一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体及其构筑方法

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体及其构筑方法。

背景技术

沿空留巷技术其对缓解煤矿接续紧张、提高综合经济效益、延长矿井寿命，提高社会效益、提高煤炭回收率有着重要意义。但在在沿空留巷技术中，巷道围岩大变形，增大了巷修工程，不利于顶板和帮部维护，存在巷旁墙体的科学设计及高效施工方法。煤矿沿空留巷为防止巷道围岩大变形，增大巷道修复工程量，通过构建巷旁墙体以维护巷道，有效利用巷旁墙体的科学设计及施方法，实现沿空巷道梯度让压，适用于煤矿沿空留巷让压施工。

现有技术中在保证顶板具有充分的变形下沉空间的条件下，保持了充填体的完整性，具有更高的强度或刚度。

发明内容

为了解决沿空留巷过程中上覆岩层自重、采空区侧压等因素叠加影响下，带来的围岩大变形、工程量增大及顶板冲击地压危险，本发明提供了一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体及其构筑方法，具体的技术方案如下。

一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体，包括自上而下抗压强度逐层递减的方式布置，墙体构筑材料包括硫酸盐水泥和矿物拌合物，以及骨料。

优选的是，所述墙体通过3D打印机逐层打印制作。

优选的是，所述墙体底部构筑在巷道底板上，顶部与巷道顶板接触。

一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体构筑方法，用于构筑上述一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体，步骤包括：

S1.根据地质条件和采场结构，计算沿空留巷顶板的最大下沉量；

S2.根据上覆岩层结构确定混凝土物理力学参数，以及混凝土材料配比；

S3.根据混凝土参数进行3D打印建模，配备混凝土材料；

S4.工作面开采后沿空留巷并进行支护；

S5.支护后利用3D打印机构筑梯度充填体；

S6.回撤液压支柱。

进一步优选的是，所述顶板的最大下沉量h

其中，C为巷旁充填体到老顶岩梁端部断裂线的距离；L为老顶岩梁的跨度；H为采高；m

进一步优选的是，所述混凝土物理力学参数包括让压墙体的变形量h

其中H为梯度让压墙体的高度；P为回转岩层作让压墙体的应力；E(h)为梯度混凝土弹性模量随高度变化的线性函数。

进一步优选的是，所述混凝土弹性模量和抗压强度之间的关系为：

S

其中混凝土弹性模量的抗压强度为S

进一步优选的是，所述混凝土材料的配比过程，先根据h

进一步优选的是，所述厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体使用两种以上的混凝土材料；各个混凝土材料之间消除复合界面，相邻混凝土材料之间的性能连续变化。

本发明提供的一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体及其构筑方法有益效果是：梯度让压墙体在受到顶板作用力时，由上到下逐步产生变形，不会产生突然破坏，在老顶来压时，实现平稳让压；在梯度让压墙体被压变形后，仍然保持完整性，具有支撑作用，并可以有效保持其在采空区与工作面之间的“密封作用”；梯度让压墙体还可以提供足够大的支撑力，来支撑上部顶板，另外梯度混凝土具有耐久性良好，制造成本低、节约资源的优点。

附图说明

图1是厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体构筑示意图；

图2是巷旁充填结构示意图；

图3是3D打印布置示意图；

图4是墙体构筑方法流程图；

图中：1-煤层，2-留巷巷道，3-采空区，4-直接顶，5-老顶第一岩梁，6-老顶第二岩梁，7-梯度让压墙体，8-料仓，9-机械臂，10-喷头。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体及其构筑方法的具体实施方式如下。

一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体，采用功能梯度材料性质连续变化的技术理念进行巷旁支护，具有更高的强度，较高的可塑性以及更快的凝结时间，且梯度让压墙体的安全性和稳定性更好，适于沿空留巷巷旁充填的施工等技术特点。墙体包括自上而下抗压强度逐层递减的方式布置，墙体构筑材料包括硫酸盐水泥和矿物拌合物，以及骨料。梯度材料是指两种或两种以上不同性质的材料组分，采用先进的复合技术，使其组分和结构达到连续梯度变化,使内部组分间间复合界面消失，缓和材料内部的热应力，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。

墙体通过3D打印机逐层打印制作。墙体底部构筑在巷道底板上，顶部与巷道顶板接触。采用该墙体的结构简单，沉降量可准确预知与提前进行科学设计的梯度让压墙体，运用梯度材料力学性能梯度变化的技术理念进行巷旁支护。具有结构简单、早期强度高、后期强度发展稳定，且梯度让压墙体的构筑施工方便、安全性和稳定性更好，适于沿空留巷巷旁充填的快速施工等技术特点。

当这种混凝土受压到一定程度时，会将所受的压力向下传递，因此不会将混凝土压的粉碎，从而保证混凝土的完整性，使其继续发挥支撑作用，并可以保持其在采空区和工作面间的“密封作用”。因此更加适用于沿空留巷的巷旁充填。通过科学的设计，在保证顶板具有充分的变形下沉空间的条件下，保持了充填体的完整性，具有更高的强度或刚度。

一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体构筑方法，用于构筑上述一种厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体，步骤包括：

S1.根据地质条件和采场结构，计算沿空留巷顶板的最大下沉量；

其中顶板的最大下沉量h

其中，C为巷旁充填体到老顶岩梁端部断裂线的距离；L为老顶岩梁的跨度；H为采高；m

S2.根据上覆岩层结构确定混凝土物理力学参数，以及混凝土材料配比；

混凝土物理力学参数包括让压墙体的变形量h

其中H为梯度让压墙体的高度；P为回转岩层作让压墙体的应力；E(h)为梯度混凝土弹性模量随高度变化的线性函数。

通过单面反射法得出混凝土弹性模量和抗压强度之间的关系为：

S

混凝土材料的配比过程，先根据h

S3.根据混凝土参数进行3D打印建模，配备混凝土材料；进行混凝土物理力学参数的预测、模拟与计算、结构梯度分布设计等，以此来确定功能梯度材料的参数，参数包括：混凝土材料配比等。

厚煤层坚硬顶板沿空留巷梯度让压墙体使用两种以上的混凝土材料；各个混凝土材料之间消除复合界面，相邻混凝土材料之间的性能连续变化。

依据所计算出的混凝土参数，在井上完成梯度混凝土配料和具有3D打印功能相关机器的准备；然后，通过计算机软件预先设计好3D打印的速率和打印路线且进行3D建模，并将所需混凝土的材料和所需及其准备齐全。

S4.工作面开采后沿空留巷并进行支护；

采煤工作面采过后，按照现有巷道充填方法进行留巷，根据现场地质条件，制定有效的支护方案，用金属锚杆(索)与单体液压支柱对顶板进行合理有效支护。

S5.支护后利用3D打印机构筑梯度充填体；

支护结束后，从巷道底板开始，通过准备好的3D打印机按照预设的速率和路径构筑充填体，直至与巷道顶板接触；梯度充填体的构筑，其不但可以伸缩还可以360°旋转，且打印速度快，并且可以直接被运到井下进行作业。

在井上，通过计算机进行3D建模并确定打印的速率和打印路线，并将准备好的混凝土拌合物和3D打印机提前运入井下，按要求将混凝土拌合物装入机械臂的料仓中。从巷道底板开始，通过3D打印机按照预设的速率和路径构筑充填体，直至与巷道顶板接触；按照井上编译好的程序，在计算机的控制下进行充填体的打印。

S6.回撤液压支柱。

梯度混凝土充填体的让压量经地质条件和采场结构力学模型推导得出，既保证了顶板可以充分沉降触矸，又不会压碎充填墙体；梯度让压墙体的主要材料为梯度混凝土，强度高，造价低廉，容易施工。

另外，该墙体及构筑方法一是能够解决沿空留巷技术带来的巷道围岩大变形问题，二是有利于顶板和冲击地压灾害防治，降低坚硬顶板区域因顶板大范围活动造成的冲击动载荷，三是制造成本低、节约资源。本技术发明对缓解接续紧张、提高综合经济效益、延长矿井寿命，提高社会效益、提高煤炭回收率有着重要意义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。