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

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿巷道支护技术领域，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。

背景技术

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。

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：

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

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。

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。

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，本发明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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明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。

本发明是这样实现的，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。

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：

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。

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；

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、钢筋梯子和岩层组成的整体组合岩梁，其刚度为：

组合岩梁与叠合岩梁的刚度比为：

组合岩梁与叠合岩梁的挠度比为：

组合岩梁与叠合岩梁在受拉对应位置的正应力比为：

公式中，EI表示组合岩梁的刚度；EI

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均布荷载，单位宽度上线均布荷载为q，此时组合岩梁跨中最大弯矩为：

第一种支护方法时，

第三种支护方法时，

第三种支护方法与第一种支护方法组合岩梁的挠度比：

第三种支护方法组合岩梁与无支护的顶板岩梁的挠度比：

公式中，l

本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法的用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统，所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护系统包括：

第一支护系统，对于顶板为层状岩层的矩形巷道，通过锚入巷道顶板岩层内的高强锚杆和铺设在平顶顶板下部的横向钢筋梯子的配合，形成顶板为层状岩层的矩形巷道的平顶组合岩梁的支护系统；

第二支护系统，对于顶板由非层状岩层或破碎岩层组成的矩形巷道，通过施工形成的巷道曲顶、铺设在曲顶下侧的金属网、钢筋梯子、锚入巷道顶板岩层的高强锚杆配合，形成顶板为非层状岩层或破碎岩层采区矩形巷道的顶板拱顶组合岩梁的支护系统；

第三支护系统，对于顶板压力较大、且为层状岩层的矩形巷道，将通过锚入巷道顶板岩层的锚索、高强锚杆和铺设在平顶下部的横向钢筋梯子，形成顶板压力较大、且为层状岩层采区矩形巷道的平顶组合岩梁的支护系统。

本发明的另一目的在于提供一种所述用于形成采区矩形巷道顶板组合岩梁的支护方法在煤矿采区矩形巷道支护中的用途。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明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。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的第一种支护方法示意图；

图2是本发明实施例提供的第二种支护方法示意图；

图3是本发明实施例提供的第三种支护方法示意图；

图4是本发明实施例提供的平顶组合岩梁形成原理图；

图5是本发明实施例提供的叠加梁与组合岩梁应力图；上图表示叠加岩梁应力；下图表示组合岩梁应力；

图6是本发明实施例提供的锚杆切圆加固组合拱形岩梁形成原理(锚杆支护图)；

图7是本发明实施例提供的锚杆切圆加固组合拱形岩梁形成原理(岩层被挤压、压缩图)；

图8是本发明实施例提供的锚杆切圆加固组合拱形岩梁形成原理(组合拱形成图)；

图9是本发明实施例提供的锚索悬吊理论示意图；(a)锚索长度组成；(b)锚索悬吊计算图；

图10是本发明实施例提供的钢筋梯结构图；(a)表示开式；(b)表示闭式；

图11是本发明实施例提供的采区矩形巷道实施例图；

图中：1、高强锚杆；2、巷道顶板层状岩层；3、巷道平顶；4、钢筋梯子；5、巷道曲顶；6、金属网；7、高强锚杆；8、钢筋梯子；9、非层状岩层或破碎岩层；10、顶板压力大的层状岩层；11、锚索；12、巷道两帮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明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，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，根据不同的顶板岩层情况，形成顶板组合岩梁的支护系统及方法，解决巷道顶板的支护与稳定问题。具体包括以下内容：

本发明沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，形成顶板组合岩梁的支护系统，包括以下支护系统：

支护系统1，对于顶板为层状岩层的矩形巷道，通过锚入巷道顶板岩层内的高强锚杆和铺设在平顶顶板下部的横向钢筋梯子的配合，形成顶板为层状岩层的矩形巷道的平顶组合岩梁的支护系统。

支护系统2，对于顶板由非层状岩层或破碎岩层组成的矩形巷道，通过施工形成的巷道曲顶、铺设在曲顶下侧的金属网、钢筋梯子、锚入巷道顶板岩层的高强锚杆配合，形成顶板为非层状岩层或破碎岩层采区矩形巷道的顶板拱顶组合岩梁的支护系统。

支护系统3，对于顶板压力较大、且为层状岩层的矩形巷道，将通过锚入巷道顶板岩层的锚索、高强锚杆和铺设在平顶下部的横向钢筋梯子，形成顶板压力较大、且为层状岩层采区矩形巷道的平顶组合岩梁的支护系统。

本发明提供的沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，形成顶板组合岩梁的支护方法，包括以下支护方法：

支护方法1，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组合岩梁支护系统，大大提高了层状岩层巷道顶板的整体性、刚度和抗弯承载能力。

在该支护方法1中，在巷道两帮、底板稳定的巷道，巷道顶板的稳定性，主要取决于巷道顶板的整体性、刚度和抗弯承载能力。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。假定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、钢筋梯子和岩层组成的整体组合岩梁，其刚度为：

组合岩梁与叠合岩梁的刚度比为：

组合岩梁与叠合岩梁的挠度比为：

组合岩梁与叠合岩梁在受拉对应位置的正应力比为：

上述公式中，EI表示组合岩梁的刚度；EI

由此，支护方法1中，组合岩梁比叠合岩梁在其整体性提高的同时，整体刚度提高了27倍以上，挠度减小为原来的1/81，荷载在组合岩梁内产生的拉应力减小到原来的1/27，巷道顶板岩层的抗弯能力得到了大幅提高，巷道变形、顶板岩层中的应力有了得到有效控制，能保证巷道的稳定。如图1所示。

支护方法2，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，提高了巷道顶板的整体性、稳定性和抗弯承载能力。

在支护方法2中，支护系统形成的拱形组合岩梁，在具有支护方法1的作用基础上，主要提高了巷道顶板的自稳定性能。见附图2所示。

支护方法3，对于顶板压力较大、且为层状岩层的巷道，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，将支护方法1形成的平顶组合岩梁悬吊到上部坚固岩石中。该方法一是通过锚索，将每根锚索承担部分的组合岩梁的重量，悬吊到岩梁上部坚固岩石中；二是锚入多根锚索悬吊，相当于在组合岩梁下方又增加了多个支承，组合岩梁的跨度变小了，从而减少了跨中荷载产生的弯矩、挠度，大幅提高了锚索、组合岩梁支护系统的抗弯承载能力，增大巷道的稳定性。见附图3所示。

在支护方法3中，相对于支护方法1，以跨度减少到

此时作用在巷道顶板组合岩梁上的竖向荷载为均布荷载，单位宽度上线均布荷载为q，此时组合岩梁跨中最大弯矩为：

支护方法1时，

支护方法3时，

支护方法3与支护方法1组合岩梁的挠度比：

支护方法3组合岩梁与无支护的顶板岩梁的挠度比：

即：支护方法3中荷载引起的跨中最大弯矩只是原来的1/4，挠度是支护方法1的1/16，是顶板岩梁未支护时的1/192。

相对于支护方法1，支护方法3中巷道顶板岩层的抗弯能力又有大幅提高，巷道变形、顶板岩层中的应力更小了，能保证巷道的稳定。

上述公式中，l

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

在支护方法1中，平顶组合岩梁形成的原理如图4所示。B表示巷道净宽度；L

在支护方法1中，如图4所示，高强锚杆将顶板层状岩层的各层紧固后，高强锚杆提供的轴向压力加大了各岩层间的摩擦力，阻止了各岩层间的相对滑移；同时锚杆本身的抗剪销钉作用，提高了岩层间的抗剪刚度，阻止了岩层间的水平错动，并将作用范围内的各个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。

在支护方法1中，平顶组合岩梁的形成，使叠加岩梁各层岩板由单独弯曲变为整体弯曲，使得由各层截面单独上部受压、下部受拉，变为整个组合岩梁截面上部受压，下部受拉，提高了顶板岩层的受弯刚度，其截面承受的拉应力大大减小，挠度也显著减小。其原理见图5所示。上图表示叠加岩梁应力；下图表示组合岩梁应力。

在支护方法2中，非层状岩层或破碎岩层形成加固组合拱形岩梁的原理如图6、图7、图8所示。

在支护方法2中，如图6所示，采区矩形巷道非层状或破碎岩层顶板，施工时形成曲顶，在高强锚杆、金属网和金属梯子支护后，围岩被压缩，岩体在锚杆的弹性压缩下形成加固组合“拱形”岩梁。加固组合拱形岩梁的形成增加了巷道顶板的自身稳定性和内在抗力，增加了顶板围岩强度，有效的控制了顶部岩层变形的发展，增大了围岩的稳定程度。

在支护方法2中，如图7、图8所示，在破碎岩层上锚入高强预应力锚杆，能形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。将锚杆沿切圆拱形顶板以适当间距径向排列，使相邻锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此相重叠，便在围岩周围一定厚度的范围内形成一个均匀连续压缩带，这就是加固组合拱形岩梁。

加固组合拱形岩梁内，由锚杆预应力施加在锥形体压缩区内的压应力，对节理裂隙面或岩块间有压密和增大摩擦力作用，并使压缩区内的岩体受径向和切向约束，处于三向受力状态，提高了围岩的强度和整体性刚度，从而提高了围岩承载能力。

组合拱形岩梁除具有组合岩梁的作用外，还能维持自身稳定，能承受地压，阻止其上部围岩的松动和变形，从而保持巷道稳定。

在支护方法3中，如图9所示，锚索支护是通过对打入岩层内部锚索的张拉，对围岩施以预加应力来加固围岩的支护技术，同时也将组合岩梁悬吊在较为深部的稳定岩层上。由锚索承担软弱岩层的重量，从而增强了较软弱岩层的稳定性，有效防止了巷道顶板的破坏、下沉和变形。(a)锚索长度组成；(b)锚索悬吊计算图；L—锚索长度；L

本发明中，使用的金属梯子结构形式如图10所示。a表示开式；b表示闭式；L—钢筋梯长度；B—钢筋梯宽度；Lo—-钢筋梯墙距；L

本发明提供的沿着煤层顶板布置的采区矩形巷道，形成顶板组合岩梁的支护系统与方法，下面结合图11对本发明作详细的描述。

本发明实施例以宽度3600mm，高度2400mm的采区矩形巷道为例，属于本发明的支护系统3、支护方法3。

支护参数与实施方案如下：顶板支护采用HRB400高强螺纹锚杆，锚杆规格为

在此实施例中，锚索悬吊荷载为被悬吊不稳定岩层的重量，为：

Q＝L

小于锚索锚固力200KN，小于锚索拉断荷载260KN。

式中：Q表示单根锚索悬吊重量，KN；L

在此实施例中，加固组合岩梁形成的计算截面为b×h＝1000mm×1500mm，作用在组合岩梁上的均布荷载为组合岩梁上部岩层的重量，平均重力密度2.5KN/m

荷载在巷道组合岩梁跨中产生的最大弯矩为：

组合岩梁能承受的最大弯矩为：

M

说明实施例按照支护系统3和支护方法3支护形成的巷道顶板组合岩梁有足够大的承载能力满足巷道承载需要，且能保证巷道的稳定。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。