一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板及其使用方法与流程

本发明涉及一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板及其使用方法，属于煤矿沿空留巷技术领域。

背景技术：

沿空留巷作为无煤柱开采的重要技术手段，即：将上区段工作面回采巷道通过留设窄煤柱或构筑人工墙体，将其保留下来供下区段工作面回采使用，可以将巷道布置在工作面侧向固定支承压力的应力降低区内，有利于巷道维护，同时可以减少巷道掘进量、改善采掘接替紧张、减小煤柱留设宽度、减少煤炭资源的损失、延长矿井服务年限、提高矿井开采效益。

巷旁充填体作为沿空留巷的重要人工做成部分，其主要作用如下：（1）控制直接顶的离层和弯曲下沉，以减少巷内支护所受的载荷和巷道围岩的变形，保持巷道围岩的稳定性；（2）为了生产安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤的自燃，以避免采空区中有害气体进入工作空间。由此可见巷旁充填体对沿空留巷的稳定性起着重要作用。传统的巷旁充填体模板均为六面体式，在生产的实际过程中会发生顶部的受力及下沉不均匀现象，因此急需一种新型的巷旁充填模板来解决上述现象。

技术实现要素：

本发明为了缓解在矿井开采过程中，沿空巷道巷旁充填体顶部受力及下沉不均匀的特点，提供了一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板及其使用方法。

本发明针对沿空留巷巷道顶板属中等稳定强度顶板，即节理裂隙不发育的致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩等顶板条件下使用。

本发明提供了一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板，包括金属支架、充填模袋和连接装置；

所述金属支架是由竖向钢管、底部钢板和顶部连接杆组成的非对称框架结构，金属支架内部通过连接装置将各部件支撑和固定住；金属支架和连接装置的外侧设有充填模袋，充填模袋是采用防水纤维布制成的，充填模袋被金属支架完全支撑起来，并与其紧密贴合，充填模袋外部设有钢筋（称外部加筋），充填模袋内部布置有对拉钢筋，充填模袋顶部设有挂钩，模袋靠近沿空巷道侧设置有充填口。

金属支架由六根竖向钢管、六条底部钢板、七根顶部连接杆组成；

竖向钢管包括六根平行排列的钢管，其中四根等高且平行排列的第一竖向钢管、第二竖向钢管、第三竖向钢管、第四竖向钢管组成第一竖向钢管组，另外两根较低的第五竖向钢管、第六竖向钢管组成第二竖向钢管组；底部钢板共有六条，底部钢板分为两条横向钢板和四条纵向钢板，在第一竖向钢管、第二竖向钢管底部之间设有一条横向钢板，在第五竖向钢管、第六竖向钢管底部之间设有另一条横向钢板，在第一竖向钢管和第三竖向钢管底部之间、第二竖向钢管和第四竖向钢管底部之间、第三竖向钢管和第五竖向钢管底部之间、第四竖向钢管和第六竖向钢管底部之间分别设有纵向钢板；顶部连接杆共有七根，包括三根横向连接杆和四根纵向连接杆，在第一竖向钢管和第二竖向钢管顶部之间、第三竖向钢管和第四竖向钢管顶部之间、第五竖向钢管和第六竖向钢管顶部之间分别设有横向连接杆，在第一竖向钢管和第三竖向钢管顶部之间、第二竖向钢管和第四竖向钢管顶部之间、第三竖向钢管和第五竖向钢管顶部之间、第四竖向钢管和第六竖向钢管顶部之间分别设有纵向连接杆，前两条纵向连接杆为水平放置，后两条纵向连接杆为倾斜放置。

进一步地，所述竖向钢管的长度分别依据煤层厚度s及巷道高度h综合确定，若巷道高度h小于煤层厚度s，则第一竖向钢管组高度h1为h-50mm，第二竖向钢管组高度h2为h-200mm；若巷道高度h大于等于煤层厚度s，则第一竖向钢管组高度h1为s-50mm，第二竖向钢管组高度h2为s-200mm，两组竖向钢直径d1均为60mm；底部横向钢板长度为a-50mm，底部纵向钢板长度为b/2-50mm，两组底部钢板宽度x均为60mm，厚度y均为5mm；顶部横向连接杆长度为a-50mm，水平放置的顶部纵向连接杆长度b1为b/2-50mm，倾斜放置的顶部纵向连接杆长度b2为mm，三组顶部连接杆直径d2均为50mm；其中，a为巷旁充填模板长度，b为巷旁充填模板宽度。

当充填模袋长度a≤4000mm，对拉钢筋间距m为700mm；当充填模袋长度a＞4000mm，对拉钢筋间距m为600mm；当充填模袋金属支架的第二竖向钢管组高度h2≤2800mm，对拉钢筋排距n为800mm；当充填模袋金属支架的第二竖向钢管组高度h2＞2800mm，对拉钢筋排距n为700mm。

所述连接装置包括金属支架底部的第一、第二连接装置，金属支架顶部的第三、第四、第五连接装置，

金属支架底部第一连接装置由一个竖向圆柱形套筒、两个横向立方体套筒两两相互垂直焊接而成，用于连接第一、第二、第五、第六竖向钢管及其底部周边的部件；圆柱形套筒内径d1’为62mm、高度z1为100mm，立方体套筒内部长度x1为62mm、内部宽度y1为7mm、高度z2为100mm。

金属支架底部第二连接装置由一个竖向圆柱形套筒、一个横向立方体套筒焊接而成，将圆柱形套筒底部焊接在横向立方体套筒中部；用于连接第三、第四竖向钢管底部及其周边的部件；圆柱形套筒内径d2’为62mm、高度z3为100mm，立方体套筒内部长度x2为62mm、内部宽度y2为7mm、高度z4为200mm。

金属支架顶部第三连接装置由三个竖向圆柱形套筒两两垂直焊接而成；用于连接第一、第二竖向钢管顶部及其周边的部件；各套筒高度z5均为100mm，其中一个套筒内径d3’为62mm，另两个套筒内径d4’为52mm。

金属支架顶部第四连接装置由四个竖向圆柱形套筒焊接而成；用于连接第三、第四竖向钢管顶部及其周边的部件；套筒高度z6均为100mm，一个套筒内径d5’为62mm，另三个套筒内径d6’为52mm，焊接角度分别为90°、90°、90°和，其中。

金属支架顶部第五连接装置由三个竖向圆柱形套筒焊接而成；用于连接第五、第六竖向钢管顶部及其周边的部件；套筒高度z7均为100mm，一个套筒内径d7’为62mm，另两个套筒内径d8’为52mm，焊接角度分别为90°、90°和，其中。

巷旁充填模板外部加筋为φ25mm的500#高强螺纹钢，充填模板横向外部加筋长度l1为a-50mm，充填模板纵向外部加筋长度l2为b-50mm，其中a为充填模袋的长度，b为充填模袋的宽度。

外部加筋连接装置有两个相互垂直的圆柱形套筒焊接而成；用于将外部加筋端头进行两两连接；各套筒高度z8均为100mm，套筒内径d9’均为27mm。

内部对拉钢筋为φ25mm的500#高强螺纹钢，内部对拉钢筋间隔固定在充填模袋上，内部拉筋外端丝扣长度不小于100mm，拉筋外部两端各有一套由高强度托板、球形垫和尼龙垫圈构成的固定装置。

充填模袋上部设置有充填口，充填口直径d为100mm，用于混凝土材料或（似）膏体材料的充入，充填口垂直位置为h1-150mm，水平位置为a/2mm。

本发明提供了一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）计算沿空巷道巷旁充填体的长度和宽度，根据矿井生产条件确定巷旁充填体的长度a，若矿井生产每班割煤n刀则巷旁充填体长度a为n×c，c为采煤机截割步距；运用flac^3d数值计算软件计算确定合理的巷旁充填宽度b；

（2）选择巷旁充填模板，根据上述方法确定巷旁充填模板金属支架的尺寸，包括第一竖向钢管组高度h1、第二竖向钢管组高度h2、底部横向钢板长度，底部竖向钢板长度，顶部连接杆长度；

（3）悬挂充填模板：先将沿空巷道侧顶部挂钩悬挂到沿空巷道侧单体液压支柱上，采空区侧顶部挂钩和顶部中央挂钩悬挂到沿空巷道顶部的金属网或锚杆端头上，使得充填模袋垂直下沉，使充填模袋底部完全接触到巷道底板，并在靠近采空区一侧将对拉钢筋的一端固定，然后调整模板高度使其充分展开；

（4）安装巷旁充填模板金属支架，将各竖向钢、底部钢板、连接杆分别穿插在充填模袋上预先留设好的支架套筒（在柔性模袋各边要安装金属支架，因此预先在模袋内设置了支架套筒）内，并用连接装置将其端部依次连接，并将相邻充填模板上的连接绳依次连接起来；

（5）安装外部加筋，在巷旁充填模袋四周安装外部加筋，并用外部加筋连接装置将其端头进行两两连接；

（6）进行巷旁充填，从上部充填口将巷旁充填材料灌入，并将对拉钢筋进行初步预紧；

（7）拉紧对拉钢筋，待巷旁充填材料充分凝结接顶后，再将对拉钢筋进行充分拉紧；

（8）重复（3）～（7），直至工作面推进完毕。

本发明的有益效果：

（1）本发明所提出的非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板能够在沿空留巷作业早期过程，有效地使沿空留巷采空区侧向顶板发生断裂，阻断顶板侧向支承压力的传递，减少顶板侧向支承压力对沿空巷道受力和变形的影响。

（2）本发明所提出的非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板能够在沿空留巷作业中后期过程中，即在沿空留巷巷旁充填材料在模板中充分凝固后，起到支撑巷道顶板的作用，同时能够有效地隔绝上区段采空区，防止上区段采空区的瓦斯、水等流入该工作面。

（3）本发明所提出的非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板能够有效解决现有沿空留巷巷旁充填体顶部的受力及下沉不均匀的问题，使得巷旁充填体保持较高的完整性，提高沿空留巷工程的成功率。

（4）本发明所提出的充填模板使用简单，在现场悬挂和布置好外部加筋后即可进行充填作业，使用此充填模板能够有效节约巷道支护及维护费用，提高矿井生产效益。

附图说明

图1为本发明充填模板结构示意图；

图2为本发明充填模板主视图；

图3为本发明充填模板侧视图；

图4为本发明充填模板金属支架结构示意图；

图5为本发明金属支架底部第一连接装置示意图；

图6为本发明金属支架底部第二连接装置示意图；

图7为本发明金属支架顶部第三连接装置示意图；

图8为本发明金属支架顶部第四连接装置示意图；

图9为本发明金属支架顶部第五连接装置示意图；

图10为本发明外部加筋连接装置示意图；

图11为本发明充填模板现场使用效果示意图（巷道高度h小于煤层厚度s）；

图12为本发明充填模版现场使用效果示意图（巷道高度h大于等于煤层厚度s）；

图中：1-充填模袋，2-充填口，3-内部对拉钢筋，4-长度方向外部加筋套筒，5-宽度方向外部加筋套筒，6-连接绳，7-采空区侧顶部挂钩，8-沿空巷道侧顶部挂钩，9-顶部中央挂钩，10-支架套筒，11-第一竖向钢管，12-第二竖向钢管，13-第三竖向钢管，14-第四竖向钢管，15-第五竖向钢管，16-第六竖向钢管，17-底部横向钢板，18-底部纵向钢板，19-顶部横向连接杆，20-顶部纵向连接杆，21-底部第一连接装置，22-底部第二连接装置，23-顶部第三连接装置，24-顶部第四连接装置，25-顶部第五连接装置，26-外部加筋连接装置，27-沿空巷道，28-充填模板，29-下区段工作面煤壁，30-上区段工作面采空区。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~12所示，一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板，包括金属支架、充填模袋1和连接装置；所述金属支架是由竖向钢管、底部钢板和顶部连接杆组成的非对称框架结构，金属支架内部通过连接装置将各部件支撑和固定住；金属支架和连接装置的外侧设有充填模袋，充填模袋是采用防水纤维布制成的，充填模袋被金属支架完全支撑起来，并与其紧密贴合，充填模袋外部设有钢筋（简称外部加筋），充填模袋内部布置有对拉钢筋，充填模袋1顶部设有挂钩，模袋靠近沿空巷道侧设置有充填口2。

所述金属支架由六根竖向钢管、六条底部钢板、七根顶部连接杆组成；

竖向钢管包括六根平行排列的钢管，其中四根等高且平行排列的第一竖向钢管11、第二竖向钢管12、第三竖向钢管13、第四竖向钢管14组成第一竖向钢管组，另外两根较低的第五竖向钢管15、第六竖向钢管16组成第二竖向钢管组；底部钢板共有六条，底部钢板分为两条底部横向钢板17和四条底部纵向钢板18，在第一竖向钢管11、第二竖向钢管12底部之间设有一条横向钢板，在第五竖向钢管15、第六竖向钢管16底部之间设有另一条横向钢板，在第一竖向钢管11和第三竖向钢管13底部之间、第二竖向钢管12和第四竖向钢管14底部之间、第三竖向钢管13和第五竖向钢管15底部之间、第四竖向钢管14和第六竖向钢管16底部之间分别设有纵向钢板；顶部连接杆共有七根，包括三根顶部横向连接杆19和四根顶部纵向连接杆20，在第一竖向钢管11和第二竖向钢管12顶部之间、第三竖向钢管13和第四竖向钢管14顶部之间、第五竖向钢管15和第六竖向钢管16顶部之间分别设有横向连接杆，在第一竖向钢管11和第三竖向钢管13顶部之间、第二竖向钢管12和第四竖向钢管14顶部之间、第三竖向钢管13和第五竖向钢管15顶部之间、第四竖向钢管14和第六竖向钢管16顶部之间分别设有纵向连接杆，前两条纵向连接杆为水平放置，后两条纵向连接杆为倾斜放置。

进一步地，所述竖向钢管的长度分别依据煤层厚度s及巷道高度h综合确定，若巷道高度h小于煤层厚度s，则第一竖向钢管组高度h1为h-50mm，第二竖向钢管组高度h2为h-200mm；若巷道高度h大于等于煤层厚度s，则第一竖向钢管组高度h1为s-50mm，第二竖向钢管组高度h2为s-200mm，两组竖向钢直径d1均为60mm；底部横向钢板长度为a-50mm，底部纵向钢板长度为b/2-50mm，两组底部钢板宽度x均为60mm，厚度y均为5mm；顶部横向连接杆长度为a-50mm，顶部纵向连接杆长度b1为b/2-50mm，倾斜放置的顶部纵向连接杆长度b2为mm，三组顶部连接杆直径d2均为50mm；其中，a为巷旁充填模板长度，b为巷旁充填模板宽度。

当充填模袋长度a≤4000mm，对拉钢筋间距m为700mm；当充填模袋长度a＞4000mm，对拉钢筋间距m为600mm；当充填模袋金属支架的第二竖向钢管组高度h2≤2800mm，对拉钢筋排距n为800mm；当充填模袋金属支架的第二竖向钢管组高度h2＞2800mm，对拉钢筋排距n为700mm。

所述连接装置包括金属支架底部的第一、第二连接装置，金属支架顶部的第三、第四、第五连接装置，

金属支架底部第一连接装置21由一个竖向圆柱形套筒、两个横向立方体套筒两两相互垂直焊接而成，用于连接第一、第二、第五、第六竖向钢管及其底部周边的部件；圆柱形套筒内径d1’为62mm、高度z1为100mm，立方体套筒内部长度x1为62mm、内部宽度y1为7mm、高度z2为100mm。

金属支架底部第二连接装置22由一个竖向圆柱形套筒、一个横向立方体套筒焊接而成，将圆柱形套筒底部焊接在横向立方体套筒中部；用于连接第三、第四竖向钢管底部及其周边的部件；圆柱形套筒内径d2’为62mm、高度z3为100mm，立方体套筒内部长度x2为62mm、内部宽度y2为7mm、高度z4为200mm。

金属支架顶部第三连接装置23由三个竖向圆柱形套筒两两垂直焊接而成；用于连接第一、第二竖向钢管顶部及其周边的部件；各套筒高度z5均为100mm，其中一个套筒内径d3’为62mm，另两个套筒内径d4’为52mm。

金属支架顶部第四连接装置24由四个竖向圆柱形套筒焊接而成；用于连接第三、第四竖向钢管顶部及其周边的部件；套筒高度z6均为100mm，一个套筒内径d5’为62mm，另三个套筒内径d6’为52mm，焊接角度分别为90°、90°、90°和，其中。

金属支架顶部第五连接装置25由三个竖向圆柱形套筒焊接而成；用于连接第五、第六竖向钢管顶部及其周边的部件；套筒高度z7均为100mm，一个套筒内径d7’为62mm，另两个套筒内径d8’为52mm，焊接角度分别为90°、90°和，其中。

巷旁充填模板外部加筋为φ25mm的500#高强螺纹钢，充填模板横向外部加筋长度l1为a-50mm，充填模板纵向外部加筋长度l2为b-50mm，其中a为充填模袋的长度，b为充填模袋的宽度。

外部加筋连接装置26有两个相互垂直的圆柱形套筒焊接而成；用于将外部加筋端头进行两两连接；各套筒高度z8均为100mm，套筒内径d9’均为27mm。

内部对拉钢筋3为φ25mm的500#高强螺纹钢，内部对拉钢筋间隔固定在充填模袋上，内部拉筋外端丝扣长度不小于100mm，拉筋外部两端各有一套由高强度托板、球形垫和尼龙垫圈构成的固定装置。

充填模袋1上部设置有充填口2，充填口直径d为100mm，用于混凝土材料或（似）膏体材料的充入，充填口垂直位置为h1-150mm，水平位置为a/2mm。

本发明提供了一种非对称柱体式沿空留巷巷旁充填模板的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）计算沿空巷道巷旁充填体的长度和宽度，根据矿井生产条件确定巷旁充填体的长度a，若矿井生产每班割煤n刀则巷旁充填体长度a为n×c，c为采煤机截割步距；运用flac^3d数值计算软件计算确定合理的巷旁充填宽度b；

（2）选择巷旁充填模板，根据上述方法确定巷旁充填模板金属支架的尺寸，包括第一竖向钢管组高度h1、第二竖向钢管组高度h2、底部横向钢板长度，底部竖向钢板长度，顶部连接杆长度；

（3）悬挂充填模板：先将沿空巷道侧顶部挂钩悬挂到沿空巷道侧单体液压支柱上，采空区侧顶部挂钩和顶部中央挂钩悬挂到沿空巷道顶部的金属网或锚杆端头上，使得充填模袋垂直下沉，使充填模袋底部完全接触到巷道底板，并在靠近采空区一侧将对拉钢筋的一端固定，然后调整模板高度使其充分展开；

（4）安装巷旁充填模板金属支架，将各竖向钢、底部钢板、连接杆分别穿插在充填模袋上预先留设好的支架套筒（在柔性模袋各边要安装金属支架，因此预先在模袋内设置了支架套筒）内，并用连接装置将其端部依次连接，并将相邻充填模板上的连接绳依次连接起来；

（5）安装外部加筋，在巷旁充填模袋四周安装外部加筋，并用外部加筋连接装置将其端头进行两两连接；

（6）进行巷旁充填，从上部充填口将巷旁充填材料灌入，并将对拉钢筋进行初步预紧；

（7）拉紧对拉钢筋，待巷旁充填材料充分凝结接顶后，再将对拉钢筋进行充分拉紧；

（8）重复（3）～（7），直至工作面推进完毕。

下面通过具体实施例来说明本发明的使用方法：

实施例1：

某沿空留巷工作面，煤层平均厚度6.25m，沿空巷道高度3200mm，使用上述非对称柱式沿空留巷巷旁充填模板进行沿空留巷的步骤为：

（1）计算沿空巷道巷旁充填体的长度和宽度。

该工作面采煤机每班割煤3刀，采煤机截割步距为800mm，故巷旁充填体长度a为2400mm，然后运用flad^3d数值计算软件巷旁充填的合理宽度b为1400mm。

（2）选择巷旁充填模板，确定合理的金属支架尺寸。

根据上述方法确定巷旁充填模板金属支架的尺寸，包括第一竖向钢管高度h1为3150mm，第二竖向钢管高度h2为3000mm，两组竖向钢的直径d1均为60mm；底部横向钢板长度为2350mm，底部纵向钢板长度为650mm，两组底部钢板的宽度x均为60mm，厚度y均为5mm；顶部横向连接杆长度为2350mm，顶部纵向连接杆长度为650mm，另一顶部纵向连接杆长度为716mm，三组连接杆的直径d2均为50mm。

（3）悬挂充填模板。

先将沿空巷道侧顶部挂钩8悬挂到沿空巷道侧单体液压支柱上，采空区侧顶部挂钩7和顶部中央挂钩9挂到沿空巷道顶部的金属网或锚杆端头上，使得充填模袋1垂直下沉，使充填模袋底部完全接触到巷道底板，并在靠近采空区一侧将对拉钢筋3的一端固定，对拉钢筋的间距m为70mm、排距n为700m，然后调整模板高度使其充分展开。

（4）安装巷旁充填模板金属支架。

将（2）中所得规格的竖向钢管、底部钢板、上部连接杆分别穿插在充填模袋上预先留设好的支架套筒10内，并用底部第一连接装置21、底部第二连接装置22、顶部第三连接装置23、顶部第四连接装置24和顶部第五连接装置25将其端部依次连接，并将相邻充填模板上的连接绳6依次连接起来。

（5）安装外部加筋。

在巷旁充填模袋四周安装安装外部加筋（包括长度方向外部加筋套筒4和宽度方向外部加筋套筒5），并用外部加筋连接装置26将其端头进行两两连接；

（6）进行巷旁充填，并预计对拉钢筋。

从上部充填口2将巷旁充填材料灌入，并将内部对拉钢筋3进行初步预紧。

（7）拉紧对拉钢筋。

待巷旁充填材料充分凝结接顶后，再将内部对拉钢筋3在此进行充分拉紧；

（8）重复（3）～（7），直至工作面推进完毕，现场使用效果示意图如图11所示。

实施例2：

某沿空留巷工作面，煤层厚度2.5m，巷道高度为3000m，根据矿井生产情况，即该工作面采煤机每班割煤4刀，采煤机截割步距为800mm，故巷旁充填体长度a为3200mm，然后运用flad^3d数值计算软件巷旁充填的合理宽度b为1200mm。根据上述方法确定巷旁充填模板金属支架的尺寸，包括第一竖向钢管高度h1为2450mm，第二竖向钢管高度h2为2300mm，两组竖向钢的直径d1均为60mm；底部横向钢板长度为3150mm，底部纵向钢板长度为550mm，两组底部钢板组的宽度x均为60mm，厚度y均为5mm，顶部横向连接杆组长度为3150mm，顶部纵向连接杆长度为550mm，另一顶部纵向连接杆长度为618.5mm，三组连接杆直径d2均为50mm。

对拉钢筋的间距m为700mm、排距n为800m。

其余步骤同实施例1，现场使用效果示意图如图12所示。