专利名称：一种构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构及方法
技术领域：
本发明涉及一种构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构及方法，尤其适用于采煤工作面采用膏体砌筑充填墙体时的无煤柱连续开采方法。
背景技术：
沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用，是无煤柱护巷的一种形式，它以其有利于合理开发煤炭资源，提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，从根本上改善矿井采掘接替的紧张局面，改善巷道维护状况等优点而得到广泛重视。目前我国煤矿在应用沿空留巷技术时，绝大多数都要设置巷旁支护，应用较多的巷旁支护形式主要有木垛、单体支柱等。随着科学技术及采矿机械化的不断发展，采用砌筑沿空留巷充填墙体的做法越来越普遍，但随着采煤工作面的回采，构筑的巷帮充填体将承受破断直接顶和老顶的自重载荷，同时承受老顶破断后形成的砌体梁结构中顶板回转过程中的侧向压力，受此影响，充填墙体多数情况下会受压变形、破坏或充填体的强烈滑移甚至被压垮压爆，导致巷道空间急剧缩小，造成辅助生产、通风等工序难以进行。因此改革巷旁充填墙体的构造形式和材料非常必要，现阶段普遍做法有采用高标号的水泥、改善充填材料的配方等方法来增加墙体的强度，使墙体能够支撑直接顶或者老顶下沉的载荷，甚至在老顶破断回转下沉的时候能够使墙体达到一定的强度。但这些都是单纯靠改变充填墙体的强度来抵抗老顶的回转变形，如果老顶回转载荷过大时采取硬抗就会使墙体失稳，甚至压裂或压垮墙体。而老顶的回转下沉载荷是不可抗的，这就要求是墙体具有可缩性且能缓冲冲击载荷。目前国内有许多学者提出在充填墙体的上表面增加一些经阻燃处理过的木块或者是软接顶等方法，很好的解决了墙体与顶板的接顶情况，但木块容易引起采空区煤炭自燃，软介质接顶也能很好的解决顶板的回转来压，缓冲冲击载荷，而且软介质宽度仅为墙体宽度一半，虽然从一定程度上节省了充填材料但很难保证墙体纵向稳定性。也有提出让压不等强接顶方法来改变上层墙体的让压效果，主要是待下部充填墙体凝固以后把准备好的矸石袋紧密地布置在上层，此方法充分地利用采出矸石，“变废为用”对接顶情况有很大改善，但此此种方法难以保证上层矸石袋与下层充填墙体很好的致密接触，容易失稳。
发明内容
技术问题:本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构及方法，通过改变传统的充填墙体的布置方式，使墙体既具有足够大的强度支撑顶板下沉带来的载荷又能吸收顶板回转下沉引起的冲击能量，减少冲击载荷对充填墙体的冲击破坏能力。技术方案:本发的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构，充填墙体包括混凝土构成的上层墙体、含有广1.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土构成的中层墙体和混凝土构成的下层墙体，上、中、下三层墙体内设有三维加强筋。
本发明的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的方法，包括以下步骤:a.在采煤工作面前方5 10m范围内在回采侧煤壁内开2.8 3.2m的宽缺口，并清理浮煤及虚矸、机械立模并在支架后方待充填区域处清理巷道底板虚矸，调整好留巷充填支架模板，然后在充填模型内铺上塑料膜或胶织袋，以避免充填料泄漏；b.在留巷充填支架模板内，根据待充填区域的长度和高度，布置充填墙体三维加强筋并固定好，三维加强筋的底部深入底板9-llmm ；c.将混合好的混凝土充填料泵送至留巷充填支架模板内，充填下层墙体，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至下层墙体设定高度时，停止充填；d.待下层墙体凝固后，充填中层墙体，将混合好的含有f 1.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土泵送至下层墙体上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至中层墙体设定高度时，停止充填；e.待中层墙体凝固后，充填上层墙体，将混合好的混凝土充填料泵送至中层墙体上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料接顶达顶板高度时，停止充填；f.待4 6h后，检测上、中、下三层墙体强度是否达到初凝强度，达到要求时，拆除模板，完成一个步距的沿空留巷充填墙体；g.随着采煤工作面的推进，重复步骤b、c、d、e、f，完成沿空留巷充填墙体。所述的三维加强筋用螺纹钢、或圆钢构成；所述的三维加强筋的间排距为
0.8 lm。有益效果:本发明并沿空充填墙体分成三层，上下层用混凝土充填，中层是用聚丙烯混凝土材料充填，上下层主要是使用普通的混凝土充填材料进行充填，中层用聚丙烯纤维材料增加混凝土的强度并且提高冲击韧性，加入聚丙烯材料配比出来的混凝土除了具有普通混凝土在强度上的要求，形成自上而下“硬一软一硬”结构，上层墙体保证直接顶能够适应老顶变形、回转、破断和触矸过程中的运动，但其厚度不缩小，中分层的高度可根据下沉量进行确定，具有较大的可缩性能，大大提高了充填墙体的抗压强度和变形能力，能很好吸收变性能，缓冲变形，使混凝土可以产生大变形而不破坏，增强混凝土的抗冲性和柔韧性，能适应老顶破断回转下沉带来的冲击载荷，吸收老顶破断触矸前，老顶破断回转引起的变形或冲击能量，缓冲老顶破断来压载荷。上层墙体可以使老顶保持完整的破断回转、下沉和把顶板的冲击载荷传递到中层墙体，下层墙体可以增加强度承受老顶来压载荷，中层墙体的充填材料能保证一定的可缩量。这样充填墙体既可以支撑直接顶老顶下沉的载荷，又可以吸收老顶回转下沉所产生的冲击能量，避免对充填墙体的产生冲击破坏。在三层之间布设三维加强筋，能控制三层充填体接触面的相对滑动，导致墙体承载能力的失效。而且在墙体上下分层中采用三维加强筋，特别是在接触面上下加大布设密度来保持墙体的整体稳定性，这样既能满足可缩性和强度方面要求，又能使墙体保持一定的稳定性。本发明既能提高充填墙体初期承载能力，适应上覆顶板下沉运动带来的载荷，又能吸收老顶上覆岩层破断回转下沉带来的冲击能量，使充填墙体无论在强度还是变形上都能适应强烈的采动影响，可以有效地控制采动巷道围岩的变形。其结构及方法简单，支撑强度大，能够吸收变形能，支护效果好，具有广泛的实用性。
图1是发明的平面布置示意图；图2是本发明实施多层异质充填墙体断面示意图。图中:1 一充填墙体；2 —上层墙体；3 —中层墙体；4 一下层墙体；5 —三维加强筋；6 —顶板；7 —底板；8 —沿空留巷；9 一米煤工作面；10 —运输巷道；11 一回风巷道。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:本发明的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构，主要由砌筑沿空留巷8的上、中、下三层充填墙体I构成，充填墙体I包括混凝土构成的上层墙体2、含有f 1.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土构成的中层墙体3和混凝土构成的下层墙体4，上、中、下三层墙体内设有三维加强筋5。上层墙体的高度为0.5^1m,中层墙体的高度为0.25、.5m,下层墙体为主要承载层高度为1.5 2m。本发 明的 构筑多层异质沿空留巷充填墙体的方法，首先根据实测计算出充填侧巷道顶板6承受的垂直应力，计算出充填侧巷道顶板6的下沉量，由此反推中层墙体3可缩量和工作面采高之间的关系；根据充填墙体的变形协调关系可知:Ah= ε ah+ ε Js-m)，式中:h为充填墙体高度，充填墙体纵向应变，ε。为直接顶纵向应变，s为煤层底板与老板的距离，m为采高，一般老顶变形、回转、破断、触矸过程中的下沉量，为工作面采高的59Γ25% ；充填步骤如下:a.先是在采煤工作面9前方10(Tl50m的回风巷道11或运输巷道10内布置两台混凝土充填泵，把充填所需的混凝土配料及其添加聚丙烯纤维材料的混凝土运送到采煤工作面前方充填泵所在地点，所述的巷旁充填材料选用混凝土充填主要成份是:石子、硅酸盐水泥、砂子及水等拌和的混凝土外加添加剂，比例为石子15 35%、水泥15飞O、砂子10 25%、水1(Γ50%和外加添加剂19Γ5%。把水泥和沙子放置在容器中掺入一定量的水和添加剂进行搅拌，水灰比在0.5左右，并在采煤工作面前方IOm左右地方设置一个充填管路安全阀，以便能及时控制充填的进度；然后在采煤工作面9前方5 IOm范围内回采侧煤壁内开2.8^3.2m的宽缺口，并清理浮煤及虚矸、机械立模并在支架后方待充填区域处清理巷道底板虚矸，调整好留巷充填支架模板，然后在充填模型内铺上塑料膜或胶织袋，以避免充填料泄漏；b.当采煤工作面开始回采时，根据充填区域的长度，在留巷充填支架模板内，根据待充填区域的长度和高度，间排距为0.flm，布置充填墙体三维加强筋5并固定好，以防止在顶板来压时导致墙体层间连接处相对滑动失稳，破坏墙体的强度；所述三维加强筋5的底部深入底板7为90-llmm，三维加强筋5的地面高度与待充填墙体高度基本一致，三维加强筋5用螺纹钢、或圆钢构成；c.将混合好的混凝土充填料泵送至留巷充填支架模板内，充填下层墙体4，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至下层墙体4的高度为1.5^2m时，停止充填；d.待下层墙体4凝固后，充填中层墙体3，将混合好的含有fl.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土泵送至下层墙体4上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至中层墙体3的高度为0.25、.5m时，停止充填；e.待中层墙体3凝固后，充填上层墙体2，将混合好的混凝土充填料泵送至中层墙体3上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料接顶达顶板6高度时，上层墙体的高度一般为0.5 lm，停止充填；f.待4 6h后，检测上、中、下三层墙体强度是否达到初凝强度1.5^3.0MPa(没错)，达到要求时，拆除模板，完成一个步距的沿空留巷充填墙体；g.随着采煤工作面9的推进，重复步骤b、C、d、e、f，完成沿空留巷充填墙体。 通过上下层的沿空留巷充填墙体主要是可以提供一定的支撑力和保证老顶完整回转下沉，中层的沿空留巷充填墙体主要是起到吸收顶板回转下沉引起的冲击能量，起到一定让压作用，防止冲击载荷过大且没有一定可缩量压垮压爆墙体，而上层充填墙体I主要是把老顶回转产生的载荷传递到中层墙体2内，使老顶能保持完整破断回转。
权利要求
1.一种构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构，其特征在于:充填墙体(I)包括混凝土构成的上层墙体(2)、含有f 1.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土构成的中层墙体(3)和混凝土构成的下层墙体(4)，上、中、下三层墙体内设有三维加强筋(5)。
2.一种如权利要求1所述结构的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的方法，其特征在于，包括以下步骤: a.在采煤工作面(9)前方5 IOm范围内在回采侧煤壁内开2.8^3.2m的宽缺口，并清理浮煤及虚矸、机械立模并在支架后方待充填区域处清理巷道底板虚矸，调整好留巷充填支架模板，然后在充填模型内铺上塑料膜或胶织袋，以避免充填料泄漏； b.在留巷充填支架模板内，根据待充填区域的长度和高度，布置充填墙体三维加强筋(5)并固定好，三维加强筋(5)的底部深入底板(7) 90^1 Imm ； c.将混合好的混凝土充填料泵送至留巷充填支架模板内，充填下层墙体(4)，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至下层墙体(4)高度为1.5^2m时，停止充填； d.待下层墙体(4)凝固后，充填中层墙体(3)，将混合好的含有f1.5kg/m3聚丙烯纤维材料的混凝土泵送至下层墙体(4)上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料至中层墙体(3)高度为0.25、.5m时，停止充填； e.待中层墙体(3)凝固后， 充填上层墙体(2)，将混合好的混凝土充填料泵送至中层墙体(3)上方的留巷充填支架模板内，观察充填料的平流堆积状况，待充填料接顶达顶板(6)高度时，停止充填； f.待4 6h后，检测上、中、下三层墙体强度是否达到初凝强度1.5 3.0MPa，达到要求时，拆除模板，完成一个步距的沿空留巷充填墙体； g.随着采煤工作面(9)的推进，重复步骤b、C、d、e、f，完成沿空留巷充填墙体。
3.根据权利要求2所述的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的方法，其特征在于:所述的三维加强筋(5)用螺纹钢、或圆钢构成。
4.根据权利要求2或3所述的构筑多层异质沿空留巷充填墙体的方法，其特征在于:所述的三维加强筋(5)的间排距为0.flm。
全文摘要
一种构筑多层异质沿空留巷充填墙体的结构及方法，对沿空留巷充填墙体的构造形式和材料进行了优化，把墙体分为上中下层三层或多层，形成自上而下“硬－软－硬”结构，中层和上层的高度一般为采高的5%~25%，上层墙体是一般的充填材料，主要是使老顶保持完整的破断回转、下沉和把顶板的冲击载荷传递到中层墙体；中层充填材料可为聚脂类化学材料和聚丙烯纤维混凝土等具有韧性的材料，主要用于缓冲和吸收老顶破断回转引起的变形和冲击能量；下层为承载层，一般是钢筋砼等抗压强度比较大的材料，主要是为老顶来压提供一定的支撑力。并在分层连接处布设加强钢筋，控制使其避免层与层之间相对滑动破坏墙体的承载能力。
文档编号E21F15/04GK103089300SQ20131001539
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者郑西贵, 张农, 刘娜, 阚甲广, 张磊, 曹栩, 冯晓巍, 张天池, 花锦波 申请人:中国矿业大学