长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法和施工方法

技术领域

本发明涉及井下巷道支护技术领域，具体而言，涉及一种长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法和施工方法。

背景技术

煤炭作为中国的主要能源，在国民经济发展过程中起到至关重要的作用，占我国一次能源的60％左右。为了井下工作面便于通风、行人、安置设备及材料转运，会沿工作面的走向开掘措施巷，即空巷。煤矿工作面过空巷时，由于工作面超前支承压力与巷道侧向支承压力的叠加影响极易产生应力集中，导致矿压显现异常，“煤炮”频发，甚至诱发冲击地压等动力灾害，极大地危害煤矿的安全生产。应当结合现场实际地质条件，科学合理计算支护强度并选择支护方式。同时还要考虑空巷支护的成本和效率，以及初采期间直接顶能否及时垮落，避免大面积悬顶。

传统的工作面过空巷方法主要以加强支护为主。现有空巷用的支护体采用单体支柱、液压单元支架、垛式支架等传统的加强支护方式，或采用高水、膏体、混凝土类支护体，对于大采高、高产高效综采(放)工作面过空巷使用高水材料或其它非煤骨料的水泥类混凝土泵送浇筑支护体的支护方式，严重降低煤品质量并且不便回收，造成一定程度的经济损失。此外，泵送支护材料由于刚性较大还妨碍了后续工作进度，降低了工作效率。

也就是说，现有技术中空巷支护存在支护效率低的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法和施工方法，以解决现有技术中空巷支护的支护效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法，包括：确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置；根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载；计算煤基墩柱的承载能力；根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算用于支撑的支撑煤基墩柱的使用数量。

进一步地，确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置的过程中包括：对位于长壁采煤工作面前方的超前支护应力进行连续监测，确定超前支护应力的分布形式；根据超前支护应力的分布形式确定应力峰值的位置。

进一步地，在根据超前支护应力的分布形式确定应力峰值的位置的过程中包括：若长壁采煤工作面前方的超前支护应力的分布形式为单调递增，则应力峰值在工作面前方；若长壁采煤工作面前方的超前支护应力的分布形式为先增后减，则应力峰值在工作面煤壁。

进一步地，在根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载的过程中包括：若应力峰值在工作面前方，则根据公式(1)计算长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载，F

若应力峰值在工作面煤壁，则根据公式(2)计算长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载，

F

其中，F

进一步地，在计算煤基墩柱的承载能力的过程中包括：确定煤骨料混凝土抗压强度设计值f

其中，N为煤基墩柱的承载能力，单位为kN；

进一步地，在根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算煤基墩柱的使用数量的过程中包括：根据公式(3)确定不同截面面积的煤基墩柱的承载能力；根据空巷承受的荷载和不同截面面积的煤基墩柱的承载能力选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，并计算支撑煤基墩柱的数量。

进一步地，在根据空巷承受的荷载和不同截面面积的煤基墩柱的承载能力选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，并计算支撑煤基墩柱的数量的过程中包括：根据1.5倍安全系数，确定需要支撑的面积；根据需要支撑的面积、不同截面面积的煤基墩柱的承载能力，确定使用的煤基墩柱的截面面积，并选取具有该截面面积的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱；根据空巷承受的荷载和支撑煤基墩柱的承载能力确定支撑煤基墩柱的数量。

进一步地，在对位于长壁采煤工作面前方的超前支护应力进行连续监测，确定超前支护应力的分布形式的过程中包括在长壁采煤工作面内间隔设置多个压力表对超前支护应力进行连续监测。

根据本发明的另一方面，提供一种用于长壁开采工作面的施工方法，包括：上述的用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法确定支撑煤基墩柱的支撑面积；根据支撑煤基墩柱的支撑面积和长壁开采工作面的高度在空巷内制作支撑煤基墩柱。

进一步地，在根据支撑煤基墩柱的支撑面积和长壁开采工作面的高度在空巷内制作支撑煤基墩柱的过程中，选取采煤工作面处采出的原煤作为骨料，混合凝胶材料形成煤基墩柱。

应用本发明的技术方案，用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法包括：确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置；根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载；计算煤基墩柱的承载能力；根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算用于支撑的支撑煤基墩柱的使用数量。

通过确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置，能够明确长壁采煤工作面前方的应力分布情况，找到承受应力最大也就是需要支护强度最大的位置。通过根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载，便于明确所需支护的强度，以匹配支护方式提供足够的支撑，避免应力集中导致煤矿事故发生。通过计算煤基墩柱的承载能力，能够明确煤基墩柱的应用方式。通过根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算用于支撑的支撑煤基墩柱的使用数量，能够实现合理应用煤基墩柱以满足支护需求，同时降低支护成本，减少环境污染。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明任一可选实施例的用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法流程图；

图2示出了本发明任一可选实施例的用于长壁开采工作面的施工方法流程图；

图3示出了本发明实施例一的机尾联巷单元支架随工作面推进压力变化图；

图4示出了本发明实施例一的煤基墩柱支护方案示意图；

图5示出了本发明实施例二的煤基墩柱支护方案示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、圆形墩柱；20、方形墩柱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中空巷支护的支护效率低的问题，本发明提供了一种长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法和施工方法。

如图1至图5所示，用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法包括：步骤S10：确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置；步骤S20：根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载；步骤S30：计算煤基墩柱的承载能力；步骤S40：根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算用于支撑的支撑煤基墩柱的使用数量。

通过确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置，能够明确长壁采煤工作面前方的应力分布情况，找到承受应力最大也就是需要支护强度最大的位置。通过根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载，便于明确所需支护的强度，以匹配支护方式提供足够的支撑，避免应力集中导致煤矿事故发生。通过计算煤基墩柱的承载能力，能够明确煤基墩柱的应用方式。通过根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算用于支撑的支撑煤基墩柱的使用数量，能够实现合理应用煤基墩柱以满足支护需求，保证支护效率的同时降低支护成本，减少环境污染。另外由于煤基墩柱利用原煤作为骨料，便于收集原材料加工，提高资源利用，有利于提高支护效率。

具体地，确定长壁采煤工作面前方应力峰值位置的过程中包括：对位于长壁采煤工作面前方的超前支护应力进行连续监测，确定超前支护应力的分布形式；根据超前支护应力的分布形式确定应力峰值的位置。通过对位于长壁采煤工作面前方的超前支护应力进行连续监测，能够更好地跟进应力变化，对不同位置的应力分布能够更加明确，减小误差，使得应力峰值的位置更加精确。

具体地，在根据超前支护应力的分布形式确定应力峰值的位置的过程中包括：若长壁采煤工作面前方的超前支护应力的分布形式为单调递增，则应力峰值在工作面前方；若长壁采煤工作面前方的超前支护应力的分布形式为先增后减，则应力峰值在工作面煤壁。通过不同的应力分布形式能够判断应力峰值的位置在工作面前方或工作面煤壁，便于对工作面前方的空巷承受的荷载进行准确计算，避免支护效果差导致事故发生。

具体地，在根据应力峰值的位置确定长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载的过程中包括：若应力峰值在工作面前方，则根据公式(1)计算长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载，F

F

其中，F

通过根据工作面前方的空巷承受的荷载在不同的位置采用不同的荷载计算方式，以便更准确地计算，根据所在应力峰值位置处的超前支护或支架立柱的不同条件计算工作面前方的空巷承受的荷载。

需要说明的是，公式(2)中涉及的支架立柱是现有的支架立柱，根据现场的数据计算空巷荷载F1。

具体地，在计算煤基墩柱的承载能力的过程中包括：确定煤骨料混凝土抗压强度设计值f

其中，N为煤基墩柱的承载能力，单位为kN；

通过根据公式(3)准确计算在实际应用时的煤基墩柱的承载能力，保证煤基墩柱的支护效果。

需要说明的是，煤基墩柱包括圆形墩柱10和方形墩柱20两种，其区别在于同等支护力不同支护面积的差异化支护强度，能够取得相近的控制效果。

具体地，在根据长壁采煤工作面前方的空巷承受的荷载和煤基墩柱的承载能力计算煤基墩柱的使用数量的过程中包括：根据公式(3)确定不同截面面积的煤基墩柱的承载能力；根据空巷承受的荷载和不同截面面积的煤基墩柱的承载能力选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，并计算支撑煤基墩柱的数量。通过公式(3)判断不同的截面面积煤基墩柱的承载能力不同，为了满足空巷承受的荷载需求而选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，能够保证支护效果，同时便于判断支撑煤基墩柱的数量，以保证支撑煤基墩柱的合理应用，降低支护成本，提高支护工作的效率。

具体地，在根据空巷承受的荷载和不同截面面积的煤基墩柱的承载能力选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，并计算支撑煤基墩柱的数量的过程中包括：根据1.5倍安全系数，确定需要支撑的面积；根据需要支撑的面积、不同截面面积的煤基墩柱的承载能力，确定使用的煤基墩柱的截面面积，并选取具有该截面面积的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱；根据空巷承受的荷载和支撑煤基墩柱的承载能力确定支撑煤基墩柱的数量。通过根据1.5倍安全系数，确定需要支撑的面积，以保证支护效果。通过确定合适的煤基墩柱的截面面积，能够选取具有合适的截面面积的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，保证支撑煤基墩柱达到所需的支撑效果。通过根据空巷承受的荷载和支撑煤基墩柱的承载能力，能够确定支撑煤基墩柱的数量，保证支撑煤基墩柱提供的支护强度能够应对空巷承受的荷载，同时合理控制支撑煤基墩柱的数量以降低成本，节约资源。

具体地，在对位于长壁采煤工作面前方的超前支护应力进行连续监测，确定超前支护应力的分布形式的过程中包括在长壁采煤工作面内间隔设置多个压力表对超前支护应力进行连续监测。通过在长壁采煤工作面内间隔设置多个压力表，能够更精确地对超前支护应力进行连续监测，减小误差。

需要说明的是，根据实际矿压的观测结果，可以采用多个煤基墩柱分散支撑的分布力支护方式，对空巷进行均匀支撑，或者采用一个煤基墩柱支撑的集中力支护方式，以对空巷内较为脆弱的部分进行支撑。

本申请还提供一种用于长壁开采工作面的施工方法，包括：步骤S100：根据上述的用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法确定支撑煤基墩柱的支撑面积；步骤S200：根据支撑煤基墩柱的支撑面积和长壁开采工作面的高度在空巷内制作支撑煤基墩柱。通过利用本申请的用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法，能够确定所需的支护强度，明确所需的支撑面积，再根据长壁开采工作面的高度和实际条件在空巷内制作支撑煤基墩柱，以实现煤基墩柱支护。

具体地，在根据支撑煤基墩柱的支撑面积和长壁开采工作面的高度在空巷内制作支撑煤基墩柱的过程中，选取采煤工作面处采出的原煤作为骨料，混合凝胶材料形成煤基墩柱。通过利用原煤作为骨料，能够降低生产成本，提高资源利用。混合凝胶材料形成煤基墩柱，保证煤基墩柱具有足够的强度，同时易于随采煤机割煤回收，降低对环境的污染。

通过使用本申请的用于长壁开采工作面前方空巷支护强度的计算方法，能够合理进行空巷煤基支护体强度计算及支护施工，将空巷顶板岩层部分自重传递至底板，实现井下复杂条件下煤基早强快硬易切割煤骨料环保胶结支护。

实施例一

如图3和图4所示，某矿工作面机尾回收煤柱时前方遗留有煤柱联巷，成为工作面开采面临的空巷，空巷尺寸长×宽×高为15m×5m×2.8m，联巷间距60m，目前过空巷时采用两个ZQ4000/18/35超前单元支架支护，支架立柱的额定压力P

如图3所示，根据该工作面机尾煤柱联巷内布置超前支护测站压力表得知，机尾煤柱距离工作面35m前，联巷未受采动影响。在距离工作面35至15m时立柱压力表读数逐步增大，最大读数可达28.6MPa；联巷距离工作面5m左右压力值为44MPa；联巷贯通后单元支架压力达到峰值，峰值压力值为48MPa。该工作面正常推进时支架载荷平均为28.6MPa。周期来压期间，支架载荷在32.1至49.2MPa之间，周期来压时支架平均载荷为40.6MPa，周期来压平均动载系数为1.41，最大动载系数为1.7。承受二次采动影响，工作面机尾液压支架工作阻力承受压力大，最大压力达到49.2MPa，立柱缩量最大达到30mm。动载系数是由支架监测得到的，用于计算公式(2)里的支架立柱的最大监测压力P

根据该工作面煤柱联巷内超前支护支架压力监测结果可以判断，该矿长壁综采工作面超前支承应力分布规律属于第二种情形，即最大垂直支承应力出现在煤壁位置，应依据公式(2)计算空巷荷载，当工作面推进至临近空巷，其承受荷载达到峰值，此时支架立柱的最大监测压力P

F

其中，F

根据公式(3)，f

表1

根据空巷载荷计算结果，采用图4所示的圆形墩柱10支护方案，采用两排圆形墩柱10进行支护，圆形墩柱10直径Φ1为1m，高度2.8m，圆形墩柱10中心间排距为2m×2.5m，圆形墩柱10距煤壁的间距为1.5m或2m，距离工作面为0.7m，属分布力支护，能够对空巷进行均匀地支撑。

实施例二

与实施例一的区别是，支护的煤壁位置不同，采用的支护方式不同。

如图5所示，采用方形墩柱20支护方案，采用长×宽为4m×3m的支护尺寸，距离工作面为0.5m，距离煤壁为1m，属集中力支护，能够对顶板较为脆弱的部分进行支撑，避免顶板垮落。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、通过确定超前支护应力的不同分布形式，能够确定应力峰值的位置在工作面前方或煤壁，根据所在应力峰值位置处的超前支护或支架立柱的不同条件计算工作面前方的空巷承受的荷载；

2、通过确定煤基墩柱的承载能力，根据不同截面面积的煤基墩柱的承载能力选取合适的煤基墩柱作为支撑煤基墩柱，并计算支撑煤基墩柱的数量，保证支护效果，同时降低生产成本，便于支撑煤基墩柱的回收。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。