一种沿空留巷巷旁支护系统及其构筑方法与流程

本发明涉及一种沿空留巷巷旁支护系统及其构筑方法，具体涉及一种可回收钢管混凝土墩柱的沿空留巷巷旁支护系统及其构筑方法，属于深井中厚煤层的沿空留巷领域。

背景技术：

沿空留巷是在工作面后方沿采空区边界维护住已经使用过的回采巷道，并为下一区段煤层开采服务，该技术能够实现Y型通风方式、提高煤炭资源采出率、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、防止孤岛工作面产生、缩短搬家时间，对提高矿井经济效益和矿井安全生产极为有利。

目前常用的沿空留巷技术包括砌筑体护巷(矸石墙与混凝土砌块墙等)、充填体护巷(高水速凝材料、膏体材料、快硬混凝土和柔模泵送充填)、钢管混凝土墩柱加矸石墙护巷和切顶成巷等技术。砌筑体护巷技术成本低，但承载力不足、劳动强度大或封闭效果差；充填体护巷具有凝固速度快、早期强度好、密闭采空区效果好、机械化程度高、劳动强度低等特点，但存在支撑力不足、充填成本高等问题；钢管混凝土墩柱+矸石墙护巷技术支撑力高、留巷效果好，但存在墩柱抗弯效果差、砌筑矸石墙劳动强度高或钢管不可回收导致的成本高等问题；切顶成巷技术成本低、支护效果好，但对顶板地质条件要求高，否则整体切顶效果或垮落成巷效果差。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出了一种沿空留巷巷旁支护系统及其构筑方法，具体涉及一种基于密排抗弯型钢管混凝土墩柱护巷的沿空留巷支护系统，本发明采用钢管混凝土墩柱和轻集料柔性混凝土喷层构筑巷旁支护体，巷旁支护体能够快速切顶并保证其稳定性，具有支护强度高、抗弯性能好、墩柱钢管可回收重复利用的特点。本发明适用于深井中厚煤层，有效解决了深井中厚煤层沿空留巷技术难题，即巷旁支护体垂向和水平向承载力不足和支护成本高的问题。本发明的技术方案如下：

一种沿空留巷巷旁支护系统，包括钢管混凝土墩柱支撑装置、轻集料柔性混凝土喷层、风筒布和菱形钢筋网，沿采空区一侧设置菱形钢筋网，菱形钢筋网内侧铺设风筒布，对风筒布和菱形钢筋网采用轻集料混凝土进行喷浆处理，在采空区侧形成不透风的轻集料混凝土喷层，轻集料混凝土喷层的厚度为200mm-500mm，轻集料混凝土喷层的另一侧紧靠钢管混凝土墩柱支撑装置；

所述钢管混凝土墩柱支撑装置包括钢管混凝土墩柱、墩柱鞋板、墩柱顶帽和抗弯圆钢，抗弯圆钢点焊在钢管混凝土墩柱的一侧，顶端设有200-300mm高度的墩柱顶帽，底端与墩柱鞋板相连，钢管混凝土墩柱包括墩柱钢管，墩柱钢管内灌注混凝土，墩柱钢管的上部、下部设有两个连接拉杆，下部设有注浆口，所述墩柱顶帽包括两种形式：钢管式墩柱顶帽和碗扣式墩柱顶帽；

钢管式墩柱顶帽为比墩柱钢管直径大一型号的钢管，套住钢管墩柱顶端，顶帽用封堵钢板封堵，钢管式墩柱顶帽内部设有柔性垫层，所述柔性垫层的厚度为150-250mm；所述柔性垫层为木块垫层或橡胶垫层，以实现对钢管混凝土墩柱的缓压效果；

碗扣式墩柱顶帽，由两个平底碗口形钢板采用螺栓连接而成，平底碗口形钢板的平底形状为圆台形，所述圆台形平底套在钢管墩柱顶端，所述碗扣式墩柱顶帽的顶部与预留巷道顶板接触，所述碗扣式钢板为中空结构，具有一定的压缩变形能力，因此实现钢管混凝土墩柱的可缩性；优选的，每个平底碗口形钢板的的碗口设有四个耳部，通过耳部利用螺栓将两个平底碗口形钢板连接。

墩柱鞋板上包括鞋板钢板，鞋板钢板上焊接弧板，4个弧板构成与钢管混凝土墩柱底部相配合的底座，每个鞋板钢板上设有3个底座，鞋板钢板的厚度为8-20mm，钢管混凝土墩柱与弧板通过螺栓连接，钢管混凝土墩柱之间通过连接拉杆连接；所述连接拉杆为拉杆钢管，管内灌注混凝土而成。

所述钢管混凝土墩柱的行间距为0.6-1m。

所述钢管混凝土墩柱与墩柱顶帽螺纹连接。

所述轻集料混凝土的构成为(kg/m³)：水泥450、陶粒650、砂650、矿粉50、水125、减水剂3；轻集料混凝土的强度等级为CL50，表观密度为800-1000kg/m³。

沿空留巷巷旁支护系统的构筑方法：

(1)首先在地面加工制作空钢管墩柱柱身、墩柱顶帽和墩柱鞋板，钢管混凝土墩柱顶部外侧加工成螺纹口，下部设有注浆口，钢管混凝土墩柱的一侧点焊抗弯圆钢；

(2)在预留巷道的采空区侧的边缘处悬挂菱形钢筋网与风筒布，并采用轻集料混凝土进行喷浆处理，在所述采空区侧形成不透风的轻集料混凝土喷层，将所述采空区密封，所述轻集料混凝土喷层厚度为200mm-500mm；

(3)在预留巷道的采空区侧紧靠轻集料混凝土喷层架设空钢管墩柱，钢管墩柱设置在墩柱鞋板上，钢管墩柱支设一排或两排，相邻两排钢管墩柱的排距为0.6-1m，每排钢管墩柱的相邻墩柱间距为0.6-1m，相邻墩柱间通过连接拉杆连接，以增加钢管混凝土墩柱支护体统的稳定性。钢管墩柱(即钢管混凝土墩柱)与预留巷道的顶板之间设置200-300mm高度的墩柱顶帽，墩柱顶帽分为两种：钢管式墩柱顶帽和碗扣式墩柱顶帽；

钢管式墩柱顶帽为比墩柱钢管直径大一型号的钢管，套住钢管墩柱顶端，顶帽用钢板封堵，钢管式墩柱顶帽内部设有柔性垫层，所述柔性垫层的厚度为150-250mm；所述柔性垫层为木块垫层或橡胶垫层，以实现对钢管混凝土墩柱的缓压效果；

碗扣式墩柱顶帽，由两个平底碗口形钢板采用螺栓连接而成，平底碗口形钢板的平底形状为圆台形，所述圆台形平底套在钢管墩柱顶端，所述碗扣式钢板的顶部与预留巷道顶板接触，所述碗扣式墩柱顶帽为中空结构，具有一定的压缩变形能力，因此实现钢管混凝土墩柱的可缩性；优选的，每个平底碗口形钢板的的碗口设有四个耳部，通过耳部利用螺栓将两个平底碗口形钢板连接。

墩柱鞋板包括鞋板钢板，鞋板钢板上焊接弧板，4个弧板构成与钢管混凝土墩柱底部相配合的底座，每个鞋板钢板上设有3个底座，鞋板钢板的厚度为8-20mm，钢管混凝土墩柱与弧板通过螺栓连接，钢管混凝土墩柱之间通过连接拉杆连接；所述连接拉杆为拉杆钢管，管内灌注混凝土而成。

(4)待安装空钢管墩柱一定数量后，采用顶升法，通过注浆口向空钢管墩柱内部灌注快硬混凝土，每注50cm的混凝土后用振捣棒在钢管外部进行侧振，以保证混凝土的密实度，至混凝土与柱顶在同一水平面；快硬混凝土1d可承载，3d可达到普通混凝土14d强度，7d可达到普通混凝土28d强度。

本发明中墩柱钢管的钢管材质可选用Q235、Q345、Q390、Q420钢材，钢管外径为168-325mm，钢管壁厚为6-16mm。

钢管混凝土墩柱可回收，其回收方法有两种：一是采用钻机，钻碎核心混凝土，敲击钢管外侧振掉管壁混凝土并倾倒，实现钢管回收；二是采用专用于钢管混凝土墩柱的推力机，将核心混凝土推出，留下空钢管，实现回收。基于上述沿空留巷的方法，本发明还包括一种专用于钢管混凝土墩柱的推力装置。目前，内蒙古长城矿已实现沿空留巷钢管混凝土墩柱的回收利用，该矿在钢管混凝土墩柱回撤现场使用小型液压钻机，核心混凝土去除时间为每根30分钟，而本发明可使钢管墩柱的核心混凝土去除时间降低至每根10-15分钟，大大提高了核心混凝土的去除效率。

一种专用于钢管混凝土墩柱的推力装置，包括钢管混凝土墩柱固定装置和推力机装置；

所述钢管混凝土墩柱固定装置包括钢管墩柱固定架和圆形卡环，所述钢管墩柱固定架是由工字钢梁和槽钢梁焊接而成，所述工字钢梁上设有高强螺栓孔，用于连接推力机装置，所述圆形卡环用于固定钢管混凝土墩柱，适当调节圆形卡环的轴销，即可适应不同型号的钢管混凝土墩柱，所述圆形卡环焊接在槽钢梁上，并在圆形卡环侧部焊有钢板作为护翼钢板，用于增强圆形卡环的承载力；

推力机装置包括推力机、移动平台、移动平台固定架、冲击器、冲击器固定架、轴销、轴销槽、推力机装置固定架。所述推力机用螺栓固定在移动平台上，所述冲击器固定架焊接在移动平台上，所述冲击器固定在冲击器固定架上，所述冲击器采用钻机型冲击器，所述移动平台用轴销固定在移动平台固定架上，所述移动平台固定架焊接在推力机装置固定架上，所述推力机装置固定架由工字钢梁和槽钢梁焊接而成，所述工字钢梁上设有高强螺栓孔，用于连接钢管混凝土墩柱固定装置；

所述钢管混凝土墩柱固定装置与推力机装置之间使用高强螺栓通过所述工字钢梁上的高强螺栓孔连接。通过调节所述高强螺栓的位置实现推力机装置的左右方位的移动，通过调节所述轴销在轴销槽内的位置实现推力机装置的上下方位的移动，从而更好的去除钢管墩柱内的核心混凝土。

使用本发明推力装置去除钢管墩柱核心混凝土的具体实施步骤如下：

第一、首先将钢管混凝土墩柱固定装置和推力机装置通过工字钢梁上高强螺栓连接，使两者组装成一个整体。

第二、然后将拆卸下来的钢管混凝土墩柱放到钢管墩柱固定支架上，拧紧轴用圆形卡环将其固定。

第三、调节连接的高强螺栓和推力机装置上的轴销，使推力机冲击器方位对准钢管混凝土墩柱的中心位置。

第四、启动推力机，将钢管墩柱内的核心混凝土推出，在此期间可随时暂停设备，并根据需要调节推力机方位，直至核心混凝土去除干净，从而完成钢管墩柱的回收。

本发明中专用于钢管混凝土墩柱的推力装置，基本可实现15分钟之内即全部去除核心混凝土，大大提高了钢管墩柱核心混凝土的去除，实现空钢管墩柱的回收利用。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)钢管混凝土墩柱是在空钢管中充填混凝土制成的，通过钢管管壳的约束作用使内部混凝土处于三向受压状态，提高核心混凝土的抗压强度，同时内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力，增强了钢管壁的几何稳定性；

(2)钢管混凝土构件具有圆柱状外形，抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形，从而提高了钢管混凝土墩柱的承载能力；

(3)钢管混凝土墩柱不直接接顶，钢管顶帽具有一定的压缩变形能力，能够对顶板进行一定的让压，释放岩层内的部分能量，当其压缩达到极限后，钢管混凝土墩柱发挥支护效能，实现对顶板的高强度支护，此种支护结构尤其适用于深部高应力状态下的中厚煤层沿空留巷；

(4)本发明中的主体构件钢管墩柱可回收复用，如可采用钻机和推力机将钢管混凝土墩柱内核心混凝土去除，实现空钢管墩柱的回收，降低留巷成本；

(5)本发明的沿空留巷方法对留巷前方工作面回采的影响较小，有效提高了煤炭开采效率，改善了巷道内的作业环境。

附图说明

图1是本发明沿空留巷巷旁支护系统断面图；

图2是本发明沿空留巷巷旁支护系统结构示意图；

图3是本发明中钢管混凝土墩柱支撑装置侧视图；

图4是本发明中钢管混凝土墩柱支护体平面布置图；

图5是本发明中钢管式墩柱顶帽结构图；

图6是本发明中碗扣式顶帽的正视图或侧视图；

图7是本发明中碗扣式顶帽的俯视图；

图8是本发明中墩柱鞋板结构图；

图9为钢管混凝土墩柱固定装置结构示意图；

图10为推力机装置结构示意图；

图11为专用于钢管混凝土墩柱的推力装置结构示意图。

符号说明：

1.钢管混凝土墩柱支撑装置、2.轻集料柔性混凝土喷层、3.风筒布、4.菱形钢筋网、5.钢管混凝土墩柱、6.墩柱鞋板、7.墩柱顶帽、8.抗弯圆钢、9.墩柱钢管、10.连接拉杆、11.注浆口、12.钢管式墩柱顶帽、13.碗扣式墩柱顶帽、14.柔性垫层、15.平底碗口形钢板、16.耳部、17.鞋板钢板、18.弧板、19.螺纹、20.封堵钢板、21.钢管混凝土墩柱固定装置、22.推力机装置、23.钢管墩柱固定架、24.圆形卡环、25.工字钢梁、26.槽钢梁、27.高强螺栓孔、28.轴销、29.护翼钢板、30.推力机、31.移动平台、32.移动平台固定架、33.冲击器、34.冲击器固定架、35.轴销槽、36.推力机装置固定架。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1一种沿空留巷巷旁支护系统

如图1-图8所示，沿空留巷支护系统包括钢管混凝土墩柱支撑装置1、轻集料柔性混凝土喷层2、风筒布3和菱形钢筋网4，沿采空区一侧设置菱形钢筋网4，菱形钢筋网4内侧铺设风筒布3，对风筒布3和菱形钢筋网4采用轻集料混凝土进行喷浆处理，在采空区侧形成不透风的轻集料混凝土喷层2，轻集料混凝土喷层2的厚度为200mm-500mm，轻集料混凝土喷层2的另一侧紧靠钢管混凝土墩柱支撑装置1；

所述钢管混凝土墩柱支撑装置1包括钢管混凝土墩柱5、墩柱鞋板6、墩柱顶帽7和抗弯圆钢8，抗弯圆钢8点焊在钢管混凝土墩柱5的一侧，顶端设有200-300mm高度的墩柱顶帽7，底端与墩柱鞋板6相连，钢管混凝土墩柱5包括墩柱钢管9，墩柱钢管9内管内灌注混凝土，墩柱钢管9上部、下部设有两个连接拉杆10，下部设有注浆口11，所述墩柱顶帽7包括两种形式：钢管式墩柱顶帽12和碗扣式墩柱顶帽13；

钢管式墩柱顶帽12为比墩柱钢管9直径大一型号的钢管，套住钢管混凝土墩柱5顶端，顶帽用封堵钢板20封堵，钢管式墩柱顶帽12内部设有柔性垫层14，所述柔性垫层14的厚度为150-250mm；所述柔性垫层14为木块垫层或橡胶垫层，以实现对钢管混凝土墩柱的缓压效果；

碗扣式墩柱顶帽13由两个平底碗口形钢板15采用螺栓连接而成，平底碗口形钢板15的平底形状为圆台形，所述圆台形平底套在钢管混凝土墩柱5顶端，所述碗扣式墩柱顶帽13的顶部与预留巷道顶板接触，所述碗扣式墩柱顶帽13为中空结构，具有一定的压缩变形能力，因此实现钢管混凝土墩柱的可缩性；优选的，每个平底碗口形钢板15的的碗口设有四个耳部16，通过耳部16利用螺栓将两个平底碗口形钢板15连接。

墩柱鞋板6包括鞋板钢板17，鞋板钢板17上焊接弧板18，4个弧板18构成与钢管混凝土墩柱底部相配合的底座，每个鞋板钢板17上设有3个底座，鞋板钢板17的厚度为8-20mm，钢管混凝土墩柱5与弧板18通过螺栓连接，钢管混凝土墩柱5之间通过连接拉杆10连接；所述连接拉杆10为拉杆钢管，管内灌注混凝土而成。

所述钢管混凝土墩柱5的行间距为0.6-1m。

所述钢管混凝土墩柱5与墩柱顶帽7螺纹19连接。

实施例2轻集料混凝土的构成

轻集料混凝土的构成为(kg/m³)：水泥450、陶粒650、砂650、矿粉50、水125、减水剂3；轻集料混凝土的强度等级为CL50，表观密度为800-1000kg/m³。

实施例3沿空留巷巷旁支护系统的构筑方法

具体步骤如下：

(1)首先在地面加工制作空钢管墩柱柱身、墩柱顶帽和墩柱鞋板，钢管混凝土墩柱顶部外侧加工成螺纹口，下部设有注浆口，钢管混凝土墩柱的一侧点焊抗弯圆钢；

(2)在预留巷道的采空区侧的边缘处悬挂菱形钢筋网与风筒布，并采用轻集料混凝土进行喷浆处理，在所述采空区侧形成不透风的轻集料混凝土喷层，将所述采空区密封，所述轻集料混凝土喷层厚度为200mm-500mm；

(3)在预留巷道的采空区侧紧靠轻集料混凝土喷层架设空钢管墩柱，钢管墩柱设置在墩柱鞋板上，钢管墩柱支设一排或两排，相邻两排钢管墩柱的排距为0.6-1m，每排钢管墩柱的相邻墩柱间距为0.6-1m，相邻墩柱间通过连接拉杆连接，以增加钢管混凝土墩柱支护体统的稳定性。钢管墩柱(即钢管混凝土墩柱)与预留巷道的顶板之间设置200-300mm高度的墩柱顶帽，墩柱顶帽分为两种：钢管式墩柱顶帽和碗扣式墩柱顶帽；

钢管式墩柱顶帽为比墩柱钢管直径大一型号的钢管，套住钢管墩柱顶端，顶帽用钢板封堵，钢管式墩柱顶帽内部设有柔性垫层，所述柔性垫层的厚度为150-250mm；所述柔性垫层为木块垫层或橡胶垫层，以实现对钢管混凝土墩柱的缓压效果；

碗扣式墩柱顶帽，由两个平底碗口形钢板采用螺栓连接而成，平底碗口形钢板的平底形状为圆台形，所述圆台形平底套在钢管墩柱顶端，所述碗扣式钢板的顶部与预留巷道顶板接触，所述碗扣式钢板为中空结构，具有一定的压缩变形能力，因此实现钢管混凝土墩柱的可缩性；优选的，每个平底碗口形钢板的的碗口设有四个耳部，通过耳部利用螺栓将两个平底碗口形钢板连接。

墩柱鞋板上包括鞋板钢板，鞋板钢板上焊接弧板，4个弧板构成与钢管混凝土墩柱底部相配合的底座，每个鞋板钢板上设有3个底座，鞋板钢板的厚度为8-20mm，钢管混凝土墩柱与弧板通过螺栓连接，钢管混凝土墩柱之间通过连接拉杆连接；所述连接拉杆为拉杆钢管，管内灌注混凝土而成。

(4)待安装空钢管墩柱一定数量后，采用顶升法，通过注浆口向空钢管墩柱内部灌注快硬混凝土，至混凝土与柱顶在同一水平面；快硬混凝土1d可承载，3d可达到普通混凝土14d强度，7d可达到普通混凝土28d强度。

实施例4一种专用于钢管混凝土墩柱的推力装置

如图9-11所示，推理装置包括由钢管混凝土墩柱固定装置21和推力机装置22；

所述钢管混凝土墩柱固定装置21包括钢管墩柱固定架23和圆形卡环24，所述钢管墩柱固定架23是由工字钢梁25和槽钢梁26焊接而成，所述工字钢梁25上设有高强螺栓孔27，用于连接推力机装置22，所述圆形卡环24用于固定钢管混凝土墩柱5，适当调节圆形卡环24的轴销28，即可适应不同型号的钢管混凝土墩柱5，所述圆形卡环24焊接在槽钢梁26上，并在圆形卡环24侧部焊有钢板作为护翼钢板29，用于增强圆形卡环24的承载力；

推力机装置22包括推力机30、移动平台31、移动平台固定架32、冲击器33、冲击器固定架34、轴销28、轴销槽35、推力机装置固定架36；所述推力机30用螺栓固定在移动平台上，所述冲击器固定架焊接在移动平台上，所述冲击器33固定在冲击器固定架34上，所述冲击器33采用钻机型冲击器，所述移动平台31用轴销28固定在移动平台固定架上32，所述移动平台固定架32焊接在推力机装置固定架36上，所述推力机装置固定架36由工字钢梁25和槽钢梁26焊接而成，所述工字钢梁25上设有高强螺栓孔27，用于连接钢管混凝土墩柱固定装置21；

所述钢管混凝土墩柱固定装置21与推力机装置22之间使用高强螺栓通过所述工字钢梁25上的高强螺栓孔27连接。