一种适应巷道变形的让压一次支护方法与流程

本发明涉及巷道支护相关技术领域，特别是一种适应巷道变形的让压一次支护方法。

背景技术：

对于煤矿巷道支护来说，随着采深的增加，越来越多的矿井进入深部开采，“三高一扰动”的问题日趋严重。巷道围岩出现了冲击现象以及流变特性。对于有些矿井，几乎90％的巷道每年都要返修3-4遍，大大增加了生产成本，严重制约了矿井正常生产接续，对煤矿安全高效生产带来巨大威胁。原有的技术方法已经无法解决这些问题。为了解决这一问题，许多专家学者提出了多种技术方法。如二次支护理论，首先采用让巷道围岩变形的方法释放围岩应力，在采用刚性支护控制围岩变形。可缩性u型钢发明后则采用被动一次让压支护。随着锚杆支护技术的发展，强力一次支护技术通过高预应力提高围岩刚度，当达到临界刚度时，围岩变形量急剧降低。恒阻大变形锚杆支护技术可以实现单一变形载荷下的锚杆变形。由于地质构造的复杂性和采矿条件的多样性，目前深井大变形冲击巷道仍然面临支护成本高，支护难度大支护技术不能随着围岩巷道的变形和应力主动调节等问题。

综上所述，现有技术存在如下问题：

(1)深井大变形冲击巷道二次支护甚至多次支护与返修，费时、费力、费钱。深井大变形冲击巷道的特点使得一般的支护技术难以奏效。地下围岩应力达到数十mpa，而支护体所能达到的支护强度，不超过0.5mpa。一味的提高支护强度不但增加了材料成本，更无法根治巷道多次支护及返修所带来的问题。

(2)无法根据围岩压力和变形自动改变让压阻力值和多级让压变形；当前的技术着眼于预应力的施加和单一载荷让压。没有考虑支护体根据围岩压力发生自主变形，且无法实现多级让压变形。因此，往往出现过早让压变形导致围岩自承能力下降或支护体失效都不发生让压变形的情况。

(3)施工复杂，效果差。现有技术往往先让后抗，即先允许围岩变形，当达到最大变形素的后，再进行二次支护。这无疑增加了施工难度和施工成本。另外变形速度的观测存在滞后性，会造成二次支护不及时，支护效果差。

因此，现有的支护技术通过提供高刚度或锚杆的单一载荷让压解决深井巷道大变形、冲击、围岩流变等支护问题。但是仍然没有解决巷道多次支护多次返修的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术没有解决巷道多次支护多次返修的问题，提供一种适应巷道变形的让压一次支护方法。

本发明提供一种适应巷道变形的让压一次支护方法，包括：

巷道围岩的掘进断面设置至少一个多级变频让压结构，所述多级变频让压结构上设置有多级临界变形载荷和与每一级临界变形载荷对应的变形距离；

当所述围岩的压力增大到其中一级临界变形载荷时，所述多级变频让压结构产生让压变形，所述让压变形的变形距离与围岩压力所达到的临界变形载荷对应。

进一步的，所述临界变形载荷逐级增大。

更进一步的，每级临界变形载荷所对应的变形距离逐级增大。

更进一步的，每级临界变形载荷所对应的变形距离相等。

进一步的，所有临界变形载荷对应的变形距离的总和小于或等于最大变形距离。

再进一步的，每级所述临界变形载荷的范围为7～36吨，每级所述临界变形载荷的增加范围为0～2吨，每级变形距离为1～10毫米。

更进一步的，所述掘进断面设置至少一个牵拉支护件，每个所述牵拉支护件一端插入所述围岩，另一端伸出所述掘进断面，且每个所述牵拉支护件伸出所述掘进断面的端部设置所述多级变频让压结构。

更进一步的，所述掘进断面设置架棚支护件，至少一个所述多级变频让压结构设置在所述架棚支护件和所述掘进断面之间的空隙。

再进一步的，多个所述多级变频让压结构间隔设置在所述架棚支护件和所述掘进断面之间的空隙。

再进一步的，所述多级变频让压结构充满所述架棚支护件和所述掘进断面之间的空隙。

本发明通过设置多级变频让压结构，使得支护体让压载荷值随围岩压力和变形自动改变，通过一次支护完成释放围岩压力、消除冲击，解决深井大变形冲击巷道支护问题。

附图说明

图1为本发明一种适应巷道变形的让压一次支护方法的工作流程图；

图2为本发明一实施例的技术原理图；

图3为本发明另一实施例的技术原理图；

图4为本发明再一实施例的技术原理图；

图5为一种多级变频让压结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种适应巷道变形的让压一次支护方法的工作流程图，包括：

步骤s101，巷道围岩的掘进断面设置至少一个多级变频让压结构，所述多级变频让压结构上设置有多级临界变形载荷和与每一级临界变形载荷对应的变形距离；

步骤s102，当所述围岩的压力增大到其中一级临界变形载荷时，所述多级变频让压结构产生让压变形，所述让压变形的变形距离与围岩压力所达到的临界变形载荷对应。

具体来说，通过在同一多级变频让压结构上设置一系列不同压力下的各级临界变形载荷和变形距离，实现主动多级变频让压的；当围岩压力达到多级变频让压结构的第一级临界变形载荷，则多级变频让压结构发生第一级变形，变形到达设定的第一级变形距离停止；随着压力的增加，多级变频让压结构相继依次达到其余各级变形载荷，并在相应的各级变形距离内变形，以此达到多级变频让压。支护体的载荷和变形随着围岩压力的变化而变化，无需二次支护。

如图5所示为一种可以使用的多级变频让压结构，其由两端等粗且中间鼓出的鼓状圆形外钢管51和两端等粗且加工有外箍53的圆形内钢管52组成，圆形内钢管52上设有多个外箍53，每个外箍53的抗剪强度均不同，从而形成多级让压，每个外箍53的抗剪强度即每级临界变形载荷。可以将外钢管51顶紧围岩，内钢管52的承压端522顶紧支护体。当围岩的压力增大到大于内钢管52的装配端521处的外箍53的抗剪强度时，即达到第一级变形载荷，此时外箍3被剪断，内钢管发生第一级变形，变形到达设定的第一级变形距离停止；随着压力的增加，各级外箍相继依次达到其抗剪强度，并相应变形，以此达到多级变频让压。

本发明通过设置多级变频让压结构，使得支护体让压载荷值随围岩压力和变形自动改变，通过一次支护完成释放围岩压力、消除冲击，解决深井大变形冲击巷道支护问题。

在其中一个实施例中，所述临界变形载荷逐级增大。

在其中一个实施例中，每级临界变形载荷所对应的变形距离逐级增大。

本实施例当围岩压力越大，则对应级别的变形距离增大，从而使得围岩压力能尽快释放。

在其中一个实施例中，每级临界变形载荷所对应的变形距离相等。

本实施例的每级变形距离相等，从而使得围岩压力能逐步稳定释放。

在其中一个实施例中，所有临界变形载荷对应的变形距离的总和小于或等于最大变形距离。

优选的最大变形距离为120mm。

在其中一个实施例中，每级所述临界变形载荷的范围为7～36吨，每级所述临界变形载荷的增加范围为0～2吨，每级变形距离为1～10毫米。

具体来说，各级临界变形载荷，各级变形距离和总变形距离根据巷道围岩压力和围岩表面变形的实测以及数值模拟相结合的方法确定；临界变形载荷根据围岩压力设定，优选范围为7～36t，各级临界变形载荷的增加范围优选为0～2t；变形距离由最大变形距离和根据围压变形设定，最大变形距离优选为120mm，各级变形距离优选为1mm～10mm。

如图2所述，在其中一个实施例中，所述掘进断面3设置至少一个牵拉支护件2，每个所述牵拉支护件2一端插入所述围岩1，另一端伸出所述掘进断面3，且每个所述牵拉支护件2伸出所述掘进断面3的端部设置所述多级变频让压结构6。

如图2所示，作为本发明最佳实施例，在围岩1中开挖出巷道的掘进断面3，考虑到深井压力较大会造成冲击或大变形的情况，最终设计断面5要小于掘进断面3。当巷道开挖形成掘进断面3后，采用锚杆和锚索作为牵拉支护件2进行支护，牵拉支护件2上安装有多级变频让压结构6，当围岩压力增大到牵拉支护件2上安装的多级变频让压结构6设置的第一级变形载荷后，多级变频让压结构6产生让压变形，变形距离为i。距离为i的变形产生后，围岩对牵拉支护件2和多级变频让压结构6的压力有所下降，此时，巷道有所减小且呈现的轮廓如图中的一级主动多级变频让压后的巷道断面4。当围岩压力再次增加，且达到第二级变形载荷后多级变频让压结构6产生变形距离为ii的让压变形。此时，巷道轮廓由一级主动多级变频让压后的巷道断面4变为最终设计断面5。当前两级主动变形发生后，围岩压力还继续增加，则需要牵拉支护件2的杆体进行支护，因此多级变频让压结构6的iii部分的强度要大于牵拉支护件2的杆体强度。经过多级变频让压结构6两级主动变形后，巷道在径向上的断面发生i+ii的缩小，释放了大量的应力和弹性能，保护了牵拉支护件2的安全，巷道围岩与牵拉支护件2处于了平衡状态，有效的降低了冲击的发生。同时经过多级变频让压结构6有限的变形也不会因为过大的变形而使围岩遭到破坏失去自承能力。同时，通过多级变频让压结构6的两级变形，释放了围岩的应力，避免了二次支护带来的技术难度，大大降低了巷道支护的人工成本和材料成本。

如图3和图4所示，在其中一个实施例中，所述掘进断面3设置架棚支护件9，至少一个所述多级变频让压结构6设置在所述架棚支护件9和所述掘进断面3之间的空隙。

在围岩1中开挖出巷道的掘进断面3，考虑到深井压力较大会造成冲击或大变形的情况，最终设计断面5要小于掘进断面3。当巷道开挖形成掘进断面3后，以u型棚作为架棚支护件9，结合多级变频让压结构6进行支护，多级变频让压结构位于掘进断面3和与架棚支护件9之间。当围岩1的压力增大到一级变形载荷时，多级变频让压结构6产生让压变形，变形距离为i。距离为i的变形产生后，围岩对架棚支护件9和多级变频让压结构6的压力有所下降，此时，巷道有所减小且呈现的轮廓如图中的一级主动多级变频让压后的巷道断面4。当围岩压力再次增加，且达到二级变形载荷后多级变频让压结构6产生变形距离为ii的让压变形。此时，巷道轮廓由一级主动多级变频让压后的巷道断面4变为二级主动多级变频让压后的巷道断面7。当围岩应力再次增加，依次完成三级、四级变形，巷道轮廓依次变为二级主动多级变频让压后的巷道断面8和最终设计断面5。

如当前四级主动变形发生后，围岩压力还继续增加，则需要u型钢9本身进行支护。经过多级变频让压结构6四级主动变形后，巷道在径向上的断面发生i+ii+iii+iv的缩小，释放了大量的应力和弹性能，保护了u型棚的安全，使巷道围岩与工字钢棚处于了平衡状态，有效的降低了冲击的发生。同时经过多级变频让压结构6有限的变形也不会因为过大的变形而是围岩遭到破坏失去自承能力。同时，通过多级变频让压结构6的四级变形，释放了围岩的应力，避免了二次支护带来的技术难度，大大降低了巷道支护的人工成本和材料成本。

多级变频让压结构6的变形是根据围岩的压力发生的，并非所有的巷道支护条件下都完成四级变形，当达到某级变形后巷道可以达到围岩稳定，此时后一级就不再发生变形让压。这体现了主动多级变频让压的适应性和变频特性。当然主动多级变频让压的变频级数也不限于实施例中的两级和四级。

如图3所示，在其中一个实施例中，多个所述多级变频让压结构间隔设置在所述架棚支护件和所述掘进断面之间的空隙。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述多级变频让压结构充满所述架棚支护件和所述掘进断面之间的空隙。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。