[发明专利]一种梁‑柱式组合结构控制采空区顶板下沉的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种梁-柱式组合结构控制采空区顶板下沉的装置及方法，属于充填采矿技术领域。

背景技术

为了控制“三下”采煤引起的地表沉降及长臂垮落式采煤方法对环境的损害，煤炭开采企业近年来选用了充填法采煤工艺。全采全充采煤工艺对地表沉降和环境损害取得了很好的控制效果，但也存在着主要不足：一是因为全采全充需要充填的空间量相对较大，充填材料供不应求的矛盾较为突出，充填工序材料成本较高；二是因为充填工作量相对较大，占用了正常采煤工序的作业时间，采煤工作面原有的生产效率大幅度降低。

因此，有学者提出采空区部分充填采煤方法，以减少充填工作量和充填材料使用量，降低充填成本，提高生产效率。采空区部分充填方法主要包括条带式充填和墩柱式充填，然而部分充填由于存在悬空顶板，悬顶处顶板下沉量大，对地表沉陷的控制效果不如全采全充，尤其是墩柱式充填，充填率较低，悬顶面积较大，顶板控制效果不甚理想。

发明内容

本发明旨在提供一种梁-柱式组合结构控制采空区顶板下沉的装置及方法，首先在采空区安装垛柱式充填模板并充填，使之形成充填柱体，并在相邻充填柱体之间安装一组预应力桁架锚索；桁架锚索用于控制充填柱体之间的顶板，使之形成“组合-承托梁”结构，“组合梁”与充填“柱体”一起形成“梁-柱”组合控制系统，此时四个充填柱体中间的采空区顶板悬顶区域为双向板，“梁-柱”组合结构控制顶板双向板形成一个稳定的控制系统，可以在充填率不高的情况下达到良好的控制效果，降低充填开采成本，提高开采效率。

本发明提供了一种梁-柱式组合结构控制采空区顶板下沉的装置，包括垛柱式充填模板和预应力桁架锚索装置，所述桁架锚索装置将四个垛柱式充填模板连接成一个整体支撑顶板；

所述预应力桁架锚索装置为矿用预应力桁架锚索装置，每个桁架锚索装置由两根桁架锚索和一个连接锁紧器组成，连接锁紧器将两根锚索连接在一起，连接锁紧器上设有紧固螺栓；锚索将不同岩层组合在一起，提高岩层自身抗弯性能；连接锁紧器将两根锚索用刚性材料连接在一起，共同起到悬吊托举顶板的作用，提高顶板的抗拉性能；锚索的长度由顶板状况而定，连接锁紧器的长度由两充填柱体间的距离而定，锚索锚固段位于在顶板上方稳定岩层(如关键层)中，连接锁紧器两端的锚索外露端头在充填柱体外侧；保证桁架锚索的作用范围与充填柱体的支撑范围交叉耦合，从而形成“梁-柱”组合结构；

所述垛柱式充填模板设置在顶板下方，四周由拼接在一起的支撑架围成长方体框架结构，模板的相对两个面上分别是单个支撑架或经单侧拼接后的若干支撑架组成的整体，相邻两个面通过边缘的支撑架通过垂直拼接组成；每块支撑架包括由挡板、骨架道木和对拉锚索组成，骨架道木由若干条平行的横向道木和三条平行的竖向道木组成，横向道木和竖向道木呈垂直交叉设置，对拉锚索设置在每一侧模板中心的竖向道木上；骨架道木拼接后直接接触顶板，对顶板形成支撑；在模板一侧的挡板上方设有充填口；

相邻两个垛柱式充填模板之间安装一组桁架锚索装置，桁架锚索装置设置在相邻两个垛柱式充填模板间空顶区的中线上，两者作用区域相耦合，形成“梁-柱”组合结构。

上述方案中，所述挡板为木质板，厚为20-50mm，高度随采高确定，长度根据充填柱体的尺寸确定。

上述方案中，所述骨架道木为矿用道木，是四棱柱结构，道木截面是边长为100-200mm的正方形，横向道木两端比挡板两端各延伸出100-300mm的宽度，便于不同模板的拼接组装，竖向道木高度和挡板的高度相同；横向道木和竖向道木分别通过钢钉固定在挡板上，拼接后直接对顶板和充填柱体形成支撑。

上述方案中，所述拼接是指支撑架之间的拼接，分为单侧拼接和垂直拼接，设计时将相邻支撑架的横向骨架道木交错布置以便于拼接；单侧拼接是指当充填柱体单侧长度大于3m时，将支撑架延伸出来的横向骨架道木相互穿插进相邻支撑架的竖向道木下完成拼接，将若干支撑架连接在一起形成一个长的整体结构，其长度与充填柱体的长度相等；垂直拼接是指不同侧模板的相邻支撑架的拼接，此时相邻支撑架延伸出来的横向骨架道木相互交错搭接，四周全部完成拼接后用对拉锚索施加预紧力进行固定，预紧力为10-50kN。

上述方案中，所述对拉锚索为矿用钢绞线锚索，长度随模板的整体尺寸而定，两端各向模板外延伸出150-300mm，对拉锚索固定在模板中心的竖向道木上，配合骨架道木为充填柱体提供侧向压力。

上述方案中，所述充填口为圆孔，充填口的直径为10-20cm，位于充填模板的最上方的挡板顶部，充填完成后封闭充填口。