一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法.pdf

本发明公开了一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征在于：第一，对巷道两帮煤壁用加长锚杆进行加长锚固；第二，对靠近巷道两帮煤壁的肩部顶板采用阻剪锚杆和阻剪锚索进行复合支护，利用阻剪锚杆和阻剪锚索的阻剪管对肩部顶板岩层层面或裂隙间的剪切力进行约束；第三，在巷道中部使用高强锚索将煤层顶板、软岩顶板或复合顶板锚固在坚硬顶板上，减少其弯曲度，防止弯曲破坏。本发明根据巷道不同部位的变形特征使用不同性能的锚杆，施工简单、方便，施工速度快，工效高，对深井开采时的软岩顶板、复合顶板和破碎顶板的控制效果好，支护结构的承载能力强，巷道返修率较低。

1.  一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征是：通过以下步骤实现的：
针对小煤柱沿空巷道坚硬直接顶断块A（12）、断块B（8）和断块C（7）相互的铰接结构，以坚硬直接顶断裂线——断块A（12）与断块B（8）的铰接线为界对巷道顶板载荷实行非均称支护：
在断裂线两侧顶板上施工护顶的顶板增强锚杆（9），使坚硬直接顶断块（12）和断块（8）在咬合点附近的岩体呈三向受力状态，确保断块B（8）、断块A（12）在断裂线上保持稳定的铰接关系；
在坚硬直接顶断裂线沿空侧顶板上施工一定密度的悬吊锚索（10），把沿空小煤柱（2）上方的坚硬直接顶断块B（8）悬吊在上覆基本顶岩层（13）上，防止铰接结构意外破坏后断块B（8）对沿空小煤柱（2）的产生破坏；
在坚硬直接顶断裂线断块A（12）实体煤侧顶板上施工一定密度的组合锚索（11），将实体煤侧坚硬的断块A（12）组合成整体，避免断裂线咬合点铅垂载荷对断块A（12）的弯曲、离层的破坏；
使用小煤柱增强锚杆（5）给予沿空小煤柱（2）以足够的水平锚固力，使得其上坚硬直接顶断块载荷在沿空小煤柱（2）内部裂隙面上形成的种种力学关系处于平衡；
使用沿空小煤柱底部定位锚索（3）、沿空小煤柱顶部定位锚索（6）将沿空小煤柱（2）固定在坚硬顶板和煤层底板之间，用定位锚索的锚固力与采空区（4）充填矸石碎涨产生的水平推力平衡，防止沿空小煤柱（2）整体向巷道内移，并产生巷道底臌现象；
采用侧帮锚杆（14）、侧帮锚索（15）耦合支护的方法，平衡其高支承压力对巷道煤帮的破坏作用。

2.  根据权利要求1所述的坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征是：护顶锚杆（9）使用全长粘结锚固，给坚硬直接顶提供足够的初锚力。

3.  根据权利要求1所述的坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征是：沿空小煤柱顶部定位锚索（6）按照仰角施工，深入到坚硬直接顶断块B（8）岩层中1m以上；沿空小煤柱底部定位锚索（3）采用俯角施工，深入到底板岩层中1m以上。

4.  根据权利要求1所述的坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征是：悬吊锚索（10）承受的荷载和支护密度计算方法：
铰接点沿空侧巷道方向单位长度上锚索承受的荷载Q为断块B重力的一半，即为：

式中：  Q—巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        L—上区段顶板周期来压步距，m；
        h—坚硬直接顶厚度，m；
       γ—坚硬直接顶岩层的体积力，kN/m³；
        S—上区段工作面长度，m；
铰接点沿空侧，确保坚硬直接顶断块B稳定沿巷道方向的锚索支护密度为：

式中：  —巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        —单根锚索的极限荷载，kN/m。

一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法
技术领域
本发明涉及煤矿巷道维护及沿空小煤柱稳定问题，具体涉及一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护技术。
背景技术
上区段工作面开采之后，沿空巷道位置上覆岩层结构的形成与顶板岩层的性质、厚度及采高相关。在厚煤层大采高坚硬直接顶条件下，小煤柱沿空巷道顶板上方经常形成如图1所示的断块A、B、C铰接在一起的结构体系，断块B回转后一端在沿空巷道顶板上方与断块A铰接，另一端在采空区触矸，与采空区中的断块C铰接结构，形成相对比较稳定的砌体梁结构。当砌体梁结构以及其上的上覆岩层结构保持稳定时，顶板结构将全部顶板载荷传递给巷道实体煤侧煤体，使其大面积上承受着高强度的支承压力，需要对其加强支护；当断块间铰接结构受到破坏时，沿空小煤柱的稳定性将受到破坏，使得沿空巷道表现为巷道顶板不均匀下沉、煤柱的碎涨破坏、两帮移近、巷道底鼓，需要对沿空小煤柱及其上关键断块B进行支护，以确保沿空巷道和沿空煤柱的稳定。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，通过综合采用了六个个措施阻止坚硬顶板断块对沿空小煤柱稳定性的影响，与现有技术相比，具有支护强度高、支护效果好、成本低的优点。
为达到上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，其特征是：通过以下步骤实现的：
针对小煤柱沿空巷道坚硬直接顶断块A、断块B和断块C相互的铰接结构，以坚硬直接顶断裂线——断块A与断块B的铰接线为界对巷道顶板载荷实行非均称支护：
在断裂线两侧顶板上施工护顶的顶板增强锚杆，使坚硬直接顶断块和断块在咬合点附近的岩体呈三向受力状态，确保断块B、断块A在断裂线上保持稳定的铰接关系；
在坚硬直接顶断裂线沿空侧顶板上施工一定密度的悬吊锚索，把沿空小煤柱上方的坚硬直接顶断块B悬吊在上覆基本顶岩层上，防止铰接结构意外破坏后断块B对沿空小煤柱的产生破坏；
在坚硬直接顶断裂线断块A实体煤侧顶板上施工一定密度的组合锚索，将实体煤侧坚硬的断块A组合成整体，避免断裂线咬合点铅垂载荷对断块A的弯曲、离层的破坏；
使用小煤柱增强锚杆给予沿空小煤柱以足够的水平锚固力，使得其上坚硬直接顶断块载荷在沿空小煤柱内部裂隙面上形成的种种力学关系处于平衡；      
使用沿空小煤柱底部定位锚索、沿空小煤柱顶部定位锚索将沿空小煤柱固定在坚硬顶板和煤层底板之间，用定位锚索的锚固力与采空区充填矸石碎涨产生的水平推力平衡，防止沿空小煤柱整体向巷道内移，并产生巷道底臌现象；
采用侧帮锚杆、侧帮锚索耦合支护的方法，平衡其高支承压力对巷道煤帮的破坏作用。
进一步的，护顶锚杆使用全长粘结锚固，给坚硬直接顶提供足够的初锚力。
进一步的，沿空小煤柱顶部定位锚索按照仰角施工，深入到坚硬直接顶断块B（8）岩层中1m以上；沿空小煤柱底部定位锚索采用俯角施工，深入到底板岩层中1m以上。
进一步的，悬吊锚索承受的荷载和支护密度计算方法：
铰接点沿空侧巷道方向单位长度上锚索承受的荷载Q为断块B重力的一半，即为：

式中：  Q—巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        L—上区段顶板周期来压步距，m；
        h—坚硬直接顶厚度，m；
       γ—坚硬直接顶岩层的体积力，kN/m³；
        S—上区段工作面长度，m；
铰接点沿空侧，确保坚硬直接顶断块B稳定沿巷道方向的锚索支护密度为：

式中：  —巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        —单根锚索的极限荷载，kN/m。
本发明创造的工作原理以及有益效果表现在：
针对小煤柱沿空巷道坚硬直接顶断块A、断块B和断块C相互的铰接结构的实际条件，以坚硬直接顶断裂线（断块A与断块B的铰接线）为界对巷道顶板载荷实行非均称支护。巷道实体煤一侧的侧帮煤体为承载主体，承担着上区段采空区整个上覆岩层力学平衡结构和坚硬直接顶断块通过铰接点传递的载荷总和；巷道沿空一侧的沿空小煤柱一般不承担上区段采空区顶板的上述载荷，只有当坚硬直接顶断块在巷道顶板上方与实体煤一侧坚硬直接顶脱铰的情况下，才承受坚硬直接顶断块传递的部分载荷，一般情况下沿空小煤柱只承担上区段采空区充填矸石碎胀时的层面推力载荷。
在断裂线两侧顶板上施工护顶的顶板增强锚杆，使坚硬直接顶断块和断块在咬合点附近的岩体呈三向受力状态，改善其受力环境，提高其抗挤压的强度，进而维护沿空巷道坚硬直接顶在断裂线附近的稳定性，防止咬合点附近的坚硬直接顶被强大的水平挤压力挤坏，确保两断块在断裂线上保持稳定的铰接关系。
在坚硬直接顶断裂线沿空侧顶板上施工一定密度的悬吊锚索，把沿空小煤柱上方的坚硬直接顶断块悬吊在上覆基本顶岩层上，防止铰接结构意外破坏后坚硬直接顶断块对沿空小煤柱的产生破坏。
在坚硬直接顶断裂线实体煤侧顶板上施工一定密度的组合锚索，将实体煤侧坚硬直接顶组合成整体，避免断裂线咬合点铅锤载荷对坚硬直接顶的弯曲、离层的破坏。
使用小煤柱增强锚杆给予沿空小煤柱以足够的水平锚固力，使得其上坚硬直接顶断块载荷在小煤柱体内部裂隙面上形成的种种力学关系处于平衡，阻止小煤体内裂隙面之间产生错动，借此保持小煤柱体的长期稳定。增强锚杆加固后的沿空小煤柱具有在坚硬直接顶断块铰接失稳状态下支承其上坚硬直接顶断块重量三分之二的能力，确保当沿空小煤柱上方坚硬直接顶断块与巷道实体煤一侧坚硬直接顶意外脱铰时，沿空小煤柱不会因其超载受到破坏。
使用定位锚索将沿空小煤柱固定在坚硬顶板和煤层底板之间，用定位锚索的锚固力与采空区充填矸石碎涨产生的水平推力平衡，防止沿空小煤柱整体向巷道内移，并产生巷道底臌现象。上部定位锚索按照仰角施工，深入到坚硬直接顶断块岩层中1m以上；下部定位锚索采用俯角施工，深入到底板岩层中1m以上。
针对巷道实体煤侧帮煤体大范围承受上区段采空区整个上覆岩层力学平衡结构和坚硬直接顶断块载荷，支承压力强度高的特点，采用侧帮锚杆、侧帮锚索耦合支护的方法，平衡其高支承压力对巷道煤帮的破坏作用。
护顶锚杆应使用全长粘结锚固，给坚硬直接顶提供足够的初锚力。
铰接点外沿空侧悬吊锚索承受的荷载和支护密度计算如下：
铰接点沿空侧巷道方向单位长度上锚索承受的荷载Q为断块B重力的一半，即为：

式中：  Q—巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        L—上区段顶板周期来压步距，m；
        h—坚硬直接顶厚度，m；
       γ—坚硬直接顶岩层的体积力，kN/m³；
        S—上区段工作面长度，m；
铰接点沿空侧，确保坚硬直接顶断块B稳定沿巷道方向的锚索支护密度为：

式中：  —巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        —单根锚索的极限荷载，kN/m。
沿空小煤柱中垂直于帮面的增强锚杆使用全长粘结锚固，给小煤柱提供足够的水平初锚力。
本发明的工作原理以及有益效果表现在：
本发明与传统巷道支护方法的主要不同是综合采用了六个措施阻止坚硬顶板断块对沿空小煤柱稳定性的影响：
措施之一是在断裂线两侧顶板上施工顶板增强锚杆，使坚硬直接顶断块咬合点附近的岩体呈三向受力状态，改善其受力环境，提高其抗挤压的强度，进而维护沿空巷道坚硬直接顶在断裂线附近的稳定性，防止咬合点附近的坚硬直接顶被强大的水平挤压力挤坏；
措施二是在坚硬直接顶破断铰接处沿空侧采用悬吊锚索，将小煤柱上方的直接顶断块悬吊在上覆基本顶岩层中，解决坚硬直接顶断块在铰接点意外失稳后对沿空小煤柱稳定性的影响；
措施三是在坚硬直接顶破断铰接点实体煤侧采用组合加强锚索，解决坚硬顶板断块在铰接点挤压力和铅垂力综合作用下发生离层、弯曲失稳的问题，保护相邻断块间的铰接结构的稳定；
措施之四是采用小煤柱增强锚杆，给沿空小煤柱提供足够的水平锚固力，阻止煤体内裂隙面之间产生错动，避免煤柱产生破坏性碎涨，保持其长期的稳定；
措施五是使用定位锚索将沿空煤柱固定在坚硬顶板和煤层底板之间，防止煤柱整体水平内移；
措施之六是针对巷道实体煤帮大面积受到上区段采空区整个上覆岩层力学平衡结构和坚硬直接顶断块载荷作用的区域，采用煤帮锚杆和帮锚索的耦合支护，平衡高支承压力对巷道煤帮的破坏作用。
通过六项措施的实施，在沿空巷道顶板上方形成了稳定的力学结构，阻止了上区段采空区顶板断块对沿空巷道及小煤柱的影响，实现了巷道两侧顶板的非均称支护，保护了沿空小煤柱的稳定性。
附图说明
图1为本发明创造支护结构示意图；
1.沿空巷道；2. 沿空小煤柱；3.小煤柱底部定位锚索；4.采空区；5.小煤增强锚杆；6.小煤柱顶部定位锚索；7.断块C；8.断块B；9.顶板增强锚杆；10.悬吊锚索；11.组合锚索；12.断块A；13.上覆基本顶岩层；14. 侧帮锚杆；15. 侧帮锚索；16. 实体煤侧帮煤体。
具体实施方式
下面未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在煤矿开采过程中，沿空巷道1上的直接顶会根据开采的位置断裂后形成三个断块：直接顶断块A12、直接顶断块B8、直接顶断块C7；三个的位置关系如图1所示。
在直接顶上方为上覆基本顶岩层13。
上区段采空区，坚硬断块（直接顶断块C7、断块B8、断块A12等）、上覆基本顶岩层13与巷道实体煤一侧的顶板形成半拱形砌体梁岩块铰接结构。
巷道实体煤侧帮煤体16为半拱形砌体梁的高拱脚，是半拱形砌体梁的承载主体，承担着上区段采空区整个上覆基本顶岩层13力学平衡结构和坚硬直接顶断块B8通过铰接点传递的载荷总和。
巷道1沿空一侧的沿空小煤柱2一般不承担上区段采空区顶板的上述载荷，只有当坚硬直接顶断块B8在巷道顶板上方与实体煤一侧直接顶断块A12脱铰的情况下，才承受坚硬直接顶断块B8传递的部分载荷，一般情况下沿空小煤柱2只承担采空区4的充填矸石碎胀时的水平推力载荷。
本发明创造的坚硬直接顶下大采高工作面沿空小煤柱巷道支护方法，采用以下支护手段：
第一：针对上区段采空区坚硬直接顶断裂线在沿空巷道顶板上方的实际情况，在沿空巷道内以坚硬直接顶断裂线为界对巷道顶板载荷实行非均称支护,具体支护方法如下：
（1）在断裂线（直接顶断块A12 与直接顶断块B8）两侧顶板上施工护顶的顶板增强锚杆9。
在断裂线两侧顶板上施工护顶的顶板增强锚杆9，改善了直接顶断块A12 与直接顶断块B8咬合点附近顶板的受力状态，使得在咬合点附近的岩体呈三向受力状态，在断裂线上保持稳定的铰接关系，维护了沿空巷道顶板在断裂线附近的稳定性，防止咬合点附近的顶板被强大的水平挤压力挤坏，提高其抗挤压能力。
（2）在坚硬直接顶断裂线的一侧，即在直接顶断块B8沿空侧顶板上施工一定密度的悬吊锚索10，悬吊锚索10穿透坚硬直接顶断块8到上覆基本顶岩层13内，把沿空小煤柱2上方的坚硬直接顶断块B8悬吊在上覆基本顶岩层13上，防止铰接点意外破坏后坚硬直接顶断块B8对沿空小煤柱2的破坏。
（3）在坚硬直接顶断裂线实体煤侧顶板上施工一定密度的组合锚索11，将实体煤侧坚硬直接顶断块A12组合成整体，避免断裂线咬合点铅锤载荷对坚硬直接顶断块A12的弯曲、离层的破坏。
第二，维护沿空小煤柱2：小煤柱上使用小煤柱增强帮锚杆5。
通过维护沿空小煤柱2，使其具有在坚硬直接顶断块B8铰接失稳状态下支承其重量载荷三分之二的能力，目的在于当沿空小煤柱2上方坚硬直接顶断块B8与巷道实体煤一侧坚硬直接顶断块A12脱离铰接关系时，沿空小煤柱2不会因其超载受到破坏。
同时，使用小煤柱增强帮锚杆5给予沿空小煤柱2以足够的水平锚固力，使得其上坚硬直接顶断块8载荷在小煤柱体内部裂隙面上形成的种种力学关系处于平衡，阻止裂隙面之间产生错动，借此保持沿空小煤柱体2的长期稳定。
第三，小煤柱底部定位锚索3、小煤柱顶部定位锚索6将沿空小煤柱2的底部以及顶部分别固定在坚硬直接顶断块B 8和煤层底板之间。
用小煤柱底部定位锚索3、小煤柱顶部定位锚索6的锚固力与采空区4充填矸石碎涨产生的水平推力平衡，防止沿空小煤柱2整体向沿空巷道1内移，并产生巷道底臌现象。
第四，针对巷道实体煤帮16大面积受到上区段采空区整个上覆岩层力学平衡结构和坚硬直接顶断块载荷作用，支承压力强度高的特点，采用侧帮锚杆14、侧帮锚索15耦合支护的方法，平衡其高支承压力对巷道煤帮的破坏作用。
铰接点外沿空侧悬吊锚索10承受的荷载和支护密度计算如下：
铰接点沿空侧巷道方向单位长度上锚索承受的荷载Q为断块B重力的一半，即为：

式中：  Q—巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        L—上区段顶板周期来压步距，m；
        h—坚硬直接顶厚度，m；
       γ—坚硬直接顶岩层的体积力，kN/m³；
        S—上区段工作面长度，m；
铰接点沿空侧，确保坚硬直接顶断块B稳定沿巷道方向的锚索支护密度为：

式中：  —巷道方向单位长度上锚索承受的荷载，kN/m；
        —单根锚索的极限荷载，kN/m。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。