一种煤矿矩形巷道顶板等强梁支护方法与流程

本发明涉及煤矿中的巷道支护方法，具体为一种煤矿矩形巷道顶板等强梁支护方法。

背景技术：

我国是“富煤、贫油、少气”的国家，其中煤炭在我国能源储量中占92％，石油占2.9％，天然气占0.2％，水电占4.7％。近年来，我国煤炭消费与生产一直保持在占全国一次性能源生产的70％左右，始终处于主体地位。《煤炭工业发展“十三五”规划》内容指出：“煤炭的主体能源地位不会变化。煤炭占我国化石能源资源的90％以上，是稳定、经济、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消费中的比重将逐步降低，但在相当长时期内，主体能源地位不会变化。必须从我国能源资源禀赋和发展阶段出发，将煤炭作为保障能源安全的基石，不能分散对煤炭的注意力。”可见，煤炭在国民经济建设中具有举足轻重的作用，煤炭工业在国民经济中的基础地位，将是长期的、稳固的，具有不可替代性。

我国露天煤矿较少，对于煤炭资源的开采主要是地下开采方式为主，在井下采煤需开掘大量巷道，只有通过开掘一系列井筒和巷道进入地下才能开釆出煤炭资源。在煤炭资源开采过程中，巷道成为煤矿系统运行的重要基础，其稳定性直接控制着整个煤矿是否能正常安全生产。

据统计，我国每年新掘进煤矿巷道总长达12000km。因此巷道开挖后的支护成为煤矿开采中的一项重要任务。锚杆(索)支护因其材料成本较低、支护工艺简单、巷道断面利用率高、成巷速度快等诸多优点，已在世界各国得到普及采用，创造了可观的经济效益，成为矿井主要支护方式。目前，煤矿巷道锚杆(索)支护率已经达到80％以上，国有煤矿更高。随着煤矿巷道支护技术的发展，锚杆(索)支护比重将继续增加。

就目前的巷道支护现状来说，在煤矿井巷锚杆(索)支护设计与施工过程中，锚杆(索)参数的选取仍然主要依靠经验选取或工程类比法，存在理论设计与实际工程较难结合的情况，大量现场观测及室内相似模型实验表明巷道顶板会呈现出端部剪切破坏及中部拉断破坏特征，因而对工程的安全和经济性都有很大的影响。因此，有必要设计一种按照顶板受力特点进行针对性支护的巷道顶板支护方法来控制巷道顶板的变形。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决巷道顶板支护中，缺乏一种合理有效的支护方法的问题，提供一种根据顶板受力特点进行针对性支护的巷道顶板等强梁支护方法。

为实现上述目的，该方法的具体步骤如下：

1)根据煤矿实际地质情况开挖巷道；

2)获取巷道顶板围岩力学参数以及巷道尺寸。其中，所述巷道顶板围岩力学参数包括：顶板岩石抗拉强度σt、顶板岩石粘聚力c、顶板岩石内摩擦角φ、顶板岩石坚固性系数f、顶板上覆岩层自重应力p0、顶板所受均布荷载q1、侧压力系数λ，巷道尺寸包括：巷道高度h、巷道宽度2a、巷道外接圆半径r0；

3)锚杆参数确定。由巷道顶板承载结构力学模型获得的顶板中部弯曲正应力大而剪力小、顶板中部往两端弯曲正应力减小而剪应力逐渐增大的受力特点，基于巷道顶板各处受力均匀的目的，得出巷道顶板等强梁支护所需锚杆各参数计算公式，根据步骤2)中已得到的围岩力学参数及巷道尺寸，在顶板受力分析的基础上，根据顶板受力特点针对性的确定出顶板不同位置所需的锚杆参数；

4)锚索参数确定。依据普氏平衡拱理论，按照步骤2)中已得到的围岩力学参数及巷道尺寸，确定出巷道开挖后顶板冒落所形成的自然平衡拱，获得巷道顶板自然平衡拱方程，以顶板不同位置的自然平衡拱拱高为基准确定出顶板不同位置支护所需的锚索参数；

5)巷道顶板等强梁支护方案确定。根据步骤2)、3)获得的锚杆、锚索参数，确定顶板等强梁支护为锚杆与锚索联合支护，从顶板中部往两端钻孔获得与该位置锚杆长度相匹配的锚杆安装孔，按照步骤2)已确定的锚杆间、排距从顶板中部往两端依次安设长度逐渐减小的锚杆，顶板左右两端锚杆与水平方向的夹角为60-80°且距帮部300mm，顶板其他位置锚杆均沿垂直方向安设，每排锚杆下端固定在同一条w型钢带上；从顶板中部往两端钻孔获得与锚索长度相匹配的锚索安装孔，按照步骤2)已确定的锚索间、排距从顶板中部往两端依次安设长度逐渐减小的锚索，顶板左右两端锚索与水平方向的夹角为70-75°且距帮部1000mm，顶板其他位置锚索均沿垂直方向安设，锚杆与顶板岩石之间铺设一张金属网，金属网与锚杆之间通过w型钢带连接，最后分别安装锚杆拱形高强度托板、锚索高强度可调心托板及锚杆锁紧装置与锚索锁紧装置；

6)巷道顶板等强梁支护施工。根据步骤3)、4)、5)所确定的锚杆参数、锚索参数以及顶板等强梁支护方案，在巷道开挖后及时从巷道顶板中部位置往两端依次对巷道顶板进行锚杆、锚索以及相关配套的金属网、w型钢带安装。

进一步的，所述步骤2)中顶板上覆岩层的自重应力p0、顶板所受均布荷载q1、巷道外接圆半径r0按照下列公式计算：p0＝γh1、公式中：γ为顶板岩层平均容重，通常取27kn/m³；h1为岩层埋藏深度，m；r0为巷道外接圆半径；p0为上覆岩层的自重应力；c为顶板岩层粘聚力；φ为顶板岩层内摩擦角；h为巷道高度。

进一步的，所述步骤3)中锚杆参数包括：锚杆长度l、锚杆锚固力p、锚杆直径d、锚杆间距l、排距m。其中，锚杆长度l按照计算，在计算出锚杆长度后，选用与之最接近的且符合《煤巷锚杆支护技术规范》中规定的锚杆长度作为最终选用长度。锚杆锚固力p按照p＝π×φ孔×σ粘×l锚计算、锚杆直径d按照计算、锚杆间距l、排距m按照计算，若锚杆间、排距小于0.6m，则取锚杆间、排距为0.6m×0.6m。公式中，n为安全系数；q1为顶板所受均布荷载；2a为巷道宽度；σt为顶板岩层的抗拉强度；x为距离巷帮的水平距离；φ孔为钻孔直径；σ粘为孔壁与锚固剂之间的粘结强度；l锚为锚杆锚固长度，一般取0.5m；σt杆为锚杆抗拉强度；k杆为锚杆安全系数，k杆＝1.5-2；γ为顶板岩层平均容重。

进一步的，所述步骤4)中巷道顶板自然平衡拱方程为：公式中，x为距离巷帮的水平距离；f为顶板岩石坚固性系数，b1为自然平衡拱的最大高度，由得；a1为自然平衡拱的最大跨度，由得；2a、h分别为巷道宽度、高度；φ为顶板岩石的内摩擦角；λ为侧压力系数。

进一步的，所述步骤4)中锚索参数有：锚索长度l索、锚索锚固力p索、锚索直径d索、锚索间距l索、排距m索。其中，锚索长度l索按照l索＝l1+y+l2、，锚索锚固力p索按照p索＝π×φ孔×σ粘×l2计算、锚索直径d索可选15.24mm、17.80mm和21.6mm，设计破断力σa分别为260kn、355kn和454kn；锚索间距l索、排距m索按照计算。公式中，l1为锚索外露长度，一般为0.3-0.5m；l2为锚索锚固长度，一般为1.5-2m；k索为锚索安全系数，一般取2；其余参数同上。

进一步的，所述步骤5)中锚杆安装孔直径与锚杆直径之差为6-10mm，锚索安装孔优先采用直径为28mm的钻头打孔，锚杆材质为20mnsi左旋无纵筋螺纹钢，锚索采用高强度钢绞线，考虑到顶板与巷帮角部位置存在较大剪力，该处可选择直径稍大的锚杆，锚杆预紧力不小于60kn，锚索预紧力不小于150kn，金属网为直径4mm铁丝编织的菱形金属网，网孔为50mm×50mm，金属网的长度比巷道宽度长400mm，相邻两金属网之间搭接的距离不小于140mm，w型钢带的长度视巷道宽度而定，宽度为150mm，厚度为3mm，锚杆托板采用拱形高强度托盘，尺寸为150mm×150mm×10mm，锚索托板采用高强度可调心托板，尺寸为300mm×300mm×16mm。

进一步的，所述步骤6)中金属网要绷紧铺设，在金属网搭接位置布设w型钢带，按钻孔顺序依次安装锚杆、锚索。锚杆与锚索均采用树脂锚固剂进行锚固，锚杆采用树脂加长锚固，锚索采用端头锚固，每两排锚杆之间布置一排锚索。

本发明与现有支护技术相比，其优点在于在获取巷道各参数后通过对具体地质条件下巷道顶板进行受力分析，得到了保证巷道顶板维持稳定所需的锚杆参数，由此针对顶板各位置受力不同有针对性的进行支护，使得锚杆与巷道顶板形成的承载结构在保证顶板稳定的前提下实现均匀受力。依据普氏理论，在确定自然平衡拱方程后，以不同位置所对应的自然平衡拱拱高为基础获得锚索参数，利用获得的锚杆、锚索参数对顶板进行支护。本发明能在减少锚杆、锚索使用量的基础上改善巷道的维护状况，在保证巷道顶板受力稳定的前提下降低支护成本。本发明具有支护参数合理，施工简单，支护效果好等优点，并且在满足支护稳定的前提下，投资成本低、安全可靠，具有广泛的推广及应用价值。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图

图2为本发明的巷道顶板承载结构力学模型示意图

图3为本发明的巷道顶板锚杆等强梁支护布置图

图4为本发明的普式平衡拱位置示意图

图5为本发明的巷道顶板等强梁支护断面示意图

图6为本发明的巷道顶板等强梁支护平面示意图

图中：1.自然平衡拱；2.巷道；3.金属网；4.锚杆；5.锚索；6.锚杆拱形高强度托板；7.锚杆锁紧装置；8.锚索高强度可调心托板；9.锚索锁紧装置；10.w型钢带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的核心是基于巷道顶板的受力特点，在保证巷道顶板稳定的前提下，提供一种巷道顶板等强梁支护方法，在有效控制顶板稳定的基础上，降低了支护材料的使用量，从而降低支护成本。

本发明的具体步骤如下：

1)根据煤矿实际地质情况对当前施工段巷道(2)进行开挖。

2)获取巷道(2)顶板围岩力学参数以及巷道(2)尺寸。从当前开挖的巷道(2)顶板岩层中选取岩样，对选取的岩样进行室内试验，将试验获得的数据整理后求出巷道(2)顶板围岩力学参数。其中，室内试验所获得的巷道(2)顶板围岩力学参数包括：顶板岩石抗拉强度σt、顶板岩石粘聚力c、顶板岩石内摩擦角φ、顶板岩石坚固性系数f、侧压力系数λ。顶板上覆岩层自重应力p0、顶板所受均布荷载q1根据已获得的围岩力学参数确定可得。巷道(2)尺寸包括：巷道高度h、巷道宽度2a、巷道外接圆半径r0。其中，顶板上覆岩层的自重应力p0、顶板所受均布荷载q1、巷道外接圆半径r0按照下列公式计算：p0＝γh1、公式中：γ为顶板岩层平均容重，通常取27kn/m³；h1为岩层埋藏深度，m；r0为巷道外接圆半径；p0为上覆岩层的自重应力；c为顶板岩层粘聚力；φ为顶板岩层内摩擦角；h为巷道高度。

3)锚杆(4)参数确定。根据巷道(2)顶板的受力简化出巷道(2)顶板承载结构力学模型，得到巷道(2)顶板中部弯曲正应力大而剪力小、顶板中部往两端弯曲正应力减小而剪应力逐渐增大的受力特点，基于巷道(2)顶板各处受力均匀的目的，得出巷道(2)顶板等强梁支护所需的锚杆(4)各参数计算公式，根据步骤2)中已得到的顶板各围岩力学参数及巷道(2)尺寸，在顶板受力分析的基础上，按照已得的锚杆(4)参数计算公式，根据顶板受力特点针对性的确定出顶板不同位置所需的锚杆长度l、锚杆锚固力p、锚杆直径d、锚杆间距l、排距m。其中，锚杆长度l按照计算，在计算出锚杆长度后，选用与之最接近的且符合《煤巷锚杆支护技术规范》中规定的锚杆长度作为最终选用长度。锚杆锚固力p按照p＝π×φ孔×σ粘×l锚计算、锚杆直径d按照计算、锚杆间距l、排距m按照计算，考虑到锚杆间、排距过小会影响到顶板岩层的完整性，所以当锚杆间、排距小于0.6m时，取锚杆间、排距为0.6m×0.6m。公式中，n为安全系数；q1为顶板所受均布荷载；2a为巷道宽度；σt为顶板岩层的抗拉强度；x为距离巷帮的水平距离；φ孔为钻孔直径；σ粘为孔壁与锚固剂之间的粘结强度；l锚为锚杆锚固长度，一般取0.5m；σt杆为锚杆抗拉强度；k杆为锚杆安全系数，k杆＝1.5-2；γ为顶板岩容重。

4)锚索(5)参数确定。依据普氏平衡拱理论，按照步骤2)中已得到的围岩力学参数及巷道(2)尺寸，对巷道开挖后顶板冒落所形成的自然平衡拱(1)进行确定，获得巷道顶板自然平衡拱(1)方程为：以顶板不同位置的自然平衡拱(1)拱高y为基准确定出顶板不同位置支护所需的锚索长度l索、锚索锚固力p索、锚索直径d索、锚索间距l索、排距m索。其中，锚索长度l索按照l索＝l1+y+l2、，锚索锚固力p索按照p索＝π×φ孔×σ粘×l2计算、锚索直径d索可选15.24mm、17.80mm和21.6mm，设计破断力σa分别为260kn、355kn和454kn；锚索间距l索、排距m索按照计算。公式中，x为距离巷帮的水平距离；f为顶板岩石坚固性系数，b1为自然平衡拱的最大高度，由得；a1为自然平衡拱的最大跨度，由得；2a、h分别为巷道宽度、高度；φ为顶板岩石的内摩擦角；λ为侧压力系数；l1为锚索外露长度，一般为0.3-0.5m；l2为锚索锚固长度，一般为1.5-2m；k索为锚索安全系数，一般取2；其余参数同步骤3)。

需要说明一点，巷道(2)开挖后，巷道(2)顶板一定范围内的围岩由于切割作用会形成一个封闭的拱形洞顶，即自然平衡拱(1)。通常当巷道(2)两帮处于稳定状态时，巷道(2)顶板围岩形成的自然平衡拱(1)拱线与顶板角部外接，不会向外继续扩展；当巷道(2)两帮处于不稳定状态时，自然平衡拱(1)会继续向外扩展，自然平衡拱(1)拱线将延伸至巷帮内部，直至平衡。在煤矿现场施工中，巷道(2)两帮是否处于稳定状态无法及时准确判定，考虑到巷道支护的及时性、有效性及安全性，本发明按照巷道(2)两帮处于不稳定状态时的自然平衡拱(1)方程来确定锚索(5)参数。

5)巷道(2)顶板等强梁支护方案确定。根据步骤2)、3)获得的锚杆(4)、锚索(5)参数，确定顶板等强梁支护为锚杆与锚索联合支护。从巷道(2)顶板中部往两端钻孔获得与该位置锚杆(4)长度相匹配的锚杆安装孔，锚杆安装孔直径与锚杆(4)直径之差为6-10mm，按照步骤2)已确定的锚杆(4)间、排距从顶板中部往两端依次安设长度逐渐减小的锚杆(4)，锚杆(4)材质为20mnsi左旋无纵筋螺纹钢，顶板左右两端锚杆(4)与水平方向的夹角为60-80°且距帮部300mm，顶板其他位置锚杆(4)均沿垂直方向安设，考虑到顶板与巷帮角部位置存在较大剪力，该处可选择直径稍大的锚杆(4)，锚杆(4)预紧力不小于60kn，每排锚杆(4)下端固定在同一条w型钢带(10)上。从顶板中部往两端钻孔获得与锚索(5)长度相匹配的锚索安装孔，锚索安装孔优先采用直径为28mm的钻头打孔，按照步骤2)已确定的锚索(5)间、排距从顶板中部往两端依次安设长度逐渐减小的锚索(5)，锚索(5)采用高强度钢绞线，顶板左右两端锚索(5)与水平方向的夹角为70-75°且距巷道帮部1000mm，顶板其他位置锚索(5)均沿垂直方向安设，锚索(5)预紧力不小于150kn。锚杆(4)与顶板岩石之间铺设一张金属网(3)，金属网(3)为直径4mm铁丝编织的菱形金属网，网孔为50mm×50mm，金属网(3)的长度比巷道宽度长400mm，相邻两金属网(3)之间搭接的距离不小于140mm。金属网(3)与锚杆(4)之间通过w型钢带(10)连接，w型钢带(10)的长度视巷道(2)宽度而定，宽度为150mm，厚度为3mm。最后分别安装锚杆拱形高强度托盘(6)，尺寸为150mm×150mm×10mm，锚索高强度可调心托板(8)，尺寸为300mm×300mm×16mm及锚杆锁紧装置(7)与锚索锁紧装置(9)。

6)巷道(2)顶板等强梁支护施工。根据步骤3)、4)、5)所确定的锚杆(4)参数、锚索(5)参数以及顶板等强梁支护方案，在巷道(2)开挖后及时从巷道(2)顶板中部位置往两端依次对巷道(2)顶板进行打钻、安装锚杆(4)、锚索(5)以及相关配套的金属网(3)、w型钢带(10)、固定锚杆(4)、锚索(5)。其中，金属网(3)要绷紧铺设，在金属网(3)搭接位置布设w型钢带(10)，按钻孔顺序依次安装锚杆(4)、锚索(5)。锚杆(4)与锚索(5)均采用树脂锚固剂进行锚固，锚杆(4)采用树脂加长锚固，锚索(5)采用端头锚固，每两排锚杆(4)之间布置一排锚索(5)。

以上所述是本发明的优选施工方式，并非对本发明作任何限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，凡是根据本发明方法的实质对上述实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明的保护范围之内。