1.本发明属于煤矿巷道支护领域，具体涉及一种用于沿空留巷动压区加强支护的支护结构和支护方式，以及监测加强主动支护效果的顶板离层无损智能监测装置及方法。
背景技术：
2.沿空留巷是指采煤工作面后沿采空区边缘维护原回采巷道。为了回收传统
采矿方式中留设的保安煤柱。采用一定的技术手段将上一区段的巷道重新支护留给下一个区段使用，一般采用对顶板沿切顶线打眼爆破的方法，使顶板垮落下来，形成巷道的另一帮。采用沿空留巷可以减少巷道掘进量，工作面采掘比可以降低50％，缓解接续紧张，改善矿井通风状况，变通风方式由u型通风变为y型通风，解决工作面上隅角瓦斯积聚与超限的问题；去掉区段煤柱，可以提高煤炭资源采出率，节约煤炭资源，具有巨大的经济效益和社会效益，沿空留巷是我国煤炭绿色、环保、节能及智能开采的重要发展方向。
3.在巷道掘进过程中，包括沿空留巷中,最大的隐患就是顶板直接顶(一般为泥岩)和老顶(一般为砂岩)的离层，严重的会发生冒顶事故。为了防止冒顶事故的发生，目前煤矿上主要采用顶板离层仪来监测，在现场测试中，顶板离层仪是将顶板孔内多个固定装置随岩层变化的值通过测量钢丝绳反映到设在顶板表面的测读数装置上，通过顶板不同层位的位移差，判断出巷道顶板的稳定性和巷道的支护效果。在整个过程中，首先向顶板打眼深度8m以上，而且设备不能回收。
4.工作面超前加强支护是指回采工作面前方两侧20m内的巷道，由于顶板支承压力的作用，巷道顶板压力大，变形比较大，需要在巷道正常支护的基础上，对这至少20m的巷道增加一些支护结构，提供巷道的安全性。
5.正常的巷道支护一般采用锚网支护，常规的超前加强支护是在以上正常支护基础上，在工作面前方20m范围增加单体柱配合π型梁架棚支护，一梁四柱，排距0.8，这种棚式加强支护属于被动支护，因为只有顶板发生下沉后，支护结构才能起到支护作用，但这时顶板已经发生变形，整体性变差了，存在着顶板冒落的隐患。这种加强支护结构，随着工作面不断开采，工作面前方两侧20m内的巷道的棚式支护要不断向前移动，搬家。棚式支架结构不但影响了巷道作业空间，而且增加了工人的劳动强度，而且棚式支护属于被动支护，支护性能差。对于沿空留巷的超前支护，效果更差，由于受采动影响沿空留巷动压承载区矿压显现明显，巷道超前支护区顶板整体下沉、底鼓、巷帮外鼓，造成架棚段出现断梁折柱情况，成巷稳定区加固棚梁无法正常拆除复用，制约沿空留巷施工效率，影响了煤炭资源的高效安全开采。
6.在巷道中增加超大直径的锚索支护属于主动支护，因为锚索安装时，用张拉机进行张拉，然后用锁具锁紧，使顶板岩层中产生被压紧的预应力，也就是在顶板变形前，锚索结构就已经起到了主动支护的作用，所以支护效果好。
7.在常规的工作面有采用增加锚索主动支护代替棚式支架的案例和文献，但是对于沿空留巷超前支护段的特殊性，还没有案例。对于监测沿空留巷动压区加强主动支护效果
的顶板离层无损监测装置还没有相关成果。
8.综上所述，需要研发一种沿空留巷动压区加强主动支护方法及监测支护效果的顶板离层无损监测装置。采用合理的支护结构、支护方式以及监测方法，配合合理的施工方法，既能保证沿空留巷采动影响超前支护区域的巷道顶板不垮落，作业区域安全，又能节约超前支护区工人劳动强度，提高巷道利用空间，保障智能回采工作面高效安全回采。
技术实现要素：
9.本发明主要针对以上问题，研发一种沿空留巷锚网索支护巷道采动影响区超大直径锚索叠加超前主动支护技术及顶板离层无损监测装置。
10.本发明适合的巷道断面宽4600mm，巷道高3000mm。
11.本发明首先对原巷道进行正常锚网支护，以缩短准备时间，保证采煤效率，锚杆长度2200mm，直径20mm，间距800mm，排距800mm，每排6根锚杆；锚索直径18.9mm，长度6300mm，间距1600mm，排距800mm，采用2-1-2布置，每排布置2根或1根。
12.其次，沿空留巷锚网索支护巷道采动影响区超大直径锚索叠加超前主动支护方法：在工作面前方沿空留巷20m的超前支护段提前在原巷道锚杆、锚索支护基础上增加超大直径锚索与原支护结构形成主动叠加支护结构，不再采用棚式支架。
13.超大直径锚索参数：超大直径锚索直径28.6mm，靠近切顶线的锚索长度11300mm，其它锚索长9300mm。
14.超大直径锚索布置方式为：4-3-4布置，每排4根或3根，具体与原支护中的锚索位置搭配，既原支护中每排布置1根普通锚索时，增加4根超大直径锚索；原支护中每排布置2根普通锚索时，增加3根超大直径锚索。最终原支护结构和增加超大直径锚索后，锚索的间距为800mm，排距为800mm，既每排普通锚索和超大直径锚索共5根锚索，形成主动叠加支护结构。
15.施工方式：随着工作面开采，工作面前方20m内的巷道顶板超前增加超大直径锚索，保证工作面超前20m内沿空留巷段的安全。
16.此方法适合沿空留巷锚网索支护的巷道超前支护，适合巷道断面宽4600mm，巷道高3000mm，原巷道顶板锚杆间距800mm，排距800m，每排6根锚杆，普通锚索间距1600mm，排距800mm，采用2-1-2布置，每排布置2根或1根的支护形式。
17.在以上加强支护的基础上，本发明还提出一种巷道顶板离层无损监测装置及方法，采用无损监测的方法，将应力波监测接收器挂在顶板锚杆或锚索上，应力波监测接收器紧贴顶板岩石，应力波监测接收器的开关挂在两帮锚杆上，应力波监测接收器电源5v，在井下使用安全。需要监测时，人工把开关打开，然后用一根长的撞击杆撞击顶板，在顶板产生的应力波一部分会被应力波监测接收器接收，一部分向上传播，遇到顶板离层岩层时，会发生反射，反射的应力波又被应力波监测接收器接受。由于应力波在岩层中的传播速度是一定的，所以应力波监测接收器会根据两次接收到的应力波的时间差，以及应力波的波速计算顶板离层的距离。应力波在岩层中传播时，波速为：
[0018][0019]
σ-应力波在岩层中传播的动应力，与撞击杆撞击顶板的力度有关，离层无损监测
的接收器可以识别，单位mpa；
[0020]
ρ-顶板岩石密度，通过取岩样，在试验室做实验测试，一般2600kg/m3；
[0021]vp-岩石质点震动速度；与撞击杆撞击顶板的力度有关，离层无损监测的接收器可以识别，单位m/s；
[0022]
离层区距离顶板的距离
[0023]
t为接收器接收到的发射时间和接受反射波的时间差。
[0024]
该装置布置在沿空留巷加强主动支护区，可以10m布置1台设备，随工作面开采，该设备可以方便拆卸，重复使用。
[0025]
与现有技术相比，本发明采用合理的支护结构、支护方式和监测装置，配合合理的施工方法，既能保证沿空留巷采动影响超前支护区域的巷道顶板不垮落，作业区域安全，又能节约超前支护区工人劳动强度，提高巷道利用空间，保障智能回采工作面高效安全回采。
[0026]
本发明提供的巷道顶板离层无损监测装置方便、智能，可以重复使用，不用在顶板进行打钻孔。
附图说明
[0027]
图1为回采工作面平面示意图，其中1—煤层；3—运输平巷；4—回风平巷；5-切顶线；6—切顶后顶板垮落形成巷道一帮；7—实体煤帮；
[0028]
图2为回采工作面剖面示意图，其中1—煤层；2—顶板；3—运输平巷；4—回风平巷；5-切顶线；6—切顶后顶板垮落形成巷道一帮；7—实体煤帮；8—锚杆；9—锚索托盘；10—普通锚索；11—第一超大直径锚索；12—第二超大直径锚索；图3为离层无损监测装置安装结构示意图，其中13—应力波监测接收器；14—显示器；15—数据线；16—撞击杆。
具体实施方式
[0029]
实施例1
[0030]
沿空留巷动压区主动支护方法，本方法在工作面前方沿空留巷20m的超前支护段提前在原巷道锚杆、锚索支护基础上增加超大直径锚索与原支护结构形成主动叠加支护结构。
[0031]
每次施工时工作面前方沿空留巷大于20m的位置开始施工，用锚索钻机向顶板2打眼，钻头直径35mm，深度为11000mm、9000mm，用锚索钻机用锚索把3根树脂药卷送入钻孔底部，搅拌，一个小时以后，锚索外面套上托盘和锁具，用张拉机对锚索进行张拉，安装完毕。超大直径锚索的安装位置始终超前工作面20m以外。超大直径锚索布置方式为：4-3-4布置，每排4根或3根，具体与原支护中的锚索位置搭配，既原支护中每排布置1根普通锚索10时，增加4根超大直径锚索；原支护中每排布置2根普通锚索10时，增加3根超大直径锚索。靠近切顶线的超大直径锚索为第一超大直径锚索11，长度11300mm，其它超大直径锚索为第二超大直径锚索12，长9300mm。最终原支护结构和增加超大直径锚索后，锚索的间距为800mm，排距为800mm，既每排普通锚索10和超大直径锚索共5根锚索，形成主动叠加支护结构。
[0032]
该方法适用条件为：沿空留巷锚网索支护的巷道超前支护，适合巷道断面宽4600mm，巷道高3000mm，原巷道顶板锚杆间距800mm，排距800m，每排6根锚杆，普通锚索10间
距1600mm，排距800mm，采用2-1-2布置，每排布置2根或1根的支护形式。
[0033]
本发明还提供了一种巷道顶板离层无损监测装置及方法，采用无损监测的方法，将应力波监测接收器14挂在顶板锚杆或锚索上，应力波监测接收器14紧贴顶板岩石，应力波监测接收器14通过数据线15与显示器13连接，显示器13挂在两帮锚杆上。开关设在显示器13上，应力波监测接收器14的电源5v，在井下使用安全。需要监测时，人工把开关打开，然后用一根长的撞击杆16撞击顶板，在顶板产生的应力波一部分会被应力波监测接收器14接受，一部分向上传播，遇到顶板离层岩层时，会发生反射，反射的应力波又被应力波监测接收器14接受。由于应力波在岩层中的传播速度是一定的，所以接受器会根据两次接收到的应力波的时间差，以及应力波的波速计算顶板离层的距离，并通过数据线15传输到显示器14上显示。
[0034]
应力波在岩层中传播时，波速为：
[0035][0036]
σ-应力波在岩层中传播的动应力，与撞击杆撞击顶板的力度有关，离层无损监测的接收器可以识别，单位mpa；
[0037]
ρ-顶板岩石密度，通过取岩样，在试验室做实验测试，一般2600kg/m3；
[0038]vp-岩石质点震动速度；与撞击杆撞击顶板的力度有关，离层无损监测的接收器可以识别，单位m/s；
[0039]
离层区距离顶板的距离t为接收器接收到的发射时间和接受反射波的时间差(显示器14显示离层距离，无离层显示为0)。
[0040]
这种设备方便、智能，可以重复使用，不用在顶板进行打钻孔，可广泛用于巷道的监测，同时用于对本发明沿空留巷锚网索支护巷道采动影响区超大直径锚索叠加超前主动支护技术的测试，也显示出本发明支护取得了良好的支护效果。技术特征：
1.沿空留巷动压区主动支护方法，其特征在于：所述支护方法用于沿空留巷锚网索支护的巷道超前支护，所述巷道断面宽4600mm，巷道高3000mm，原巷道顶板锚杆长度2200mm，直径20mm，间距800mm，排距800m，每排6根锚杆，锚索直径18.9mm，长度6300mm，间距1600mm，排距800mm，采用2-1-2，每排布置2根或1根的支护形式，所述支护方法为，在工作面前方沿空留巷20m的超前支护段提前增加超大直径锚索与原支护结构形成主动叠加支护结构。2.根据权利要求1所述的支护方法，其特征在于：超大直径锚索布置方式为4-3-4布置，每排4根或3根，与原支护中的锚索位置搭配，原支护中每排布置1根普通锚索时，增加4根超大直径锚索；原支护中每排布置2根普通锚索时，增加3根超大直径锚索，原支护结构和增加超大直径锚索后，锚索的间距为800mm，排距为800mm，每排普通锚索和超大直径锚索共5根锚索，形成主动叠加支护结构。3.根据权利要求1所述的支护方法，其特征在于：靠近切顶线的超大直径锚索为第一超大直径锚索，长度11300mm，其它超大直径锚索为第二超大直径锚索，长9300mm。4.根据权利要求1所述的支护方法，其特征在于：在施工时，随着工作面开采，工作面前方20m内的巷道顶板超前增加超大直径锚索，保证工作面超前20m内沿空留巷段的安全。5.巷道顶板离层无损监测装置，其特征在于：所述监测装置包括应力波监测接收器，应力波监测接收器紧贴顶板岩石，应力波监测接收器通过数据线与显示器连接，显示器挂在两帮锚杆上。6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于：所述应力波监测接收器挂在顶板锚杆或锚索上，应力波监测接收器的电源为5v，应力波监测接收器的开关在显示器上。7.根据权利要求5或6任一所述的监测装置，其特征在于：所述监测方法为，需要监测时，打开应力波监测接收器，然后用撞击杆撞击顶板，在顶板产生的应力波，应力波监测接收器根据数据计算顶板离层的距离。8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于：离层区距离顶板的距离为l，t为接收器接收到的发射时间和接受反射波的时间差。c
p
为应力波在岩层中传播时的波速：σ-应力波在岩层中传播的动应力，应力波监测接收器可以识别，单位mpa；ρ-顶板岩石密度，为2600kg/m3；v
p-岩石质点震动速度，应力波监测接收器可以识别，单位m/s。
技术总结
本发明公开了一种沿空留巷动压区加强主动支护方法及监测支护效果的顶板离层无损监测装置，在工作面前方沿空留巷20m的超前支护段提前增加超大直径锚索与原支护中的锚索位置搭配，形成主动叠加支护结构，既能保证沿空留巷采动影响超前支护区域的巷道顶板不垮落，作业区域安全，又能节约超前支护区工人劳动强度，提高巷道利用空间，保障智能回采工作面高效安全回采。巷道顶板离层无损监测装置及方法，采用无损监测的方法，将应力波监测接收器紧贴顶板岩石，用撞击杆撞击顶板，在顶板产生的应力波，根据两次接收到的应力波的时间差，以及应力波的波速计算顶板离层的距离，监测装置方便、智能，可以重复使用，不用在顶板进行打钻孔。钻孔。钻孔。
技术研发人员：徐学锋 蒋恒 代星军 曹庆华 兰树员 盖文玲 杨月飞 陈慧明 赵红涛 李宝富 赵士奎 徐付军 王玉新 胡佃波 张华伟 孙志强 陈涛 刘广伟 汪超 巩志力 王重阳 张杰
受保护的技术使用者：河南龙宇能源股份有限公司
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/5
声明：
“沿空留巷动压区主动支护方法及顶板离层无损监测装置与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：河南龙宇能源股份有限公司
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2024年12月27日 ~ 29日 
