一种沿空护巷安全支护系统及矿压观测系统 [发明]

一种沿空护巷安全支护系统及矿压观测系统
技术领域
本发明涉及煤层开采领域，具体而言，涉及一种沿空护巷安全支护系统及矿压观测系统。
背景技术
双层综采工作面为上下分层，部分煤层呈倾斜分布。目前通过双向聚能拉伸爆破技术对巷道顶板进行切顶卸压，不同于以往的点状均能够或线状聚能的装置，其由设定强度的棺材经特制加工而成，可以对任意两个方向聚能，在设定方向上的聚能作用实现岩石定向断裂控制爆破，实现岩体定向拉张断裂成型。
在双层综采中，会遭遇上下分层夹矸岩性为泥质粉砂岩、泥质粉砂岩夹煤线或为石英砂岩，煤层倾角为25-30度偏大，存在双向聚能爆破切顶卸压时支护不稳的问题。
发明内容
本发明的目的包括提供一种沿空护巷安全支护系统，其采用走向预应力锚索梁、工字钢点柱配合金属锚网与皮带，配套双向聚能顶板预裂爆破切顶卸压技术进行护巷，结构布置合理，成本低，护巷效果好。
本发明的另一目的包括提供一种矿压观测系统，对巷道进行系统地观测，根据护巷效果进行方案修正。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种沿空护巷安全支护系统，配合双向聚能顶板预裂爆破切顶卸压，于工作面下端头沿倾斜方向设有预设长度的无支架区域，于无支架区域中设有两排单体液压支柱配铰接顶梁，工作面下端头的单体支护区域间隔巷道上帮的位置处设有沿走向分布的一排预应力锚索梁，紧贴预应力锚索梁的上侧支设有一排工字钢点柱，工字钢点柱的上端与预应力锚索梁固定连接，工字钢点柱的下端固定于巷道底侧，于预应力锚索梁的上侧铺设有沿巷道横截方向分布的金属锚网，金属锚网上还固定有皮带，皮带用于封闭巷道，于金属锚网的上侧布置有一排切顶卸压炮眼。
优选地，工字钢点柱的下端被配置为通过风镐掏柱窝进行固定。
优选地，底板破碎时采用圆钢加工呈U形无腿棚进行工字钢点柱的下端固定。
优选地，工字钢点柱之间配置有横向分布的废旧压风管或轨道钢经螺栓连接。
优选地，任意相邻两工字钢点柱之间掺打有一单体带帽点柱。
优选地，还设有超前支护区和滞后支护区，超前支护区超前工作面煤壁预设距离，采用单体液压支柱配铰接顶梁且呈双排设置，滞后支护区滞后工作面切顶线预设距离，滞后支护区采用两排单体液压支柱配铰接顶梁或木帽、且呈一梁一帽布置。
优选地，炮孔采用聚能管连续装药结构，包括聚能壁、设于聚能壁内的炸药卷以及开设于聚能壁避免的纵向切缝，聚能管长度取炮孔长度的60％-70％；
同一炮孔内设有一段聚能管，聚能管沿炮孔长度方向布置；
或同一炮孔内设有至少两段聚能管，聚能管均沿炮孔长度方向布置且依次对接。
优选地，采用定向预裂爆破后切顶效果较差时，安排上调支架，沿走向布置一排辅助爆破孔以确保切断下端头顶板形成缓冲垫层。
优选地，聚能管内径为Ф37mm、外径为Ф40mm，炮孔直径选为42mm，选用直径为32mm的乳化炸药。
一种矿压观测系统，包括上述的沿空护巷安全支护系统，设有，巷道表面位移观测，涉及巷道的顶板下沉量及下沉速度、底臌量及底臌速度、两帮相对移近量及移近速度；巷道顶板离层监测；锚杆锚索受力监测；工作面支架阻力观测，涉及对采场支架立柱受力状况的监测；护巷单体支柱阻力观测，涉及对单体支柱受力状况的观测。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：其采用走向预应力锚索梁、工字钢点柱配合金属锚网与皮带，配套双向聚能顶板预裂爆破切顶卸压技术进行护巷，结构布置合理，成本低，护巷效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供无支架区域中工字钢点柱、废旧压风管、单体带帽点柱及金属锚网的结构示意图；
图2为本发明实施例提供沿空护巷安全支护系统的整体结构示意图。
图标：100-无支架区域，110-单体液压支柱，200-工字钢点柱，210-废旧压风管，220-单体带帽点柱，300-金属锚网，400-切顶卸压炮眼。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1和图2，本发明提供了一种沿空护巷安全支护系统，配合双向聚能顶板预裂爆破切顶卸压，适用于双层综采的沿空护巷。
该支护系统于工作面下端头沿倾斜方向设有预设长度的无支架区域100，于无支架区域100中设有两排单体液压支柱110配铰接顶梁。
工作面下端头的单体支护区域间隔巷道上帮的位置处设有沿走向分布的一排预应力锚索梁，紧贴预应力锚索梁的上侧支设有一排工字钢点柱200。工字钢点柱200的上端与预应力锚索梁固定连接，工字钢点柱200的下端固定于巷道底侧，如通过风镐掏柱窝进行固定。当底板破碎时采用圆钢加工呈U形无腿棚进行工字钢点柱200的下端固定。
于预应力锚索梁的上侧铺设有沿巷道横截方向分布的金属锚网300，进行封闭挡矸。金属锚网上还固定有皮带，皮带用于封闭巷道，皮带沿巷道的横向截面布置，通过皮带密闭巷道，起到防治瓦斯流串到巷道的目的。于金属锚网300的上侧布置有一排切顶卸压炮眼400，于切顶卸压炮眼400中采用双向聚能拉伸爆破技术，采用聚能管连续装药结构。
工字钢点柱200之间配置有横向分布的废旧压风管210或轨道钢经螺栓连接。选用现场的常用材料，合理利用资源及降低成本，且工字钢点柱200之间相互固定，整体稳定性好。
优选地，任意相邻两工字钢点柱200之间掺打有一单体带帽点柱220。单体带帽点柱220的分布方向与工字钢点柱200的分布方向一致。掺打单体带帽点柱220，作为动压加强支柱，又起护巷挡矸作业。
关于聚能管连续装药结构，包括聚能壁、设于聚能壁内的炸药卷以及开设于聚能壁避免的纵向切缝。经试验表明,切缝宽度一般选择3～5mm,聚能管长度一般取炮孔长度的60％～70％效果最好。在炮孔长度较小时，可采取单段聚能管沿炮孔长度方向布置。当炮孔长度较大时，如预裂长度达3.2～3.8m，所以聚能管分成两段，第一段长度1.0-1.2m，第二段长度1.2-1.4(根据采高调整，采高小时取小值，反之取大值)，一个炮孔装两段聚能管，第一段置底，第二段依次装入。
聚能管的制作中，引药加工与传统方法类似,即把炮孔雷管插入药卷之中；将引药放入套管内,套管事前已进行切缝加工,套管采用PVC塑料管，然后添加相应药量,保证炸药靠聚能管一端放置,炸药相互接触紧密,以保证炸药爆轰的稳定传播，药量可视岩性和炮孔深度调整；由于聚能管较长,应保证不因炮棍改变聚能药卷的放置方向和放置聚能药卷时,不因炮棍将炸药卷从聚能管中捅出；将聚能药卷正确放入炮孔中,其聚能方向应严格保证与相邻炮孔的连线方向一致；放置聚能药卷时,炮棍紧靠孔壁,使炮棍顶住聚能管,防止炮棍把炸药从聚能管中推出。
采用定向预裂爆破后，切顶效果较差时，安排上调支架，沿走向布置一排辅助爆破孔，确保切断下端头顶板，形成缓冲垫层。
根据双层合采工作面矿压观测规律，结合沿空护巷支护原则，为护巷提供完整的围岩，必须对动压影响段采取临时加强支护措施，综合确定动压影响分区：超前压力影响段为工作面煤壁前方20m,控顶区段为工作面煤壁后方30m。
因此，设有超前支护区和滞后支护区。超前支护区超前工作面煤壁预设距离，采用单体液压支柱配铰接顶梁且呈双排设置，如采用DZ25-30/100型单体液压支柱，超前工作面煤壁20m。
滞后支护区滞后工作面切顶线预设距离，滞后支护区采用两排单体液压支柱配铰接顶梁或木帽、且呈一梁一帽布置。如采用DZ25-30/100型单体液压支柱，配铰接顶梁或木帽，铰梁支柱柱距1.0m，一梁一柱布置，带帽支柱柱距为0.6m，并滞后工作面切顶线30m进行回撤。
基于双层综采工作面为上下分层，双层综采可采走向长度为450米，平均倾斜长度为110米，煤层总厚度为1.5-2.2米，其中上分层0.7-0.9米，下分层0.8-1.3米，夹矸厚为0.4-0.9米，采高1.9-3.1米，平均采高2.5米；煤层倾角为25-30度，平均倾角为28度；上下分层夹矸岩性为泥质粉砂岩、泥质粉砂岩夹煤线或为石英砂岩，岩石坚固系数为4～8，11841综采面开切眼向东100米内夹矸含石英砂岩，厚度0.1-0.2米。先提供基于以上沿空护巷安全支护系统的具体方案如下：
在工作面下端头沿倾斜方向留设1500mm宽不安装支架的位置(无支架区域100)，布置两排单体配顶梁进行支护，柱排距为900mm×1000mm。在工作面下端头单体支护区域距巷道上帮300mm处沿走向施工一排锚索梁，锚索规格17.8mm×6000mm，11#工字钢长度为2500mm，锚索眼间距1500mm，锚索梁走向间距500mm，紧贴锚索梁上方支设一排11#工字钢点柱200，间距600mm，11#工字钢上端紧贴锚索梁固定，下端采用风镐掏柱窝进行固定，柱窝深度不得小于200mm，底板破碎时采用φ32mm的圆钢加工呈“U”形无腿棚进行固定；所有工字钢点柱200之间用废旧2寸压风管或轨道钢经螺栓连接，固定成整体；在锚索梁上方铺设金属锚网300进行封闭挡矸，网与网之间压扎100mm。距锚索梁上方1100mm处布置一排切顶卸压炮眼400，炮眼间距600mm，炮眼直径42mm，炮眼深度根据顶板岩性，确定炮眼深度控制在为2500mm-3000mm，长度控制在3200-3800mm(根据凿岩机施工条件，采高调整)，放顶眼与顶板铅垂方向的夹角为10°。机巷超前支护、动压加强支护滞后煤壁距离根据11841采面周期来压步距确定，机巷超前支护长度不小于30m，护巷滞后支护长度不小于30m。
聚能管径与炮孔直径两者必须相互适应,根据理论研究,一般有两种匹配:外径Ф32mm，小药径聚能管匹配的最佳炮孔直径为35～38mm，炸药直径则为25～27mm；外径Ф38mm，大药径聚能管匹配的最佳炮孔直径为42～45mm，炸药直径则为35～37mm，药径与管径必须很好地紧密耦合，过大或过小都会影响爆破效果；另外，炮孔直径必须保证较易放入聚能药卷。根据实际条件,试验选用直径为32mm的乳化炸药，聚能管内径为Ф37mm、外径为Ф40mm，炮孔直径为42mm。
根据定向断裂技术,采用聚能管后可大大地增加炮孔间距,比普通光面爆破要求的炮孔间距提高50％以上。
实施例2
本实施例提供一种矿压观测系统，包括实施例1的沿空护巷安全支护系统。
该矿压观测系统设有巷道表面位移观测、巷道顶板离层监测、锚杆锚索受力监测、工作面支架阻力观测和护巷单体支柱阻力观测。
巷道表面位移是反映巷道围岩稳定状况的综合指标，通过巷道表面位移观测数据可较好地判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态。巷道表面位移监测包括顶底两帮4个值：顶板下沉量及下沉速度；底臌量及底臌速度；两帮相对移近量及移近速度等几项内容。
开始护巷时，每隔20m布置一组巷道围岩移近量观测站。每组测站布置两对测点，分别测定巷道两帮相对移近量和巷道上下帮顶底相对移近量。测定两帮相对移近量测点布置在巷道帮部距巷道底约1.0m处。测定巷道上、下帮顶底移近量测点布置在巷道顶部距巷道中线约1.0m位置对称布置两对测点，在各自铅垂地面点处布置相对点。巷道顶部及帮部测点使用巷道顶及帮部锚杆，底部测点采用在巷道底部埋设400mm长的木楔布置。工作面推过测点后，帮部测点被破坏，进入护巷区时对破坏的测点进行补设。
顶板失稳往往造成冒顶事故，顶板的稳定性是各类巷道围岩稳定性判定的核心。为此，在本巷道支护工程中，要及时掌握巷道顶板的在锚固范围之内与锚固范围之外的离层情况，以及早发现顶板失稳征兆，避免冒顶事故发生，同时可为完善支护参数提供依据。巷道顶板活动的主要表现为弯曲下沉、离层、冒顶，必须通过顶板离层量由顶板离层指示仪测读，机巷从护巷开始每隔20m布置一个ACLY-3型顶板离层仪。
锚杆(索)承受荷载测试试验是测试巷道支护后锚杆实际受力状态的一种原位测试方法，主要反映锚杆和承托岩石物件对围岩的实际锚固力，是锚杆支护巷道监测的一项重要内容。
锚杆(索)荷载观测的目的：分析锚杆支护巷道在服务期间锚杆的荷载变化情况，监测锚杆工作状态，为调整和修改支护参数提供基础数据，具体确定巷道围岩的活动时期和稳定时期，从而有针对性地采取支护措施。
锚杆载荷监测是为便于时实跟踪监测锚杆载荷变化情况，分析锚杆工作状态，为调整和修改锚杆支护参数提供基础数据依据。锚杆载荷的监测是通过MYJ-10型锚杆测力计(锚杆液压枕)来观测，锚杆测力计对锚杆进行的是无损伤检测。锚杆测力计由一个有中心孔的托盘式密闭充油压力盒和与之相连的压力表组成。安装时，把压力盒套在锚杆垫板(托盘)和外锚固端的螺母之间，即可以检测锚杆工作时轴向力变化情况。使用时要首先对锚杆施加预应力，记下压力盒指示的压力值，此后定时读取压力值，获取锚杆压力与时间变化的关系。
锚索受力监测安装从护巷段起，每隔20m安装一组，锚杆、锚索各安装一个。
采场支架与围岩相互作用关系，对采场顶板运动规律具有重要影响，通过对采场支架立柱受力状况的监测，掌握采场顶板岩层运动规律，为沿空护巷支护设计提供矿山压力上的指导。工作面每隔10架安装一组YHY60型综采支架压力连续记录仪，监测支架立柱的阻力情况，每班收集数据。
通过单体支柱的受力状况的观测，掌握采动压力及分布规律，确定工作面煤壁前后方采动影响范围，为巷道动压区加强支护提供科学依据。
回采工作面前方20m为1次/周；回采工作面后方30m以内为2次/d。两巷的单体支柱的阻力观测采用单体测力计进行监测，检修班打完超前支护后由当班班长对端头及超前维护的单体初撑力进行测量并记录。
以上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。