冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法与流程

1.本发明属于冲击地压矿井掘进工作面支护强度校核方法技术领域，具体涉及冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法。


背景技术：

2.冲击地压作为深部矿井煤炭开采面临的主要灾害之一，近几年在国内已愈演愈烈，对矿井、人员造成了不可估量的损失。冲击地压矿井巷道支护方式多种多样，主要以锚网索联合支护为主，但是支护参数各矿不尽相同，同时各矿井冲击地压发生的频率以及能量大小相差不一，且目前尚未有一种理论足以支撑冲击能量与支护强度之间的关系，因而对巷道支护抗冲击动载进行校核成为解决巷道抗冲击的主要研究方向。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法，以解决上述背景技术中提到的问题。
4.本发明所采用的技术方案是：冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法，具体按照以下步骤实施：
5.步骤1、确定冲击地压矿井掘进工作面断面形式；
6.步骤2、确定冲击地压矿井掘进工作面支护方式；
7.步骤3、确定支护材料的延展率和延展长度；
8.步骤4、根据矿井发生冲击地压的频率、能量大小以及评价报告的内容调整支护参数，并反复校验，至符合矿井实际需求。
9.本发明的特点还在于，
10.步骤3中支护材料包括锚杆和锚索。
11.步骤3中，根据支护材料的延展率及延展长度，并依据能量守恒定理，可以得出以下关系：
12.e1+e2+e3≥f
总
×
s1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.式中，e1为冲击地压能量，e2为巷道顶底板围的岩变形势能，e3为巷道两帮围岩的变形势能，f
总
为锚杆和锚索的总预应力，s1为锚杆和锚索中较小的延展长度。
14.根据如下公式确定不同安全系数下冲击能量与锚杆锚索的预紧力关系：
15.a(10
x
+a
×b×
l1×1×r×
l1×
9.8+l3×a×b×1×r×
9.8)≥(f1+f2)
×
s1ꢀꢀ
(2)
16.式中，a为安全系数，x为冲击能量次方，a为巷道宽度，b为巷道高度，l1为顶板锚索长度，l2为顶板锚杆长度，l3为帮部锚索/锚杆长度，r为煤层平均重力密度，f1为顶板锚索总预紧力，f2为顶板锚杆总预紧力，s1为顶板锚索、锚杆中较小的延展长度，s2为帮部锚索、锚杆中较小的延展长度。
17.公式2中根据矿井巷道支护强度与形式校验该区域可承载的最大冲击地压能量，确保巷道在发生该能量事件时围岩免遭破坏，锚杆索免遭断裂。
18.本发明的有益效果是：本发明冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法，过对冲击地压矿井掘进巷道支护形式、数量、参数等进行校验分析，可以得到该巷道抵抗最大冲击地压事件的能量大小，同时可以根据矿井冲击地压发生的频率、能量大小、区域、评价报告等参数，合理布置巷道支护参数，最终实现矿井安全高效掘进及使用。
具体实施方式
19.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
20.本发明提供了冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法，具体按照以下步骤实施：
21.步骤1、确定冲击地压矿井掘进工作面断面形式；
22.步骤2、确定冲击地压矿井掘进工作面支护方式；
23.步骤3、确定支护材料的延展率和延展长度；
24.步骤3中支护材料包括锚杆和锚索；
25.步骤3中，锚杆索巷道支护范围内发生冲击地压导致围岩变形，变形的极限为巷道密闭，而在此变形过程中，依据能量守恒定理，可以得出以下关系：
26.e1+e2+e3≥f
总
×
s1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
27.式中，e1为冲击地压能量，e2为巷道顶底板围的岩变形势能，e3为巷道两帮围岩的变形势能，f
总
为锚杆和锚索的总预应力，s1为锚杆和锚索中较小的延展长度；
28.步骤4、根据矿井发生冲击地压的频率、能量大小以及评价报告的内容调整支护参数，并反复校验，至符合矿井实际需求；
29.根据如下公式确定不同安全系数下冲击能量与锚杆锚索的预紧力关系：
30.a(10
x
+a
×b×
l1×1×r×
l1×
9.8+l3×a×b×1×r×
9.8)≥(f1+f2)
×
s1ꢀꢀ
(2)
31.式中，a为安全系数，x为冲击能量次方，a为巷道宽度，b为巷道高度，l1为顶板锚索长度，l2为顶板锚杆长度，l3为帮部锚索/锚杆长度，r为煤层平均重力密度，f1为顶板锚索总预紧力，f2为顶板锚杆总预紧力，s1为顶板锚索、锚杆中较小的延展长度，s2为帮部锚索、锚杆中较小的延展长度；
32.公式2得到不同安全系数下冲击能量与锚杆索的预紧力关系；
33.公式2中根据矿井巷道支护强度与形式校验该区域可承载的最大冲击地压能量，确保巷道在发生该能量事件时围岩免遭破坏，锚杆索免遭断裂。
34.实施例1
35.本发明提供了冲击地压矿井支护强度抗冲击动载的校核方法，步骤1、某煤矿401103回风巷掘进工作面断面形式，掘进断面为5400
×
3500mm；
36.步骤2、401103回风巷掘进工作面顶板锚索规格为间排距为1200
×
700mm、一排5索、预紧力为250kn；锚杆规格为间排距为700
×
700mm、一排8根、锚固力为100kn；
37.步骤3、顶板锚索延展率为5％；锚杆延展率为15％；
38.步骤4、顶板锚索延展长度为0.355m，锚杆，延展长度为0.375m；
39.步骤5、假设锚杆索巷道支护范围内发生冲击地压导致围岩变形，变形的极限为巷道密闭，而在此变形过程中，锚杆索的应力做功为锚杆索预紧力与延展长度的积，则基于能
量守恒定理，可以推断下列公示成立：
40.e1+e2+e3≥f
总
×
0.355
41.e
1-冲击地压能量；
42.e
2-巷道顶底板围岩变形势能；
43.e
3-巷道两帮围岩变形势能；
44.f
总-锚杆索总预紧力。
45.s
1-顶板锚杆、锚索中较小的延展长度。
46.步骤6、
47.a-安全系数，
48.x-冲击能量次方
49.a-巷道宽度，单位m；
50.b-巷道高度，单位m；
51.l
1-顶板锚索长度，单位m；
52.l
2-顶板锚杆长度，单位m；
53.l
3-帮部锚索/锚杆长度，单位m；
54.r-煤层平均重力密度，单位g/cm3；
55.f
1-顶板锚索总预紧力，单位kn/m；
56.f
2-顶板锚杆总预紧力，单位kn/m；
57.s
1-取顶板锚索、锚杆较小的延展长度，单位m；
58.s
2-取帮部锚索、锚杆较小的延展长度，单位m。
59.401103回风巷断面及支护参数代入后可以得到：
60.a(10
x
+5.4
×
3.5
×
7.1
×1×
1.36
×
9.8
61.+3.5
×
5.4
×1×
1.36
×
9.8
62.≥(f1+f2)
×
0.355
63.推算得到：
[0064][0065]
步骤7、当安全系数取1时：
[0066]
x＝5时，f1+f2＝267kn/m；
[0067]
x＝6时，f1+f2＝2670kn/m；
[0068]
x＝7时，f1+f2＝26700kn/m。
[0069]
当安全系数取2时：
[0070]
x＝5时，f1+f2＝534kn/m；
[0071]
x＝6时，f1+f2＝5340kn/m；
[0072]
x＝7时，f1+f2＝53400kn/m。
[0073]
因此，当巷道支护安全系数取1时，巷道发生5、6、7次能量时，支护需要的总预应力应达到267、2670、26700kn；当巷道支护安全系数取2时，巷道发生5、6、7次能量时，支护需要
的总预应力应达到534、5340、53400kn；
[0074]
根据401103回风巷的支护参数，可以得到该巷道：f1+f2＝8
×
100/0.7+5
×
250/0.7＝2928kn，即该巷道在安全系数取1时，可以抵抗105j、106冲击地压能量；该巷在安全系数取2时，可以抵抗105j冲击地压能量。
[0075]
步骤8、401103回风巷自巷道开口至掘进结束发生冲击地压能量事件103次，最大能量不足104j，因此该巷道支护参数符合要求。同时为避免该巷道受邻近工作面采动影响，可以提高支护强度，使顶板支护总预紧力达到5340kn/m。
[0076]
通过上述方式，本发明冲击地压矿井支护强度抗冲击动载校核的方法通过对冲击地压矿井掘进巷道支护形式、数量、参数等进行校验分析，可以得到该巷道抵抗最大冲击地压事件的能量大小，同时可以根据矿井冲击地压发生的频率、能量大小、区域、评价报告等参数，合理布置巷道支护参数，最终实现矿井安全高效掘进及使用。