一种倾斜厚煤层一次采全高巷道布置及顶板支护方法

土层或岩石的钻进;采矿的设备制造及其应用技术1.本发明涉及一种巷道布置及顶板支护方法，具体是一种倾斜厚煤层一次采全高巷道布置及顶板支护方法。背景技术：2.在倾斜厚煤层工作面一次采全高的工况下，巷道布置方式将直接影响工作面生产安全和资源回收率；在倾斜厚煤层中若巷道仍沿顶、底掘进，巷道则会因高度增加导致断面过大，造成支护困难，也增大了巷道失稳风险。若巷道按常规断面掘进，则涉及到巷道在煤层中所处位置的问题，目前巷道的布设主要分成三种，第一种，根据顶板或煤层硬度选择沿顶掘进，斜梯形断面有利于巷道掘进和维护，但这种方式不利于工作面资源回收和辅助运输；第二种，将巷道布置在煤层中，巷道断面为梯形或矩形，则会导致巷道围岩结构变差，但可通过加长锚杆、索将顶板锚固到上方稳定围岩中，采用该种布置方式，降低了巷道与工作面间的物资运输困难性；第三种，巷道沿底布设，这种布设方式使得巷道顶板支护条件进一步劣化，但工作面资源回收率最高，最有利于巷道与工作面间的物资运输。因此上述三种巷道布设方式自身均存在优缺点；因此如何能根据倾斜厚煤层工作面的实际情况，确定巷道的布设位置及支护方法，进而在实现巷道容易维护且保证生产安全的前提下，还能有效提高资源回收率和巷道掘进效率，是本行业的研究方向。技术实现要素：3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种倾斜厚煤层一次采全高巷道布置及顶板支护方法，能根据倾斜厚煤层工作面的实际情况，确定巷道的布设位置及支护方法，进而在实现巷道容易维护且保证生产安全的前提下，还能有效提高资源回收率和巷道掘进效率。4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种倾斜厚煤层一次采全高巷道布置及顶板支护方法，具体步骤为：5.a、测量当前煤层断面的参数及确定预掘进的巷道相关参数：6.测量确定倾斜厚煤层断面的厚度h1及当前断面的煤层倾角α，确定现场使用的锚杆长度l，预先设计巷道的下帮高度h21、上帮高度h22，在相同地质条件下，巷道的稳定性随巷道断面面积增大而降低，在满足生产要求的情况下，应尽可能减小巷道断面，因此h21和h22的取值范围确定为3～4m；其中巷道的上帮设定为距离倾斜厚煤层较高端最近的一帮，巷道的上帮设定为距离倾斜厚煤层较低端最近的一帮；7.b、确定当前煤层断面的巷道布设位置：8.①在保证巷道掘进后服务期间的稳定性前提下，为了最大化巷道与工作面间的物资运输效率，优先采用巷道沿底板布置的方式，此时，根据步骤a确定的参数，煤层厚度与巷道下帮顶角到煤层顶部的距离需满足的条件为：9.h1-h21*cosα≤2ꢀꢀꢀ(1)10.若当前煤层断面满足公式(1)的条件，则确定当前煤层断面采用巷道沿底板布置的方式；否则进入步骤②；11.②在当前煤层断面不满足公式(1)的条件下，说明煤层厚度较大，此时选择将巷道布置在煤层中部的方式，且需满足如下条件：[0012][0013]式中，h3为巷道底板到煤层底部的垂直距离，单位为m；[0014]若当前煤层断面满足公式(2)的条件，则确定当前煤层断面采用巷道布置在煤层中部的方式；否则进入步骤③；[0015]③在当前煤层断面不满足公式(2)的条件下，说明煤层厚度极大，此时采用巷道沿顶布设的方式，且需满足如下条件：[0016]h1-h21*cosα-h3≥2ꢀꢀꢀ(3)[0017]在当前煤层断面满足公式(3)的条件下，确定当前煤层断面采用巷道沿顶布设的方式；[0018]c、确定巷道断面的形状：[0019]根据已有理论和现场经验，采用锚杆支护时，通过锚杆将巷道顶板与煤层上部岩层组合在一起可加强巷道顶板强度，锚杆锚固端位于煤层上方的坚硬岩层中，以锚杆长度l和巷道顶板到煤层顶部的距离作为巷道断面形状的确定依据。由于煤层倾角的存在，使巷道两帮距煤层顶部的距离不一样，因此，锚杆支护存在两种情况：第一种，巷道上帮侧的顶板锚杆可以全部锚固在煤层上方围岩中；第二种，煤层倾角较大，巷道上帮顶到煤层顶部距离增大，该侧顶板锚杆无法锚固到煤层上方围岩中。因此根据不同的情况需要采用不同的方式，根据步骤b确定的巷道布设位置，若采用巷道沿顶布设的方式，则巷道断面的形状确定为直角梯形，且巷道的顶板沿煤层顶部倾斜设置；若采用巷道布置在煤层中部的方式或巷道沿底板布置的方式，则根据锚杆长度l进行如下判断：优先将巷道断面设置成矩形，且需满足巷道上帮顶角到煤层底部的距离小于锚杆长度；若满足该条件则确定巷道断面为矩形，若不满足，则将巷道断面的形状确定为直角梯形，且将巷道的上帮高度大于下帮高度，使巷道的顶板沿煤层顶部平行设置；这样能保证后续支护时锚杆能通过顶板锚固至煤层上方的岩层内；[0020]d、确定巷道顶板的支护方式：[0021]根据步骤b确定的布设位置及步骤c确定的巷道断面形状，沿底布置和煤层中间布置的矩形巷道和沿顶布设的直角梯形巷道，巷道支护方式均采用锚杆从巷道顶板沿铅锤方向穿过煤层至其上部岩层布置，锚杆间排距w根据顶板强度的普氏系数f，确定如下：f≥6时，w≤900mm；3≤f＜6时，w≤800mm；f＜3，w≤700mm；[0022]煤层中间布置和沿底布置的直角梯形巷道，巷道支护方式采用锚杆从巷道顶板沿垂直煤层顶部的方向穿过煤层至其上部岩层布置，锚杆间排距w根据顶板强度的普氏系数f，确定如下：f≥6时，w≤800mm；3≤f＜6时，w≤700mm；f＜3，w≤600mm；[0023]e、巷道掘进及支护：[0024]根据步骤b和c确定的巷道布设位置及其巷道断面形状，从当前煤层断面随着煤层走向起伏开始进行巷道掘进，并在掘进过程中采用步骤d确定的巷道支护方式进行顶板支护，在掘进一段距离后，重复步骤a至d再次确定此时煤层断面的巷道布设位置及其巷道断面形状，然后从当前位置根据确定的巷道布设位置及其巷道断面形状继续掘进设定的距离，如此重复，直至完成整个倾斜厚煤层的巷道掘进及巷道支护。[0025]进一步，所述步骤d中的巷道支护时，额外采用每间隔两排锚杆沿垂向打设两根长度不小于4m的锚索。增加这种设置能有效提高巷道支护的强度，进一步保证巷道掘进后服务期间的稳定性。[0026]进一步，所述步骤e中在掘进一段距离后，若当前巷道采用沿顶布置或沿中部布置，在重新确定巷道布设位置满足沿底布置时后续掘进改为沿底布置，并且巷道断面形状保持不变。这样设置在满足掘进巷道的安全稳定前提下，有效提高巷道与工作面间的物资运输效率。[0027]与现有技术相比，本发明先测量当前煤层断面厚度及倾角，并设定预掘进巷道的上下帮高度，然后根据测量获得的数据结合特定的公式条件先确定当前煤层断面的巷道布设位置，接着根据确定的巷道布设位置并结合锚杆长度，确定预掘进的巷道断面形状，最后根据确定的巷道布设位置和巷道断面形状，确定巷道掘进后的顶板支护方式，此时开始按照确定位置及形状开始掘进，并在掘进过程中采用确定的支护方式，沿工作面掘进一定距离后停止，并在当前煤层断面重复上述确定过程，接着按照重新确定的巷道布设位置和巷道断面形状继续掘进巷道，如此重复，从而能根据煤层断面的厚度及倾角的变化，及时调整巷道掘进的位置、形状及支护方式，最终完成整个煤层的巷道安全掘进过程。因此本发明能根据倾斜厚煤层工作面的实际情况，确定巷道的布设位置及支护方法，进而在实现巷道容易维护且保证生产安全的前提下，还能有效提高资源回收率和巷道掘进效率。附图说明[0028]图1是本发明三种巷道与煤层布设位置关系图；[0029]图2是本发明中沿底布置巷道所需满足的条件示意图；[0030]图3是本发明中巷道布置在煤层中部所需满足的条件示意图；[0031]图4是本发明中沿顶布置巷道所需满足的条件示意图；[0032]图5是本发明中锚杆沿铅锤方向布置的支护示意图；[0033]图6是本发明中锚杆沿垂直煤层倾向布置的支护示意图。具体实施方式[0034]下面将对本发明作进一步说明。[0035]如图1所示，本发明的具体步骤为：[0036]a、测量当前煤层断面的参数及确定预掘进的巷道相关参数：[0037]测量确定倾斜厚煤层断面的厚度h1及当前断面的煤层倾角α，确定现场使用的锚杆长度l，预先设计巷道的下帮高度h21、上帮高度h22，在相同地质条件下，巷道的稳定性随巷道断面面积增大而降低，在满足生产要求的情况下，应尽可能减小巷道断面，因此h21和h22的取值范围确定为3～4m；其中巷道的上帮设定为距离倾斜厚煤层较高端最近的一帮，巷道的上帮设定为距离倾斜厚煤层较低端最近的一帮；[0038]b、确定当前煤层断面的巷道布设位置：[0039]①在保证巷道掘进后服务期间的稳定性前提下，为了最大化巷道与工作面间的物资运输效率，优先采用巷道沿底板布置的方式，此时，根据步骤a确定的参数，如图2所示，煤层厚度与巷道下帮顶角到煤层顶部的距离需满足的条件为：[0040]h1-h21*cosα≤2ꢀꢀꢀ(1)[0041]若当前煤层断面满足公式(1)的条件，则确定当前煤层断面采用巷道沿底板布置的方式；否则进入步骤②；[0042]②在当前煤层断面不满足公式(1)的条件下，说明煤层厚度较大，如图3所示，此时选择将巷道布置在煤层中部的方式，且需满足如下条件：[0043][0044]式中，h3为巷道底板到煤层底部的垂直距离，单位为m；[0045]若当前煤层断面满足公式(2)的条件，则确定当前煤层断面采用巷道布置在煤层中部的方式；否则进入步骤③；[0046]③在当前煤层断面不满足公式(2)的条件下，说明煤层厚度极大，如图4所示，此时采用巷道沿顶布设的方式，且需满足如下条件：[0047]h1-h21*cosα-h3≥2ꢀꢀꢀ(3)[0048]在当前煤层断面满足公式(3)的条件下，确定当前煤层断面采用巷道沿顶布设的方式；[0049]c、确定巷道断面的形状：[0050]根据已有理论和现场经验，采用锚杆支护时，通过锚杆将巷道顶板与煤层上部岩层组合在一起可加强巷道顶板强度，锚杆锚固端位于煤层上方的坚硬岩层中，以锚杆长度l和巷道顶板到煤层顶部的距离作为巷道断面形状的确定依据。由于煤层倾角的存在，使巷道两帮距煤层顶部的距离不一样，因此，锚杆支护存在两种情况：第一种，巷道上帮侧的顶板锚杆可以全部锚固在煤层上方围岩中；第二种，煤层倾角较大，巷道上帮顶到煤层顶部距离增大，该侧顶板锚杆无法锚固到煤层上方围岩中。因此根据不同的情况需要采用不同的方式，根据步骤b确定的巷道布设位置，若采用巷道沿顶布设的方式，则巷道断面的形状确定为直角梯形，且巷道的顶板沿煤层顶部倾斜设置；若采用巷道布置在煤层中部的方式或巷道沿底板布置的方式，则根据锚杆长度l进行如下判断：优先将巷道断面设置成矩形，且需满足巷道上帮顶角到煤层底部的距离小于锚杆长度；若满足该条件则确定巷道断面为矩形，若不满足，则将巷道断面的形状确定为直角梯形，且将巷道的上帮高度大于下帮高度，使巷道的顶板沿煤层顶部平行设置；这样能保证后续支护时锚杆能通过顶板锚固至煤层上方的岩层内；[0051]d、确定巷道顶板的支护方式：[0052]根据步骤b确定的布设位置及步骤c确定的巷道断面形状，沿底布置和煤层中间布置的矩形巷道和沿顶布设的直角梯形巷道，如图5所示，巷道支护方式均采用锚杆从巷道顶板沿铅锤方向穿过煤层至其上部岩层布置，锚杆间排距w根据顶板强度的普氏系数f，确定如下：f≥6时，w≤900mm；3≤f＜6时，w≤800mm；f＜3，w≤700mm；[0053]煤层中间布置和沿底布置的直角梯形巷道，如图6所示，巷道支护方式采用锚杆从巷道顶板沿垂直煤层顶部的方向穿过煤层至其上部岩层布置，锚杆间排距w根据顶板强度的普氏系数f，确定如下：f≥6时，w≤800mm；3≤f＜6时，w≤700mm；f＜3，w≤600mm；[0054]上述两种巷道支护时，额外采用每间隔两排锚杆沿垂向打设两根长度不小于4m的锚索。增加这种设置能有效提高巷道支护的强度，进一步保证巷道掘进后服务期间的稳定性。[0055]e、巷道掘进及支护：[0056]根据步骤b和c确定的巷道布设位置及其巷道断面形状，从当前煤层断面随着煤层走向起伏开始进行巷道掘进，并在掘进过程中采用步骤d确定的巷道支护方式进行顶板支护，在掘进一段距离后，重复步骤a至d再次确定此时煤层断面的巷道布设位置及其巷道断面形状，然后从当前位置根据确定的巷道布设位置及其巷道断面形状继续掘进设定的距离，如此重复，直至完成整个倾斜厚煤层的巷道掘进及巷道支护。其中在掘进一段距离后，若当前巷道采用沿顶布置或沿中部布置，在重新确定巷道布设位置满足沿底布置时后续掘进改为沿底布置，并且巷道断面形状保持不变。这样设置在满足掘进巷道的安全稳定前提下，有效提高巷道与工作面间的物资运输效率。[0057]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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