一种用于沿空巷道顶板的非对称锚梁结构及其支护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及采矿领域，尤其涉及一种用于沿空巷道顶板的非对称锚梁结构及其支 护方法。
【背景技术】
[0002] 沿空掘巷是在上区段工作面采空区覆岩运动终止后沿采空区边缘掘进巷道，用作 下区段工作面通风、运料或运输通道，具有提高煤炭资源回收率、缩短巷道掘进准备时间、 延长矿井生产服务年限等诸多优势，成为我国最为常用的回采巷道开掘方式。
[0003] 大规模的沿空掘巷工程实践清楚表明：沿空巷道顶板的围岩性质结构、受采动影 响程度、矿山压力分布和显现等沿巷道中心轴两侧存在明显的不对称性，这种不对称性在 窄煤柱沿空掘巷的条件下尤为明显和突出。这种不对称性现象，一方面是由于沿空巷道上 方基本顶断裂、回转、失稳等力学行为对直接顶的影响程度、影响范围和影响周期不同，造 成了煤柱帮侧和实体煤帮侧顶板支承压力分布特征的差异性；另一方面是由于沿空巷道两 帮围岩结构、应力赋存状态的差异，沿空掘巷一侧是煤柱帮，一侧是实体煤帮，沿空掘巷时 煤柱实际上已经遭到严重破坏，不仅对顶板支承作用有限，变相增大了巷道的实际跨度，增 大了煤柱帮侧顶板的不稳定性和敏感程度，而实体煤帮仍具有相当程度的承载能力，对顶 板支撑作用较好。
[0004] 沿空巷道两侧支承压力分布和围岩性质结构的差异性导致了沿巷道中心轴两侧 不对称矿压的显现，即煤柱侧顶板首先发生离层、扩容等变形，破坏围岩整体性，形成许多 松散破碎的小岩块，煤柱帮与顶板交界处亦会形成大范围破碎，在支护不利情况下发生冒 落，而实体煤帮侧顶板及顶帮交界区域矿压显现则相对缓和。在这种情况下，在沿空巷道 顶板中采用常规的全断面等强对称支护形式难以适应顶板的非对称变形，无法保证巷道稳 定，必须采用符合顶板不对称规律要求的支护系统。
[0005] 上世纪60年代中期，澳大利亚矿山首次使用锚索进行岩体加固，1996年小孔径预 应力锚索在我国煤矿回采巷道试验并获得成功，由于锚索支护具有预紧力大、承载能力高、 安装简便等优点，如今锚索支护已经成为各类煤矿巷道的主要支护形式。锚索多与W型钢 带、槽钢配合使用作为煤矿巷道的加强支护，通过钢带、槽钢的支护能够起到很好的控顶作 用。但在窄煤柱沿空掘巷条件下，即便在相邻采空区覆岩运动稳定后掘进巷道，巷道上位岩 层会存在相当程度的水平运动；部分沿空巷道在上区段工作面采空区覆岩运动尚未完全结 束时掘进，甚至出现迎采面掘进的现象，上位岩层水平运动更加剧烈。在岩层水平运动作用 下，巷道顶板围岩会形成沿巷道走向延伸的挤压破碎带，常规的锚索W钢带组合结构会因 顶板水平挤压运动出现W钢带向下严重弯曲并导致结构永久失效，锚索槽钢组合结构亦会 因顶板水平挤压运动出现槽钢沿走向撕裂现象，W型钢带、槽钢失效后大大减弱由其产生承 载力，而且还会对锚索本身产生破坏，使得锚索支护质量大幅度降低。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于沿空巷道顶 板的非对称锚梁结构及其支护方法，可有效解决上述沿空巷道顶板矿压显现不对称及常规 锚索复合结构因水平挤压，其连接部件失效的问题。
[0007] 为实现本发明的上述目的，本发明一方面提供一种沿空巷道顶板的支护方法，包 括在沿空巷道顶板上布置多个连续的非对称锚梁结构，
[0008] 所述非对称锚梁结构包括托梁装置及固定连接在所述托梁装置上的多根锚索；
[0009] 所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
[0010] 所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体煤帮侧 的分布密度；
[0011] 在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到托梁装置 实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
[0012] 其中，所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。
[0013] 其中，所述托梁装置煤柱帮侧为托梁装置靠近巷道煤柱帮的一侧，所述托梁装置 实体煤帮侧为托梁装置靠近巷道实体煤帮的一侧。
[0014] 其中，所述托梁装置包括：圈梁结构和固定在所述圈梁结构上的用于连接锚索的 锚索连接板。
[0015] 其中，所述圈梁结构包括圈内梁和圈外梁，所述圈内梁嵌入圈外梁的内部，并与其 固定连接。
[0016] 特别是，所述圈内梁和圈外梁由长钢筋弯曲后头尾进行线性接触并固定连接而 成，并沿宽度方向呈对称布置。
[0017] 其中，所述锚索连接板包括用于斜拉锚索的斜拉板和用于直拉锚索的直拉板，所 述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述直拉板上设有圆形锚索孔。
[0018] 特别是，所述锚索连接板和加固板与圈梁结构采用冲压包裹连接。
[0019] 其中，所述锚索通过托板和锁紧器固定在所述锚索连接板上。
[0020] 其中，所述托梁装置还包括用于加固圈梁结构的加固板，所述加固板位于所述锚 索连接板之间，用于减少托梁跨度，增强结构稳定性。
[0021] 需要说明的是，锚索通过锚索连接板与托梁装置连接，相比传统的钢筋梯子梁结 构，其接触面积更大，连接更为稳固；尤其是以冲压包裹方式连接时，锚索连接板与圈内梁 和圈外梁的三面接触，接触面积更大，当通过锁紧器对锚索施加预应力时，随着垂直方向上 压力的增长，锚索连接板与托梁装置间的水平摩擦力大幅度提升，使得所述锚索连接板与 托梁装置不易沿水平方向滑动。
[0022] 需要进一步说明的是，穿过所述矩形半圆锚索孔的锚索与所述矩形半圆锚索孔的 外边缘接触，当沿空巷道顶板运动以水平运动为主时，为锚索预留出水平运动的空间；当沿 空巷道顶板运动以垂直运动为主时，锚索与矩形半圆锚索孔的半圆形过渡接触，能有效抑 制顶板下沉所引起的应力集中对结构造成的破坏，如W型钢带，因顶板水平挤压运动出现 撕裂，甚至失效的问题。
[0023] 本发明另一方面提供一种实现所述支护方法的非对称锚梁结构，包括：
[0024] 托梁装置；
[0025] 固定连接所述托梁装置的多根锚索；其中，
[0026] 所述托梁装置上设有多个锚索孔，用于所述多根锚索穿过；
[0027] 所述多个锚索孔在托梁装置煤柱帮侧的分布密度大于其在托梁装置实体煤帮侧 的分布密度；
[0028] 在支护时，通过使固定到托梁装置煤柱帮侧上的锚索的数量大于固定到托梁装置 实体煤帮侧的锚索的数量，形成对沿空巷道顶板的不对称支护；
[0029] 所述锚索孔包括矩形半圆锚索孔和圆形锚索孔。
[0030] 其中，所述托梁装置煤柱帮侧为托梁装置靠近巷道煤柱帮的一侧，所述托梁装置 实体煤帮侧为托梁装置靠近巷道实体煤帮的一侧。
[0031] 其中，所述托梁装置包括：圈梁结构和固定在所述圈梁结构上的用于连接锚索的 锚索连接板。
[0032] 其中，所述圈梁结构包括圈内梁和圈外梁，所述圈内梁嵌入圈外梁的内部，并与其 线性固定连接。
[0033] 特别是，所述圈内梁和圈外梁由长钢筋弯曲后头尾固定连接而成，并沿宽度方向 呈对称布置。
[0034] 其中，所述锚索连接板包括用于斜拉锚索的斜拉板和用于直拉锚索的直拉板，所 述斜拉板上设有矩形半圆锚索孔，所述直拉板上设有圆形锚索孔。
[0035] 其中，所述托梁装置还包括用于加固圈梁结构的加固板，所述加固板位于所述锚 索连接板之间，用于减少托梁跨度，增强结构稳定性。
[0036] 特别是，所述锚索连接板和加固板与圈梁结构采用冲压包裹连接。
[0037] 其中，所述锚索通过托板和锁紧器与所述锚索连接板固定连接。
[0038] 本发明的有益效果体现在以下方面：
[0039] 1)采用非对称锚梁结构进行沿空巷道顶板支护，使相对薄弱的煤柱侧顶板的锚 索支护密度大于实体煤侧支护密度，更有针对性的稳定围岩结构，从而解决了现有的沿空 巷道顶板所存在的因围岩性质结构、受采动影响程度不同造成的矿山显现不对称的技术问 题；
[0040] 2)本发明所述托梁装置上设有矩形半圆形锚索孔，有利于沿空巷道顶板运动以 水平运动为主时，为锚索预留出水平运动的空间，避免锚索复合结构因围岩水平运动而失 效；
[0041] 3)本发明所述托梁装置上设有矩形半圆形锚索孔，其半圆形与锚索过渡接触，能 有效抑制沿空巷道顶板运动以垂直运动为主时，顶板下沉所引起的应力集中对结构造成的 破坏。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明所述非对称锚梁结构用于沿空巷道顶板支护的示意图；
[0043] 图2是本发明所述非对称钢筋托梁装置的示意图；
[0044] 图3是图1的俯视图；