一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构的制作方法

本发明涉及一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构。

背景技术：

随着煤炭资源的不断开采，浅部煤层储量越来越少，很多煤矿都进入了深部开采。深部煤层上部煤层开采后，受到上部煤层的采动影响，改变了下采区原岩应力状态，导致应力重新分布。下采区煤巷掘进过程中，围岩易发生显著变形位移和压力增大，需要经过应力重新分布达到新的平衡，巷道围岩才能重新稳定下来。如果巷道的支护不能适应采动影响带来的应力变化，或者没有及时采取相应的加固补救措施，则巷道容易发生不同程度的破坏，或围岩大变形，或围岩松动失稳，影响巷道的正常安全使用。

尤其当遇到上覆煤层与下覆煤层之间为夹矸层，且夹矸层属于0-2米厚的薄夹矸层时，此时的开釆特点主要表现为围岩是夹杂有碎石的软岩；破碎顶板开采中会遇到工作面冒顶严重，冒顶后容易与上层采空区导通，使得工作面通风困难，不利于安全生产；巷道维护工程量大，成本高；工作面生产成本高，影响生产工期，经济效益低等问题。

而且上覆煤层采空后，再开采顶板破碎的下部煤层，破碎顶板易超前漏冒，煤壁易片帮，采场围岩控制特别困难，制约工作面推进度甚至使工作面不能正常推进而被迫停产，难以实现安全高效开釆。

对于上覆开采完成，薄夹矸下覆煤层工作面的顶板有效管理方法研究很少。由于煤层的顶板为垮落的破碎矸石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体极差，因此改善巷道顶板的受力状态，减小顶板冒落是保证薄夹矸下覆煤层巷道安全的关键。传统的梯形棚架支护方案只是采用静压巷道中的简单的联合支护方法，只考虑原岩应力场的作用，并未充分估计巷道受各种采动影响的几种压力的程度及其相应的变形、位移、应力等因素，很容易发生顶板的垮塌和冒落。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构，包括类梯形棚架和设于所述类梯形棚架外侧的防护网，所述类梯形棚架包括沿纵向每隔设定间距布设在巷道两侧对置的侧壁支撑件，两个所述侧壁支撑件的顶端通过顶梁连接；所述顶梁具有向上拱起的弧度，其曲率为0.1-0.3。

巷道开挖后，由于开挖卸荷的作用，导致巷道的顶板、两帮和底板均会出现明显的应力释放区。针对薄夹矸煤巷上覆煤层与下覆煤层之间的厚度很薄以及其中夹杂着碎石的特殊情况，采用具有向上拱起且弧度很小的类梯形的棚架结构，可以显著减小应力释放区和塑性破坏区，更好的控制顶板的帽落和垮塌，显著改善巷道顶梁的受力状态，有利于巷道顶板的稳定，提高薄夹矸巷道的支护效果。此外，当类梯形棚架顶部拱起的弧度曲率过大时，支护的弯矩和轴力会迅速增大；而曲率过小时，支护结构的下沉值得不到有效抑制。当采用上述曲率时，可以达到受力和位移的最佳平衡状态。

当薄夹矸的厚度为0-1米时，所述顶梁弧度的曲率为0.3；当薄夹矸的厚度为1-2米时，所述顶梁弧度的曲率为0.2；当薄夹矸的厚度为2-3米时，所述顶梁弧度的曲率为0.1。在满足上述条件下，采用相应弧度曲率的顶梁可以取得更好的支护效果。

所述侧壁支撑件和所述顶梁采用型钢制成。

所述侧壁支撑件与水平面的夹角为80゜-87゜。

所述顶梁的长度为4m，所述侧壁支撑件的高度为3.5m。即使在薄夹矸的条件下，采用类梯形棚架仍然可以保证常规尺寸下巷道的正常支护，无需缩小巷道的尺寸。

位于同一侧的所述侧壁支撑件通过侧壁连杆连接，所述侧壁支撑件上设有用以所述侧壁连杆通过的侧壁过孔。侧壁支撑件之间通过侧壁连杆连接，增强结构的整体性和稳定性。

所述侧壁连杆采用木材，其宽度为0.15m，高度为0.05m。

所述侧壁过孔位于所述侧壁连杆的上部，距离所述顶梁的距离为0.5m。在侧壁支撑件的上部连接侧壁连杆，结构受力更科学，支护效果更好。

相邻的所述侧壁支撑件之间和/或相邻的所述顶梁之间设有连接钢筋，所述连接钢筋通过设于所述侧壁支撑件和/或所述顶梁内侧的连接件进行连接。设置连接钢筋进一步增加结构的整体稳定性。

所述顶梁通过顶梁连杆连接，所述顶梁上设有所述顶梁连杆通过的顶梁过孔；所述顶梁过孔位于所述顶梁的中间位置。

所述防护网采用金属网，所述防护网与所述顶梁和所述侧壁支撑件之间设有沿隧道纵向设置的垫板。可以使金属网更稳定的固定在棚架上。

本发明的有益效果是：

当开采薄夹矸的下覆煤巷时，采用类梯形棚架支护可以有效的改善巷道顶板的受力状态，减小巷道顶板下沉，为薄夹矸中下覆巷道支护提供了新思路。

附图说明

图1是本发明的断面图；

图2a是梯形支护有限元计算模型；

图2b是类梯形支护有限元计算模型；

图3a是梯形支护模型拉应力分布图；

图3b是类梯形支护模型拉应力分布图；

图4a是梯形支护模型压应力分布图；

图4b是类梯形支护模型压应力分布图；

图5a是梯形支护模型总位移场分布图；

图5b是类梯形支护模型总位移场分布图；

图6a是梯形支护模型围岩塑性破坏区分布图；

图6b是类梯形支护模型围岩塑性破坏区分布图。

图中：1.侧壁支撑件，2.顶梁，3.金属网，4.侧壁过孔，5.顶梁过孔，6.垫板；a.上覆煤层；b薄夹矸层；c下覆煤层；d1是梯形支护，d2是类梯形支护。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构，包括类梯形棚架和设于类梯形棚架外侧的防护网，类梯形棚架包括沿纵向每隔设定间距布设在巷道两侧对置的侧壁支撑件1，两个侧壁支撑件1的顶端通过顶梁2连接，顶梁2具有向上拱起的弧度。当薄夹矸的厚度为2米时，顶梁2弧度的曲率为0.2。

侧壁支撑件1与水平面的夹角为80゜，顶梁2的长度为4m，侧壁支撑件1的长度为3.5m。即使在薄夹矸的条件下，采用类梯形棚架仍然可以保证常规尺寸下巷道的正常支护，无需缩小巷道的尺寸。

位于同一侧的侧壁支撑件1通过侧壁连杆连接，侧壁支撑件1上设有用以侧壁连杆通过的侧壁过孔4。侧壁支撑件1之间通过侧壁连杆连接，增强结构的整体性和稳定性。

侧壁连杆采用木材，其宽度为0.15m，高度为0.05m。

侧壁过孔4位于侧壁连杆的上部，距离顶梁2的距离为0.5m。在侧壁支撑件1的上部连接侧壁连杆，结构受力更科学，支护效果更好。

相邻的侧壁支撑件1之间和/或相邻的顶梁2之间设有连接钢筋，连接钢筋通过设于侧壁支撑件1和/或顶梁2内侧的连接件进行连接。设置连接钢筋进一步增加结构的整体稳定性。

顶梁2通过顶梁连杆连接，顶梁2上设有顶梁连杆通过的顶梁过孔5；顶梁过孔5位于顶梁2的中间位置。

防护网采用金属网3，防护网与顶梁2和侧壁支撑件1之间设有沿隧道纵向设置的垫板6，可以使金属网3更稳定的固定在棚架上。

分别建立具有相同支护条件的薄夹矸巷道梯形支护和类梯形支护的有限元模型(如图2a和图2b)，即除了棚架支护的截面形状不同外，其他的支护条件均相同。其中上覆煤层a、薄夹矸层b、下覆煤层c、梯形支护d1和类梯形支护d2如图2a和图2b所示。

巷道掘进后，梯形支护和类梯形支护围岩应力场分布如图3a-图4b所示，图中巷道附近的深色(红色)区域为巷道开挖导致的应力释放区，巷道远处的深色(蓝色)区域为巷道开挖导致的应力集中区。可以看出巷道开挖后，巷道的顶板、两帮和底板均出现了明显的应力释放区，这主要是巷道的开挖卸荷所致。梯形支护和类梯形支护下巷道应力释放区的对比可以看出，当采用类梯形支护时，围岩顶板的应力释放区减小了30％以上，表明类梯形支护可以很好的改善巷道顶板的受力状态，有利于巷道顶板稳定。

巷道掘进后，梯形支护和类梯形支护围岩位移场分布如图5a和图5b所示。从图中可以看出，巷道开挖后，围岩出现了明显的收敛位移，其中两帮以水平变形为主，顶板的下沉和底鼓明显。从梯形支护和类梯形支护下巷道位移场的对比可以看出，当采用类梯形支护时，围岩顶板下沉减小了36％，表明类梯形支护在巷道顶板破碎的情况下，可以较好的控制顶板的冒落和垮塌。

巷道掘进后，梯形支护和类梯形支护围岩塑性破坏区分布如图6a和图6b所示。可以看出巷道开挖后，随着围岩卸荷效应和变形的增大，巷道周边出现了明显的塑性破坏区。当采用类梯形支护时，由于巷道顶板的受力状态有所改善，围岩的变形明显减小，巷道顶板的塑性破坏区也有所减小，表明类梯形支护有利于提高薄夹矸巷道的支护效果。

实施例2：

一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构，与实施例1的区别为：薄夹矸层的厚度为1米，顶梁具有向上拱起的弧度，其曲率是0.3。梯形支护和类梯形支护的数值模拟计算结果的对比具有与实施例1相同的趋势。

实施例3：

一种用于薄夹矸下覆煤巷的棚架结构，与实施例1的区别为：薄夹矸层的厚度为3米，顶梁具有向上拱起的弧度，其曲率是0.1。梯形支护和类梯形支护的数值模拟计算结果的对比具有与实施例1相同的趋势。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。