[发明专利]一种三软煤层回采巷道支护设计方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，更具体的涉及一种三软煤层回采巷道支护设计方法及装置。

背景技术

在我国大约占三分之一以上的回采巷道属于三软煤层回采巷道，随着矿井开采的发展，地质条件好的区域逐渐减少，煤矿开采越来越多面临三软煤层的开采，三软煤层回采巷道的支护问题日益突出。

三软煤层回采巷道围岩为容易变形的软岩和松软煤层构成，由于其自身强度较弱、自稳性差，在原岩应力和采掘形成的支承压力影响下，易产生两巷帮移近、底鼓、顶板下沉和冒落。此外，工作面回采周期一般在1至2年，三软煤层回采巷道围岩的持续蠕变，导致巷道发生失稳，影响工作面的通风、运输和安全。这类巷道支护难度大、维护成本高，是煤矿安全高效生产的技术难题。

现有的三软煤层回采巷道支护设计方法，主要借鉴一般软岩巷道支护设计方法进行。其主要缺点如下：

(1)主要关注顶板的支护，忽视两巷帮变形破坏对顶板的影响；

(2)忽视巷道底板变形对两巷帮破坏发展的影响；

(3)忽视两巷帮和顶板结合部(两肩)和两巷帮与巷道底板结合部(两巷帮脚)的支护；

(4)缺乏一种将“巷道底板-两巷帮-巷道顶板”作为一个相互作用的整体的支护设计方法。

(5)顶板锚索长度的确定不能形成较长的锚索和较短的锚杆的协调支护，导致锚索受力过大而破坏和支护失效。

综上所述，现有技术中针对三软煤层回采巷道支护参数设计不合理，导致巷道支护失效和巷道返修成本增大，严重影响矿井的安全和高效生产。

发明内容

本发明实施例提供一种三软煤层回采巷道支护设计方法及装置，可以解决三软煤层回采巷道支护参数设计不合理，出现锚索和锚杆拉断、巷道变形，导致巷道返修成本增大，严重影响矿井的正常生产的问题。

本发明实施例提供一种三软煤层回采巷道支护设计方法，包括：

根据三软煤层回采巷道结构，将所述三软煤层回采巷道从上至下依次分为巷道顶板岩层、两巷帮煤层和巷道底板岩层；

所述巷道顶板岩层、所述两巷帮煤层和所述巷道底板岩层组成三软煤层回采巷道围岩极限平衡圈，根据所述三软煤层回采巷道围岩极限平衡圈理论以及所述巷道顶板岩层、所述两巷帮煤层和所述巷道底板岩层的受力分析，依次确定顶板极限平衡拱方程，顶板极限平衡拱高度和两巷帮最大破坏深度；

根据所述顶板极限平衡拱高度，锚索锚固段长度和锚索外露长度，采用公式(1)确定顶板锚索长度；根据回采巷道宽度以及采用公式(2)，确定顶板锚杆长度；根据所述顶板锚杆长度，巷道两巷帮移近量以及采用公式(3)，确定顶板锚杆间排距；根据所述两巷帮最大破坏深度，锚杆锚固段长度，锚杆外露长度，采用公式(4)确定两巷帮锚杆长度；

其中，公式(1)如下：

l_ms＝b+l_s+l₁

其中，公式(2)如下：

l_mg＝2ka

其中，公式(3)如下：

其中，公式(4)如下：

L_mg＝2L+l_g+l₂

公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，l_ms为锚索长度，b为顶板极限平衡拱高度，l_s为锚索锚固段长度，l₁为锚索外露长度，l_mg为锚杆长度，a为回采巷道半宽，k为长度因子，d_mg为锚杆间排距，s为巷道两巷帮移近量，L为两巷帮最大破坏深度，l_g为锚杆锚固段长度，l₂为锚杆外露长度，L_mg为两巷帮锚杆长度。

优选地，根据下列公式确定顶板极限平衡拱方程：

根据下列公式确定顶板极限平衡拱高度：

其中，y＝b，x＝a^*，b为顶板极限平衡拱高度，a^*为等效回采巷道半宽，λ为侧应力系数，f为顶板岩石坚固系数，h为巷道高度。

优选地，根据下列公式确定等效回采巷道半宽：

其中，a^*为等效回采巷道半宽，a为回采巷道半宽，h为巷道高度，d为底鼓量，f_b为两巷帮煤岩坚固系数。