人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法.pdf

本发明公开了一种人工调控回采巷道支护围岩复合层消能减震特性防治冲击地压的方法，在回采巷道形成后先用固有频率远离冲击地压振动频率的高强度金属支架对巷道表面进行支护，在金属支架与巷道围岩支架间填充缓冲减震层，采用深孔钻孔和深孔分段间隙毫秒爆破技术形成消能减震层，利用测振传感器和监测分析仪器检测支护围岩复合层的消能减震效果，对金属支架的支护半径及相互间距、缓冲减震层和消能减震层的厚度等工艺参数进行人工优化调控，以实现最佳消能减震效果，达到防治冲击地压的目的，有效避免因冲击地压和矿震引起的煤矿生产安全事故。

权利要求书

人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法
技术领域
本发明涉及煤矿采矿巷道支护，具体为一种通过人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法，特别适用于深部冲击地压煤矿的采区巷道。
背景技术
随着我国能源需求量的增加和开采强度的不断加大，未来几年大部分矿井将进入深部开采阶段。在深部条件下，冲击地压发生的频率和强度会增加，容易造成巷道支护破坏、垮塌及人员伤亡事故，严重影响煤矿的安全生产。因此，针对深部工作面回采巷道冲击地压的防治成为我国深部煤炭安全高效开采亟需解决的课题。
目前，对于冲击地压的防治主要采取区域性防范、局部解危措施和加强支护三种办法。
区域性防范，主要包括采区合理布置，开采保护层（在一个煤层群中，先开采一个煤层，使临近煤层得到一定时间内的卸裁，先开采的煤层对邻近煤层起到保护作用，称之为解放层），煤层注水等。这种方法主要是通过降低应力集中程度，降低开采煤层的冲击倾向性来防治冲击地压。对于深部开采，因地质条件及巷道围岩的应力状态十分复杂，无合适的解放层；同时深部的地应力和构造应力较大，采取这类区域性防范，其效果往往不理想。
局部解危措施，包括钻孔卸压和爆破卸压等方法。钻孔卸压是在煤层中打一定数量的钻孔，利用钻孔周围形成的破碎区的贯通作用使煤层破裂、卸压，达到消除或减缓冲击地压的目的。爆破卸压是对具有冲击地压危险的局部区域，用爆破的方法使煤层破裂、卸压，减缓其应力集中程度。这种方法是通过改变煤层应力场分布，减小巷道围岩附近的应力集中程度，但煤层压力并未减小，只是向煤层深部转移。因而不能从根本上解决冲击地压问题。
加强支护的办法，是将传统的锚杆、锚索、注浆、锚网喷、锚注、钢拱架等支护中的一种或几种联合使用，以提高围岩结构体的支架强度，控制巷道围岩的变形，提升抵御高原岩应力的承载能力。由于深部开采过程冲击地压产生的强冲击动载荷常常超出这些支护的强度极限，使其不能有效避免支架及巷道被破坏的危险发生；同时，这种方法还存在支护设备重，安装运输比较困难，工人劳动强度大等缺陷。
针对深部开采，煤岩的动力现象往往会释放大量冲击能量，这些能量以冲击波的形式通过介质传播到支架上，对其产生强烈的冲击破坏性。对于冲击地压产生的这种冲击波能量，只有通过增大冲击波传播过程中的能量损耗，才能降低其对巷道表面围岩与支架的破坏性。而上述三种防治方法，理论上都是以冲击地压发生条件为依据，没有从冲击地压发生过程中耗能减震角度来考虑，故其均存在局限性，无法使深部开采发生的巨大冲击能量向巷道空间释放过程中被吸收或损耗，导致支护结构经常会因无法抵抗如此巨大的冲击力而失稳、破坏。因此，以上三种防治方法均不能解决深部开采中的冲击地压问题。
从耗能减震角度考虑的吸能支护装置，目前主要用于软岩巷道或人防洞室等永久性支护。这类装置一般由钢筋混凝土支护层与强度较低的弹性吸能材料构成，采取一次成型，维修困难，且不可重复使用。其原理是利用吸能材料的柔软大变形特点，提供变形空间与防水功能。而对于支护时间较短、支护阻力较大、需抵抗高速强力冲击载荷的冲击地压回采巷道，这种结构的吸能支护装置因不能满足技术要求，不适用。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题和缺陷，为冲击地压回采巷道提供一种通过人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法，使冲击地压得到有效控制，减少冲击地压引起的安全事故。
为实现上述目的，本发明提供的人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法，包括以下步骤：
步骤一：在工作面回采巷道形成后先用固有频率远离冲击地压振动频率的高强度金属支架对巷道表面进行支护，在金属支架与巷道围岩支架间填充由高强度减震材料构成的缓冲减震层；
步骤二：向巷道围岩中钻爆破孔，孔的密度及分布位置根据所需破碎煤岩的范围确定，孔的直径和深度根据巷道围岩消能减震要求确定；
步骤三：在爆破孔中放置炸药，炸药由间隔段分段设置，每段炸药与爆破孔的孔壁间留有间隙，炸药与导爆管相接；
步骤四：采取分段间隔毫秒爆破技术对煤岩进行破碎，形成一定厚度的消能减震层，与所述缓冲减震层一起构成围岩支护复合层；
步骤五：在围岩、消能减震层、缓冲减震层和金属支架处分别布置测振传感器，通过监测分析仪器对冲击地压、矿震和放炮等冲击载荷对支护的响应进行检测，确定围岩支护复合层的消能减震效果；
步骤六：通过人工调控金属支架的支护半径、金属支架相互间距、缓冲减震层厚度和消能减震层厚度工艺参数，使围岩支护复合层的消能减震效果达到最佳，其中调控缓冲减震层厚度可通过调节金属支架支护半径或扩充巷道半径来实现，调控消能减震层厚度可通过改变爆破孔的深度、密度和炸药量来实现；每次人工调控后，利用所述测振传感器和监测分析仪器对冲击地压、矿震和放炮等冲击载荷对支护的响应进行一次检测，确定调控后的围岩支护复合层的消能减震效果；最后优选出使围岩支护复合层消能减震效果最佳的工艺参数，依此工艺参数构筑可防冲击地压的巷道围岩支护结构。
所述缓冲减震层由纤维增强泡沫混凝土预制块构成。
本发明将传统的支护围岩结构通过人工优化调控，使其成为最佳耗能支护围岩结构，利用支护围岩复合层的塑性耗能、粘性耗能、惯性耗能、频散耗能和弹性吸能等特性，将冲击地压及矿震发生过程中产生的冲击波能量大部分被吸收和消耗掉，同时使其振动频率远离支架的固有频率，从而使传递到支护结构上的冲击破能量大大减小，且不发生共振现象，确保支护结构不被破坏，达到有效防治冲击地压的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用支护围岩复合层支护结构，并通过人工调控支护围岩复合层结构参数使其消能减震效果达到最佳，实现有效防治冲击地压，方法简单易行，对减少冲击地压引起的安全事故、提高回采巷道的安全性具有重大意义。
2、采取人工优化调控支护围岩复合层结构参数对冲击地压进行防治，不需增加消能减震元件，且支护材料可重复利用，支护结构成本低，施工容易，工人劳动强度小。
附图说明
图1为采用本发明方法构筑的回采巷道支护围岩复合层结构示意图（横向截面图）； 
图2为沿图1 A—A剖视图；
图3为图1中爆破孔的剖视图；
图中：1‑金属支架，2‑缓冲减震层，3‑消能减震层，4‑围岩，5‑爆破孔，6‑测振传感器，7‑炸药，8‑间隔段，9‑填充段，10‑导爆管，11‑孔壁。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
结合图1、图2和图3，本发明人工调控巷道围岩支护消能减震特性防治冲击地压的方法，按以下步骤操作：
步骤一：在工作面回采巷道形成后，先用固有频率远离冲击地压振动频率的高强度金属支架1对巷道表面进行支护（金属支架的固有频率可在地面通过实验测出），在金属支架1与巷道围岩支架间填充由纤维增强泡沫混凝土预制块构成的高强度减震材料，构成缓冲减震层2；
步骤二：向巷道围岩中钻爆破孔5，孔的密度及分布位置根据所需破碎煤岩的范围确定，孔的直径和深度根据巷道围岩消能减震要求确定；
步骤三：在爆破孔5中采用分段形式放置炸药7，每段炸药7之间由间隔段8隔开，每段炸药与爆破孔的孔壁间留有10 mm间隙，炸药7与导爆管10相接，孔端用填充段9封堵，间隔段8和填充段9采用黄泥制做；
步骤四：采取分段间隔毫秒爆破技术对煤岩进行破碎，形成一定厚度的消能减震层3，与所述缓冲减震层2一起构成围岩支护复合层；
步骤五：如图1所示，在围岩4、消能减震层3、缓冲减震层2和金属支架1处分别对称布置测振传感器6；利用测振传感器6，通过监测分析仪器对冲击地压、矿震和放炮等冲击载荷对支护的响应进行检测，确定围岩支护复合层的消能减震效果；
步骤六：如测得的围岩支护复合层消能减震效果达不到要求，则对金属支架1的支护半径、金属支架的相互间距、缓冲减震层2的厚度和消能减震层3的厚度（耗能半径）进行人工调控；其中调控缓冲减震层厚度可通过调节金属支架1的支护半径或通过扩充巷道的半径来实现，调控消能减震层厚度可通过改变爆破孔5的深度、密度和炸药量来实现；每次人工调控后，利用测振传感器和监测分析仪器对冲击地压、矿震和放炮等冲击载荷对支护的响应进行一次检测，确定每次调控后的围岩支护复合层的消能减震效果；最后优选出使围岩支护复合层消能减震效果最佳的工艺参数（此时的振动幅度应降低到安全指标），作为构筑防冲击地压的巷道围岩支护结构的施工依据，此时，振动幅度降低到安全指标。
本发明采用上述分段间隔毫秒爆破技术，一是可有效控制爆破冲击波，起爆体的炸药量决定了爆炸波的震动幅度和振动频率，采取分段间隔爆炸会使产生的振动波相互干扰，从而减轻对支架的冲击强度，且可控制震动频率远离支护的固有频率，避免产生共振，对支护体造成破坏；二是分段爆破可减少放炮次数，缩短放炮时间；三是炸药与孔壁之间留有间隙，可利用高温空气膨胀气楔作用，增加煤岩的破碎范围。