一种强力顶板支护墩柱和用于保护区段煤柱的方法

摘要

一种强力顶板支护墩柱和用于保护区段煤柱的方法，属于煤矿井下顶板支护方法。强力顶板支护墩柱，其呈圆柱体结构，由墩柱成型结构的内袋、外袋、底座袋和铸铁底座，增加墩柱强度的圆形钢箍，构筑袋悬挂固定吊钩和调高吊带，构筑袋上部方木，袋内充填材料构成；构筑袋上部外壁上有注料口，充填料为加入速凝剂和膨胀剂的混凝土。本发明还提供了一种强力顶板支护墩柱的构筑方法，强力顶板支护墩柱用于区段煤柱保护时，随工作面推进，在工作面支架后方构筑强力顶板支护墩柱。优点：本发明具有结构简单，支护强度高，能提供主动支护力，让压性能好，构筑方便,不需回收等优点，特别适合用在采空区侧保护区段煤柱，也可用于煤矿其他区域的顶板支护。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下顶板支护方法，特别是一种强力顶板支护墩柱和用于保护区 段煤柱的方法。

背景技术

在两条相邻的回采巷道之间留设区段煤柱是保护回采巷道在工作面开采期间稳定的 最基本、也是应用最广泛的方法。由于煤层埋藏条件和开采条件的复杂性，区段煤柱尺寸 选择不合理在开采实践中经常遇到。相对于区段煤柱尺寸偏大造成煤炭资源浪费的问题， 区段煤柱尺寸偏小将带来更严重的问题，引起回采巷道变形破坏严重无法使用，影响生产 安排，甚至造成人员伤亡。

对于由区段煤柱尺寸偏小造成的回采巷道变形和破坏严重的情况，一般采用锚杆、锚 索等支护体对巷道破碎围岩进行加强支护，或进行注浆加固；但这些方法只能对巷道小范 围的围岩进行修补，无法改变大范围的应力环境和围岩结构，很难保证回采巷道的稳定性。

当靠近煤层的顶板岩层较坚硬时，会出现顶板在采空区侧向不破断、形成悬顶，此时 区段煤柱将承受更大的压力，容易造成煤柱失稳，甚至动力破坏。为减小顶板对区段煤柱 施加的压力，保护区段煤柱的稳定性，一般采取在区段煤柱旁构筑支护体的方法对顶板进 行加强支护。常用的支护方法主要有两种：单体支柱密集支护和木垛支护。单体支柱密集 支护方法支护强度较大，易于操作；但支护面积小，让压性差，当在工作面后方的采空区 侧进行支护时，回收困难。木垛支护面积大，让压性好；但架设困难，支护强度小，而且 无法提供主动支护。

受煤层开采后工作面顶板围岩垮落、下沉和变形的影响，区段煤柱在本工作面采空区 一侧承受的压力最大，因此加强支护选在靠近区段煤柱的采空区侧最有效；但实际生产过 程中考虑施工安全、方便和支护设备回收的影响，上述两种支护方法一般都是在下工作面 的回采巷道内架设，因此这些加强支护方法对区段煤柱的保护效果较差，同时也给下区段 工作面的准备和回采带来了困难。

发明内容

本发明的目的是要提供种一种强力顶板支护墩柱和用于保护区段煤柱的方法，解决现 有区段煤柱侧顶板支护体构筑困难、支护强度低、回收不安全、支护成本高、让压性能差、 支护效果差的问题。

本发明的目的是这样实现的：该强力顶板支护墩柱，由墩柱成型结构、吊带、固定吊 钩、方木和袋内充填材料构成；墩柱成型结构上部外壁上有注料口；墩柱成型结构的内袋 顶部设置6个直径3cm的圆形通气孔，通气孔供充填混凝土时排除袋内空气；在墩柱成 型结构的外袋顶部等间距布置4个钢制固定吊钩，固定吊钩通过高度可以调整的吊带与外 袋相连，供充填前将构筑带吊在顶板钢筋网下；墩柱成型结构上部外壁上有注料口，注料 口为圆柱状，直径0.2m。

所述的墩柱成型结构即构筑袋包括：内袋、外袋、底座袋、铸铁底座和增加墩柱强度 的圆形钢箍；在内袋与外袋之间每间隔0.2～0.4m布置圆形钢箍，通过钢箍上下的缝合线 将其固定；内袋和外袋在顶部也缝合。在内袋底部设有铸铁底座，底座内径与内袋直径相 同，并与内袋底部粘结，通过底座袋将铸铁底座包裹缝合在内袋底部；内袋顶部设置6个 直径3cm的圆形通气孔，通气孔供充填混凝土时排除袋内空气；在外袋顶部等间距布置4 个钢制吊钩，吊钩通过高度可以调整的吊带与外袋相连，供充填前将构筑袋悬吊在顶板钢 筋网下；在巷道顶板与充填带顶部设有方木，方木厚度0.2～0.3m，提供支护过程中的让压 作用。

所述的内袋、外袋、底座袋由强力帆布制作；内袋为圆柱状，上下封口，直径为巷道 高度的0.2～0.3倍，内袋直径D＝(0.2～0.3)h，但不小于0.4m，内袋高度H比巷道高度h小 0.2～0.3m；外袋为圆筒状，上封口，下不封口，直径比内袋大2～4cm，高度与内袋相同。

所述的圆形钢箍由厚度2～3mm的钢带制作，钢带宽4～6cm，焊接成圆形，直径与内 袋直径相同，通过钢箍上下的缝合线固定在内袋与外袋之间，相邻钢箍间隔0.2～0.3m。

所述的铸铁底座内径与内袋直径相同，并与内袋底部粘结，通过底座袋将其包裹缝合 在内袋底部。

所述的充填材料为混凝土，根据强度要求调整混凝土中石子、黄沙和水泥的配比。混 凝土中添加速凝剂和膨胀剂，保证混凝土凝固时间在6～8小时之内，混凝土凝固时墩柱有 3～5％的膨胀率，混凝土充填时需提供3～5MPa的充填压力，在充填时确保方木完全接触 顶板，这样可以给顶板提供3～5MPa的初始支撑力。

将本强力顶板支护墩柱用于区段煤柱保护时，随工作面推进，在工作面支架后方构筑 强力顶板支护墩柱，具体步骤为：

A.在区段煤柱内每间隔50m开掘一个宽度3～4m，高度与回采巷道高度相同的联络 巷，将本工作面辅运巷和下工作面运输巷连通；

B.在工作面后方，由下工作面运输巷经联络巷将构筑袋运至工作面液压支架后方， 用吊钩将构筑带悬挂到巷道顶板的钢筋网上，在构筑带顶部放置4根方木，调整吊钩下方 吊带的高度，使构筑带底部铸铁底座刚好接触底板、构筑袋与底板保持垂直；若强力墩柱 构筑区域底板不平整，可在底板先行铺设混凝土，将底板整理平整；

C.通过输送管路将加工好的混凝土浆料经构筑袋上部注料口灌入构筑带内。混凝土 采用添加速凝剂的速凝混凝土，通过调整速凝剂的含量保证混凝土凝固时间在6～8小时之 内；通过调整混凝土内膨胀剂的含量，确保混凝土凝固时，墩柱有3～5％的膨胀率；墩柱 构筑要紧跟工作面推进进行，具体要求墩柱距离工作面液压支架尾端的距离不得大于5m； 当构筑的墩柱超过某一个联络巷后，及时在该联络中建造密封墙将联络巷封闭；

D.墩柱中心距离区段煤柱边缘的距离为0.2～1.0m，具体根据顶底板情况确定；相邻 两个墩柱之间的中心距离为5～20m，具体通过监测墩柱的压力变化进行调整；

E.墩柱压力变化通过压力盒进行测量，当需要监测某一墩柱的压力时，需要在墩柱 构筑位置底板先行铺设混凝土，然后将压力盒预先埋设在靠近墩柱中心的位置；通过压力 盒的电信号转变可以直接读取墩柱压力，可通过电缆将监视器布置在下工作面巷道内，这 样可以实时安全的监测墩柱压力；监测时，当压力数值出现大幅度的降低时，如压力降低 大于50％，表明墩柱已经破坏，在后续作业中可以适当减小墩柱间距；若墩柱压力一直处 于上升或保持不变，表明墩柱处于稳定状态，后续墩柱构筑作业中可以适当增大墩柱间距； 通过多次调整，可以确定墩柱的合理间距：既保证墩柱不会发生破坏，又使相邻两墩柱之 间的距离最大，减小经济投入。

有益效果，由于采用了上述方案，通过高强帆布袋、周向钢箍和混凝土构筑的强力顶 板支护墩柱，有效的解决了木垛和单体支柱密集支护过程中带来的支护强度低、作业强度 大、安全性能差等问题，并有如下有益效果：不需要提前构筑墩柱建造模型，也不需要在 墩柱建造完毕后回收模型，墩柱构筑简单、方便、施工时间短、劳动强度小；与现有支护 体相比，成本大幅降低；强力帆布袋和周向布置的钢箍可大幅提高墩柱的抗压强度，顶板 下沉越大，其对顶板的支护强度越高，可有效承载顶板压力，缓解区段煤柱中应力集中； 可以对顶板提供3～5MPa的主动支撑压力；不需回收，可以用在区段煤柱的采空区侧，对 区段煤柱的保护效果更好；墩柱与顶板之间布置了高度20～30cm的方木，支护让压性能 好。解决了现有区段煤柱侧顶板支护体构筑困难、支护强度低、回收不安全、支护成本高、 让压性能差、支护效果差的问题，达到了本发明的目的。

优点：支护成本低、支护强度大、支护体让压性能好、架设方便、不需回收，能够满 足区段煤柱受两次采动影响的要求；尤其适用于煤柱旁加强顶板支护保护区段煤柱。

附图说明：

图1是本发明的一种强力顶板支护墩柱结构示意图的主视图。

图2是本发明的一种强力顶板支护墩柱结构示意图的A—A剖面图。

图3是本发明的一种强力顶板支护墩柱结构示意图的B—B剖面图。

图4是本发明的一种强力顶板支护墩柱结构示意图的C—C剖面图。

图5是本发明的一种强力顶板支护墩柱用于保护区段煤柱平面图。

图6是本发明的一种强力顶板支护墩柱用于保护区段煤柱图平面图的F—F剖面图。

图中：1、内袋；2、外袋；3、底袋；4、钢箍；5、铸铁底座；6、缝合线；7、吊钩； 8、吊带；9、注料口；10、方木；11、通气孔；12、工作面；13、本工作面辅运巷；14、 区段煤柱；15、下工作面运输巷；16、液压支架；17、采空区；18、强力混凝土墩柱；19、 联络巷；20、密闭墙；21、巷道顶板；22、巷道底板；D、内袋直径；H、内袋高度；h、 巷道高度；L、墩柱间距。

具体实施方式

该强力顶板支护墩柱，由墩柱成型结构、吊带、固定吊钩、方木和袋内充填材料构成； 构筑袋上部外壁上有注料口；内袋1顶部设置6个直径3cm的圆形通气孔11，通气孔11 供充填混凝土时排除袋内空气；在外袋2顶部等间距布置4个钢制固定吊钩7，固定吊钩 7通过高度可以调整的吊带8与外袋相连，供充填前将构筑带吊在顶板钢筋网下；构筑袋 上部外壁上有注料口9，注料口为圆柱状，直径0.2m。

所述的墩柱成型结构即构筑袋包括：内袋、外袋、底座袋、铸铁底座和增加墩柱强度 的圆形钢箍；在内袋与外袋之间每间隔0.2～0.4m布置圆形钢箍，通过钢箍上下的缝合线 将其固定；内袋和外袋在顶部也缝合。在内袋底部设有铸铁底座，底座内径与内袋直径相 同，并与内袋底部粘结，通过底座袋将铸铁底座包裹缝合在内袋底部；内袋顶部设置6个 直径3cm的圆形通气孔，通气孔供充填混凝土时排除袋内空气；在外袋顶部等间距布置4 个钢制吊钩，吊钩通过高度可以调整的吊带与外袋相连，供充填前将构筑袋悬吊在顶板钢 筋网下；在巷道顶板与充填带顶部设有方木，方木厚度0.2～0.3m，提供支护过程中的让压 作用。

所述的内袋1、外袋2、底座袋3由强力帆布制作；内袋为圆柱状，上下封口，直径 为巷道高度的0.2～0.3倍，内袋直径D＝(0.2～0.3)h，但不小于0.4m，内袋高度H比巷道高 度h小0.2～0.3m；外袋为圆筒状，上封口，下不封口，直径比内袋大2～4cm，高度与内袋 相同。

所述的圆形钢箍4由厚度2～3mm的钢带制作，钢带宽4～6cm，焊接成圆形，直径与 内袋1直径相同，通过钢箍上下的缝合线6固定在内袋与外袋之间，相邻钢箍间隔 0.2～0.3m。

所述的铸铁底座5内径与内袋直径相同，并与内袋1底部粘结，通过底座袋3将其包 裹缝合在内袋底部。

所述的充填材料为混凝土，根据强度要求调整混凝土中石子、黄沙和水泥的配比。混 凝土中添加速凝剂和膨胀剂，保证混凝土凝固时间在6～8小时之内，混凝土凝固时墩柱有 3～5％的膨胀率，混凝土充填时需提供3～5MPa的充填压力，在充填时确保方木完全接触 顶板，这样可以给顶板提供3～5MPa的初始支撑力。

将本强力顶板支护墩柱用于区段煤柱保护时，随工作面推进，在工作面支架后方构筑 强力顶板支护墩柱，具体步骤为：

A.在区段煤柱内每间隔50m开掘一个宽度3～4m，高度与回采巷道高度相同的联络 巷，将本工作面辅运巷和下工作面运输巷连通；

B.在工作面后方，由下工作面运输巷经联络巷将构筑袋运至工作面液压支架后方， 用吊钩将构筑带悬挂到巷道顶板的钢筋网上，在构筑带顶部放置4根方木，调整吊钩下方 吊带的高度，使构筑带底部铸铁底座刚好接触底板、构筑袋与底板保持垂直；若强力墩柱 构筑区域底板不平整，可在底板先行铺设混凝土，将底板整理平整；

C.通过输送管路将加工好的混凝土浆料经构筑袋上部注料口灌入构筑带内。混凝土 采用添加速凝剂的速凝混凝土，通过调整速凝剂的含量保证混凝土凝固时间在6～8小时之 内；通过调整混凝土内膨胀剂的含量，确保混凝土凝固时，墩柱有3～5％的膨胀率；墩柱 构筑要紧跟工作面推进进行，具体要求墩柱距离工作面液压支架尾端的距离不得大于5m； 当构筑的墩柱超过某一个联络巷后，及时在该联络中建造密封墙将联络巷封闭；

D.墩柱中心距离区段煤柱边缘的距离为0.2～1.0m，具体根据顶底板情况确定；相邻 两个墩柱之间的中心距离为5～20m，具体通过监测墩柱的压力变化进行调整；

E.墩柱压力变化通过压力盒进行测量，当需要监测某一墩柱的压力时，需要在墩柱 构筑位置底板先行铺设混凝土，然后将压力盒预先埋设在靠近墩柱中心的位置；通过压力 盒的电信号转变可以直接读取墩柱压力，可通过电缆将监视器布置在下工作面巷道内，这 样可以实时安全的监测墩柱压力；监测时，当压力数值出现大幅度的降低时，如压力降低 大于50％，表明墩柱已经破坏，在后续作业中可以适当减小墩柱间距；若墩柱压力一直处 于上升或保持不变，表明墩柱处于稳定状态，后续墩柱构筑作业中可以适当增大墩柱间距； 通过多次调整，可以确定墩柱的合理间距：既保证墩柱不会发生破坏，又使相邻两墩柱之 间的距离最大，减小经济投入。

下面将结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

一、一种强力顶板支护墩柱：

在图1～4中给出了本发明一种强力顶板支护墩柱的结构。它由墩柱成型结构的内袋1、 外袋2、底座袋3和铸铁底座5，增加墩柱强度的圆形钢箍4，(以上组合体简称为“构筑 袋”)，高度调整吊带8和固定吊钩7，袋内充填材料构成。

内袋1、外袋2、底座袋3由强力帆布制作；内袋为圆柱状，上下封口，内袋直径 D＝(0.2～0.3)h，但不小于0.4m，内袋高度H比巷道高度h小0.2～0.3m。外袋为圆筒状， 上封口，下不封口，直径比内袋大2～4cm，高度与内袋相同；在内袋与外袋之间每间隔 0.2～0.3m布置圆形钢箍4，通过钢箍上下的缝合线6固定高度，所谓缝合线是沿构筑带周 向将内袋和外袋连接在一起的尼龙线；内袋和外袋在顶部，注料口9上方也缝合。在内袋 底部设有铸铁底座5，底座内径与内袋直径相同，并与内袋底部粘结，通过底座袋3将铸 铁底座5包裹缝合在内袋底部。内袋顶部设置6个直径3cm的圆形通气孔11，通气孔供 充填混凝土时排除袋内空气。在外袋顶部等间距布置4个钢制吊钩7，吊钩通过高度可以 调整的吊带8与外袋相连，供充填前将构筑带吊在顶板钢筋网下。在巷道顶板与充填带顶 部设有方木10，方木厚度0.2～0.3m。圆形钢箍4由厚度2～3mm的钢带制作，钢带宽4～6cm， 焊接成圆形，直径与内袋直径相同，并通过缝合线固定在内袋和外袋之间。构筑袋上部外 壁上有注料口9，注料口为圆柱状，直径0.2m。

一种强力顶板支护墩柱的充填料为混凝土，根据强度要求调整混凝土中石子、黄沙和 水泥的配比。混凝土添加速凝剂和膨胀剂，通过调整速凝剂和膨胀剂的含量保证混凝土凝 固时间在6～8小时之内，混凝土凝固时构筑的墩柱有3～5％的膨胀率。混凝土充填时需提 供3～5MPa的充填压力，在充填时确保方木完全接触顶板，这样可以给顶板提供3～5MPa 的初始支撑力。

二.一种强力顶板支护墩柱用于保护区段煤柱的方法

本方法是随工作面推进在工作面后方构筑强力顶板支护墩柱用作增加顶板支护强度， 保护工作面区段煤柱的方法。

图5～6中示出强力墩柱随工作面推进，在工作面后方构筑用于保护区段煤柱的支护情 况。

本例是把本工作面的辅运输巷与下一工作面运输巷之间的区段煤柱作为保护对象。图 中示出了靠近本工作面巷道附近的墩柱布置情况，箭头为工作面推进方向，工作面12在 前，采空区17在后，中间为液压支架16，本工作面辅运巷13与下工作面运输巷15之间 为区段煤柱14，区段煤柱煤间隔50m布置联络巷19，将两巷道连通。对于采用双巷同时 掘进的工作面，本工作面辅运巷和下工作面运输巷同时掘进，在巷道掘进期间已布置联络 巷；而对于单巷掘进(本工作面辅运巷和下工作面运输巷分别单独掘进)的工作面，在两 条巷道掘进完成后，需要从工作面开切眼位置向工作面推进方向每间隔50m布置联络巷。 联络巷19宽度3～4m，高度与回采巷道高度相同。

一种强力顶板支护墩柱随回采工作面推进构筑的具体方法如下：

A.在工作面后方，由下工作面运输巷15经联络巷19将构筑袋运至本工作面辅运巷 13；用吊钩7将构筑带悬挂到辅运巷顶板21的钢筋网上，在构筑带顶板放置4根方木10， 调整吊钩下方吊带8的高度，使构筑带底部刚好接触底板22、构筑袋与底板保持垂直； 若墩柱构筑区域底板不平整，可在底板先行铺设混凝土，将底板整理平整。

B.通过输送管路经构筑袋上部注料口9将混凝土浆料灌入构筑带内。墩柱构筑要紧 跟工作面推进进行，具体要求墩柱距离工作面液压支架16尾端的距离不得大于5m。当构 筑的墩柱超过某一个联络巷后，及时在联络19中建造密封墙20将联络巷封闭。

C.混凝土可以在井上加工运至输送地点通过矿用混凝土输送泵进行输送，也可以在 运输巷内加工进行输送。要求选用的混凝土输送泵的输送能力要能满足墩柱的构筑速度， 混凝土输送压力不小于5MPa，如HBMD30/13-90S型矿用混凝土输送泵。

D.墩柱中心距离区段煤柱边缘的距离为0.2～1.0m，具体根据顶板和底板情况确定位 置。相邻两个墩柱之间的中心距离L为5～20m，具体通过监测墩柱的压力变化进行调整。

E.墩柱压力变化通过压力盒进行测量，如GH型振弦式压力盒。当需要监测某一墩柱 的压力时，需要在墩柱构筑位置底板先行铺设混凝土，然后将压力盒预先埋设在靠近墩柱 中心的位置；通过电信号转变可以直接读取墩柱压力，通过电缆将监视器布置在下工作面 运输巷内，这样可以实时安全的监测墩柱压力。监测时，当压力数值出现大幅度的降低时， 如压力降低大于50％，表明墩柱已经破坏，在后续作业中可以适当减小墩柱间距L；若墩 柱压力一直处于上升或保持不变，表明墩柱处于稳定状态，后续墩柱构筑作业中可以适当 增大墩柱间距L；通过多次调整，可以确定墩柱的合理间距：既保证墩柱不会发生破坏， 又使墩柱之间的距离最大，从而达到减小经济投入的效果。