一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法

摘要

本发明公开了一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，包括步骤：一、围岩基本力学参数确定；二、巷道两帮预留开挖量确定；三、巷道开挖；四、巷道帮部支护结构确定：巷道支护结构包括呈交错布设的巷道支护单元和注浆锚杆，巷道帮部支护单元包括顶板支护体系、底板支护体系和巷道帮部支护体系；四、极限冒落拱矢高确定；五、巷道支护结构确定；六、巷道围岩支护施工；七、下一节段开挖及巷道围岩支护施工；八、多次重复步骤七，完成近距离煤层巷道的施工过程。本发明方法简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据近距离下部煤层巷道的围岩变形情况对巷道两帮预留开挖量分别进行确定，并采用注浆锚杆与巷道支护单元配合对巷道进行全断面支护。

主权项

一种近距离煤层巷道的开挖及支护方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向由后向前分多个节段对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷道围岩支护施工；所述近距离煤层巷道(1)的横断面为矩形且其为在下部煤层(2)内开采的巷道，所述近距离煤层巷道(1)位于上煤层巷道(3)的一侧下方，所述上煤层巷道(3)为在上部煤层(4)内开采的巷道，所述上部煤层(4)位于下部煤层(2)上方，且上部煤层(4)与下部煤层(2)之间通过夹层(5)进行分隔，所述夹层(5)的厚度为D，其中15m≤D＜30m；所述近距离煤层巷道(1)与上煤层巷道(3)呈平行布设；所述上煤层巷道(3)的一侧为采空区(6)且其另一侧为预留的保护煤柱(7)，所述近距离煤层巷道(1)位于采空区(6)下方；所述近距离煤层巷道(1)靠近上煤层巷道(3)的一侧巷道帮部为煤柱下压侧煤帮，近距离煤层巷道(1)的另一侧巷道帮部为上覆岩层下压侧煤帮；对近距离煤层巷道(1)进行开挖及巷帮围岩支护施工时，多个所述节段的开挖及巷道围岩支护施工方法均相同；对于近距离煤层巷道(1)的任一节段进行开挖及巷道围岩支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；并且，对当前所施工节段的巷道两帮岩体的侧压力系数λ'进行确定，λ'＞0；步骤二、巷道两帮预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量分别进行确定；对当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的上覆岩层下压侧煤帮的向内位移理论值S₁进行确定；其中公式(1)中，h为近距离煤层巷道(1)的净高，且a和h单位均为m；Δh为开挖完成后当前所施工节段的顶板最大下沉量；E为当前所施工节段两帮岩体的综合弹性模量且其单位为Pa；P₁为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的水平压力且P₁＝λ·k₁·γH  (2)，公式(2)中k₁为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的应力集中系数，γ为当前所施工节段上覆岩层的平均容重且其单位为N/m³，H为当前所施工节段的埋深且其单位为m，λ为当前所施工节段中弹性地基梁的弹性特征值，所述弹性地基梁为当前所施工节段的两帮岩体；l₁＝x₀+l_e  (3)，公式(3)中l_e为当前所施工节段两帮岩体弹性区的宽度且l_e＝h±Δh'，Δh'＝0m～0.3m；x₀为当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度且公式(4)中c为当前所施工节段巷道两帮岩体的粘聚力，为当前所施工节段巷道两帮岩体的内摩擦角；公式(5)中K_s为当前所施工节段的巷道两帮岩体与顶底板间交界面的切向刚度系数；对当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的预留开挖量进行确定时，根据开挖完成后当前施工节段的煤柱下压侧煤帮的向内位移理论值S₂进行确定；其中公式(6)中l₂为保护煤柱(7)的宽度，P₂＝λ·k₂·γH  (8)，公式(8)中k₂为当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮内侧且位于保护煤柱(7)正下方的岩体的应力集中系数；步骤三、巷道开挖：根据步骤二中所确定的当前施工节段的两侧巷道帮部的预留开挖量，由后向前对当前施工节段进行开挖；步骤四、极限冒落拱矢高确定：根据步骤一中所确定的侧压力系数λ'，并结合所确定的围岩基本力学参数，对开挖后巷道帮部发生楔形破坏时冒落形成的第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b₂'和在第一极限冒落拱(2‑2)的基础上继续冒落形成的第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b₃'进行确定；其中，当0＜λ'＜1或λ'＞1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b₂'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b₃'；当λ'＝1时，根据公式计算得出第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b₂'；并且，根据公式计算得出第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b₃'；式(8‑1)、式(8‑2)、式(8‑3)和式(8‑4)中，K'为安全系数且K'为不小于1的有理数，f为当前所施工节段顶板岩层的坚固性系数，式(8‑5)中b'为步骤三中近距离煤层巷道(1)的开挖宽度，且b₀和b'的单位均为m；步骤五、巷道支护结构确定：所采用的巷道支护结构包括多个巷道支护单元和多根注浆锚杆(8)，多个所述巷道支护单元沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，多根所述注浆锚杆(8)沿近距离煤层巷道(1)的巷道纵向延伸方向由后向前布设，且所述巷道支护单元与注浆锚杆(8)呈交错布设；多个所述巷道支护单元的结构均相同；所述巷道支护单元包括布设在近距离煤层巷道(1)顶板上的顶板支护体系、布设在近距离煤层巷道(1)底板上的底板支护体系和布设在近距离煤层巷道(1)左右两侧巷道帮上的巷道帮部支护体系，所述顶板支护体系、所述底板支护体系和所述巷道帮部支护体系均布设在近距离煤层巷道(1)的同一个巷道断面上；对所述巷道支护单元的支护结构进行确定时，需对所述顶板支护体系、所述底板支护体系和所述巷道帮部支护体系的支护结构分别进行确定；其中，所述巷道帮部支护体系所采用的支护结构根据当前所施工节段的巷帮极限平衡区宽度x₀进行确定；对所述底板支护体系所采用的支护结构进行确定时，先根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式(8‑6)，计算得出当前所施工节段的巷道底板岩体最大破坏深度h_max；并根据公式计算得出当前所施工节段底部左右两侧的巷道底板岩体最大破坏深度处距相邻巷道帮壁的水平距离l₀；式(8‑6)和(8‑7)中，为当前所施工节段巷道底板岩体的内摩擦角；之后，根据所确定的巷道底板最大破坏深度h_max和巷道底板最大破坏深度处至巷道帮壁的水平距离l₀，对所述底板支护体系所采用的支护结构进行确定；所述顶板支护体系所采用的支护结构为锚索与锚杆联合支护结构；所述锚索与锚杆联合支护结构包括对当前所施工节段的顶板进行浅层支护的巷道顶板浅层支护结构和对当前所施工节段的顶板进行深层支护的巷道顶板深层支护结构；所述巷道顶板浅层支护结构包括多个由左至右布设在当前所施工节段的顶板上的顶板锚杆(11)，所述巷道顶板深层支护结构包括多个由左至右布设在当前所施工节段的顶板上的锚索(10)；对所述顶板支护体系的支护结构进行确定时，根据步骤四中所确定第一极限冒落拱(2‑2)的矢高b₂'对顶板锚杆(11)的长度进行确定，且根据步骤四中所确定第二极限冒落拱(2‑3)的矢高b₃'对锚索(10)的长度进行确定；多根所述注浆锚杆(8)均呈平行布设且其均与当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮呈垂直布设；所述注浆锚杆(8)位于当前所施工节段的煤柱下压侧煤帮的中部且其布设在当前所施工节段的一个横断面上；步骤六、巷道围岩支护施工：根据步骤五中所确定的巷道支护结构，对当前所施工节段进行支护施工；步骤七、下一节段开挖及巷道围岩支护施工：重复步骤一至步骤六，对下一节段进行开挖及巷道围岩支护施工；步骤八、多次重复步骤七，直至完成近距离煤层巷道(1)的全部开挖及巷道围岩支护施工过程。