板4的不对 称支护。
2、所述托梁装置的制作方法
将两根长钢筋分别弯曲成环状并对其头尾重叠部分进行线性焊接，分别 形成圈内梁21a和圈外梁21b；
将圈内梁21a嵌入圈外梁21b中，使两者沿宽度方向呈对称布置，仅在 两端部进行线性接触，沿该接触面进行焊接，将圈内梁21a和圈外梁21b固 定在一起，形成圈梁结构；
将锚索连接板和加固板23冲压包裹在圈梁结构上，其中，两个斜拉板 22a冲压包裹在圈梁结构关于中心对称的两个端部，直拉板22b冲压包裹在 圈梁结构的近中心煤柱帮侧2a，在相邻的斜拉版22a和直拉板22b之间冲压 包裹加固板。
3、所述非对称锚梁结构的支护方法
在沿空巷道顶板4上，沿巷道走向布置多个连续的非对称锚梁结构，所 述多个非对称锚梁结构相互平行。
其中，每个非对称锚梁结构按照如下顺序的步骤进行布置：
1)在沿空巷道顶板4上钻取三个钻孔，所述钻孔由沿空巷道顶板向三向受压岩体内延伸，钻孔深度为10m，其中，中间的钻孔方向呈铅垂方向， 两端的钻孔方向与铅垂方向保持夹角α，α＝15°。
根据具体地形和地质情况，钻孔深度可控制在6-15m范围内，夹角α可 控制在10-20°范围内。
2)用锚索3的端部将树脂锚固剂顶入钻孔内，并将每根锚索的尾部放 入钻机内，启动钻机，使钻孔内的树脂锚固剂被充分搅拌，充入锚索与钻孔 的空隙，以及顶板的围岩裂隙中，以加固锚索钻孔内围岩的内聚力和锚索伸 入岩层的牢固性，其中，锚索锚固段位于煤巷顶板深部的三向受压岩体内， 不易受煤巷上方顶板离层和变形的影响，为发挥高锚固力提供了可靠稳固的 承载基础。
3)将三根锚索的尾部穿过托梁装置2上的锚索孔24a，24b后，并使两 端锚索的尾部位于两矩形半圆锚索孔的外边缘，再穿过托板和锁紧器的圆孔 (图中未示出)，然后通过锁紧器施加预应力，将锚索3的尾部稳固的固定在 锚索连接板上，从而使托梁装置2固定在沿空巷道的顶板4上。
其中，穿过斜拉板22a的锚索与铅垂方向保持夹角α，α＝15°，穿过直 拉板22b的锚索呈铅垂方向。
根据具体地形和地质情况，可将夹角α控制在10-20°范围内。
4)用张拉机具对各根锚索3进行张拉预紧；
在支护时，固定在托梁装置2煤柱帮侧2a上的锚索的数量大于固定到托 梁装置2实体煤帮侧2b的锚索的数量，从而形成了对沿空巷道顶板4的不对 称支护。
尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技 术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的 各种修改，例如依据具体地质情况改变非对称锚梁结构的数量和间距、增加 锚索的数量、调整锚索连接板和加固板的数量和间距等，都应当理解为落入 本发明的保护范围。