一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法

技术特征：
1.一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1：根据沿空留巷承载原理，为使深部开采沿空留巷在留巷段处的围岩矿山压力与充填体压力与所需的变形相适应，且满足防止瓦斯泄漏的需求，煤矿沿空留巷支护结构分为上下两部分：留巷下部分为主墙体，用矸石砖堆砌而成，用于支护顶板的压力，留巷上部分为副墙体，用于对顶板岩层的变形进行压力释放以及防止瓦斯泄漏；步骤s2：由于矸石砖墙仅承受来自直接顶的作用力，因此对老顶采取让压策略，计算其支护体的压力、巷旁支护变形量及预留变形量；步骤s3：计算充填体的关键参数，包括充填体的理论单项抗压强度、设计强度、可压缩量；步骤s4：设计、堆砌主墙体，主要包括如下步骤：步骤s41：确立矸石砖的关键参数，制作矸石砖标准试件；步骤s42：使用矸石砖垒砌墙体；步骤s5：副墙体参数设计与材料选择；副墙体的高度δh计算：根据直接顶、老顶及副墙体的位置关系，由三角形相似得到：式中，s
a
—未垮落岩层在触矸处的沉降量，s
a
的范围为0.1h～0.5h，h—采高；c—运动步距；l
b
——控顶距；副墙体的充填材料为黄泥或散矸石或化学发泡材料；步骤s6：针对充填过程“主墙体 副墙体”的施工过程，开展分阶段、分区域的充填操作步骤；步骤s7：现场测试方案设计及效果评价。2.根据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s2中，支护体所承受的压力的计算方法为：式中，q—悬臂梁重量，l—巷道宽度，b—墙体宽度，r—墙体支撑力；由式(1)可得支撑力为：其中，悬臂梁重量的计算公式由式(3)可得：q＝(l b)
×
m
×
r(3)，式中，m—直接顶厚度，r—直接顶容量；将式(3)代入式(2)可得支护体压力为：3.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s2中，巷旁支护变形量及预留变形量的计算方法为：巷旁支护变形量计算公式为：式中，c—悬臂梁宽度，d—悬臂梁整体下沉量，即巷旁支护变形量；预留变形量为巷旁支护变形量的2倍。4.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s3
中，充填体的理论单项抗压强度[d]由支护体压力公式(4)与墙体宽度b进一步求得：[d]＝r/b(6)，将式(4)代入至式(6)可得充填体的理论单项抗压强度计算公式为：。5.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s3中，充填体的可压缩量s
c
根据式(8)求得：式中，l0—煤壁内断裂线到充填体宽度中心轴线的距离，此距离通过测量求得；δs—老顶触矸处的最大沉降量，δs计算公式为：δs＝h
1-h2(k-1)(9)，式中，h1—煤层厚度；h2—直接顶高度；k—采空区冒落矸石的碎胀系数，k的范围为1.25～1.35；l—老顶侧向断裂跨度，l计算公式为：式中，s—工作面倾向宽度；d—周期来压步距。6.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s5中，副墙体的充填材料为minova国际材料公司的瑞米密闭3号。7.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s6中，根据分段分级承载原理，可压缩矸石砖墙沿空留巷施工工艺如下：(1)根据现场实测数据寻求矿压规律和实际地质情况，确立目标区域的充填阶段和时机，根据“分段分级”承载理论，确立主墙体施工区、副墙体施工区和承压区；(2)按照上述分段分级结果，按工作面推进时机，确立相应的沿空巷道充填范围和工艺，如第一阶段在主墙体施工区进行主墙体的垒砌，在第二阶段进行副墙体的施工，第三区域是前一阶段副墙体起作用时的状态，沿此过程不断循环前进，重新确立新的主墙体施工区，原来的主墙体区域在下一阶段变为副墙体施工区，原来的副墙体施工区在下一阶段变为承压区；(3)具体的施工过程为：可压缩矸石砖墙墙基的清理，可压缩矸石砖墙主墙体的垒设，钢筋的入位；工作面内充填矸石时，使用抛矸机充填工作面采空区；灌装发泡化学材料包括：高强纤维布袋的铺设，灌装发泡化学材料，副墙体的成型；临时支护的回撤包括：待发泡材料凝固后回撤工作面后侧单体临时支护，发泡管道等回撤及清理；下一阶段主副墙体的施工。(4)在整个施工过程中，还需要进行相应的支护作业，留巷前的多种支护包括：超前锚索梁支护，超前支护，工作面后侧单体临时支护。8.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s6中，可压缩矸石砖墙具体施工方法主要包括以下步骤：(1)在留巷墙体施工时，根据工作面前后留巷段的巷道围岩的运动和矿压规律，将工作面前后巷道围岩的结构分为三个主要动压阶段，分别是工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段、工作面后方顶板断裂阶段以及巷旁支护后的蠕变与稳定阶段；
(2)分析(1)中各阶段支护需求，采用不同的辅助支护方式；
①
针对工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段，采用超前加强支护，即在工作面前方20m范围内，靠工作面一侧顶板上，打走向锚索梁；
②
针对工作面后方顶板断裂阶段，采用留巷施工段的临时支护，即在工作面后方50m范围内，靠采空区侧支一排单体液压支柱，一梁两柱，柱间距1m；在工作面后方矸石墙的里侧，支3-5根单体支柱，这些支柱随工作面推进依次回撤和支设；
③
针对巷旁支护后的蠕变与稳定阶段，采用动压作用后的补强支护；经过矿压观测，确定岩层运动稳定后，可以回撤单体液压支柱。9.据权利要求1所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s7中，在沿空留巷段设3个测站，每个测站内安装压力测点和位移测点，相邻测站距离30m，第一测站安设在工作面超前支承压力作用范围之外，然后为第二测站和第三测站，当压力和变形测点安设完毕，开始对压力和位移测点进行记录。10.据权利要求9所述的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，其特征在于：步骤s7中，监测如下内容：(1)压力观测：在构筑墙体时，将液压枕安装在主墙体中，液压表在墙体外，在充填体的两个界面处各放一个，深度0.75m，锚杆接触压力观测的目的是掌握不同阶段锚杆受力随围岩变形的增长情况，为评价支护参数是否合理、调整支护设计提供依据；(2)巷道变形规律观测：为了得到沿空留巷的矿压规律，为下一步改进参数和评价留巷效果提供科学依据，每隔50m设一个观测断面，观测顶底板移近和两帮移近规律；(3)锚杆锚索受力：每隔30m设一个观测断面，安装锚杆和锚索应力计，观测锚杆和锚索的应力变化规律，为优化锚杆锚索支护设计提供科学依据；(4)墙体受力与变形：重点监测墙体变形量和内部应力变化规律，变形量用钢卷尺量测，墙体内部应力采用深度0.75m的液压枕量测；(5)墙体密封性能监测：对巷道内的瓦斯和co的浓度进行监测，用于评价墙体的密封性。

技术总结
本发明涉及一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，该方法从沿空留巷技术入手，提出了沿空留巷分段分级承载原理，并根据分段分级承载原理，通过计算求解矸石墙的单项抗压强度、可压缩量以及支护体所承载的压力等关键参数，构建了基于沿空留巷技术的可压缩矸石砖墙支护结构，提出了一种新型的煤矿可压缩矸石砖墙支护方法及其制备体系。应用本发明，可以解决以下几个方面的问题：一方面解决了支护设计思路不合理，导致的留巷围岩变形等问题；另一方面通过构建可压缩矸石砖墙，实现充填体与围岩协调一致，使得墙体稳定、可压缩量更大，同时满足通风、瓦斯防治等需求。瓦斯防治等需求。瓦斯防治等需求。


技术研发人员：朱权洁 隋龙琨 杨磊 朱斯陶 陈学习 欧阳振华 杨涛 王大仓 郑贵强 滑帅
受保护的技术使用者：华北科技学院
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2022/11/25