一种基于冲击危险综合指数评定的冲击地压巷道支护设计方法与流程

1.本发明涉及一种巷道支护技术领域。尤其是一种适用于煤矿井下冲击地压巷道支护设计方法。


背景技术：

2.随着开采深度的增加，冲击地压矿井数量将会逐渐增多，冲击地压一旦发生，将会对矿工的生命造成极大的威胁，对矿井造成巨大的损失。冲击地压是在煤矿开采过程中，由于采动影响使巷道及工作面原有的力学平衡受到破坏，其弹性能发生迅猛释放的动力现象，严重时会波及地面建筑物。因此，冲击地压问题已成为煤矿掘进与开采、威胁矿井安全的一大技术难题。
3.冲击地压发生次数随煤层开采深度增加呈非线性增长关系，据统计，85％的冲击地压发生在巷道中，巷道冲击地压的防治，除有效卸压外，还需要对冲击地压巷道进行选择性的支护，冲击地压巷道支护技术的有效性，直接决定了冲击地压的灾害能否被有效降低。特别是在一些严重冲击地压矿井，尽管采取了多种防治技术，还是没能消除冲击地压这一灾害。
4.我国煤矿地质条件复杂，特别是煤矿进入深部开采后，巷道的支护难度特别是冲击地压巷道支护难度增加。如何对冲击地压巷道进行支护，一直是国内外学者研究的热点和难点。随着锚杆技术发展的日益成熟，以及大量新型支护材料被研发出来。提高巷道支护的效率，研究开发高强度、吸能防冲锚杆(索)成为一种解决冲击地压巷道灾害的方法。冲击地压巷道支护必须采用全断面等强支护，支护构件之间、支护体之间、支护体与围岩之间要相互耦合，形成一个统一的支护整体。
5.不同冲击危险性等级的巷道采用统一的支护标准，盲目的进行加强支护，造成了支护材料的浪费和支护效率下降。选择不同的支护方式和支护方法，实现了不同冲击危险性等级巷道的定量化设计，有效避免了不同冲击危险性等级巷道的过度支护和支护欠缺引起的支护材料浪费和安全问题。
6.不同冲击危险等级巷道采用不同的支护设计方法是一种用于煤矿掘进防治冲击地压的新理念，与传统的冲击地压巷道支护技术与方法不同。根据冲击危险性等级确定冲击地压巷道的支护设计方法可以实现不同冲击地压巷道的有效支护，对冲击地压矿井的安全开采、巷道支护和冲击地压防治具有重要意义。


技术实现要素：

7.技术问题：本发明的目的是要克服现有支护设计方法中的不足之处，提供一种冲击地压巷道基于冲击危险综合指数评定的巷道支护设计方法，基于煤岩冲击倾向性鉴定和冲击危险综合指数确定不同冲击危险等级，对不同冲击危险类别的巷道进行分类支护设计，依据冲击地压巷道的支护构件的防冲抗震能力与巷道围岩帮顶冲击能量计算，确定冲
击地压巷道的支护方式，不仅减少了盲目对冲击地压巷道加强支护，提高了巷道支护效率，减少了材料浪费，而且减弱了冲击地压对巷道两帮及顶板的威胁，有效防止冲击了地压的发生。
8.技术方案：本发明的一种基于冲击危险综合指数评定的冲击地压巷道支护设计方法，包括如下步骤：
9.a.确定冲击地压巷道评价对象
10.通过巷道现场调研及巷道支护理论获取数据，并依据冲击地压巷道地质条件及所处的位置条件信息，确定冲击地压巷道评价和支护对象；
11.b.煤岩冲击倾向性鉴定
12.通过测定煤岩体的单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间，确定煤岩的冲击倾向性；
13.c.确定评价对象适用的冲击危险性评价指标
14.根据冲击地压巷道所处的地质条件，确定冲击地压巷道适用的冲击危险性评价指标，冲击危险性评价指标为“影响因素”与“危险指数分值”以及二者的对应关系；所述的“影响因素”包括“地质类影响因素”和“开采类影响因素”；
15.d.确定地质类影响因素的冲击危险指数
16.根据冲击地压巷道适用的冲击危险性指标，选取“地质类影响因素”和与“开采类影响因素”对应的“危险指数分值”；
17.e.确定开采类影响因素的冲击危险指数
18.根据冲击地压巷道适用的冲击危险性指标，选取“开采类影响因素”和与“开采类影响因素”对应的“危险指数分值”；
19.f.确定冲击综合危险指数w
t
和冲击危险等级；
20.g.依据煤岩冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价结果，对巷道围岩帮顶冲击能量进行计算；
21.h.对冲击地压巷道支护方案和支护参数进行初步设计；
22.i.对支护构件进行防冲抗震能力校核计算，确定支护构件抗冲能力是否大于冲击能，支护构件的抗冲击能力大于冲击能，确定支护方案及参数；若支护构件的抗冲击能力小于冲击能，对支护方案及参数进行重新设计。
23.j.对确定的冲击地压支护方案进行优化，完成冲击地压巷道支护设计。
24.当冲击综合危险指数w
t
<0.25，冲击地压巷道属于无冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为5*103j，选用的支护技术为常规的锚杆和锚网支护。
25.当冲击综合危险指数0.25<w
t
<0.5，冲击地压巷道属于弱冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*104j，选用支护技术为高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网支护。
26.当冲击综合危险指数0.5<w
t
<0.75，冲击地压巷道属于中等冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*105j，选用支护技术为高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网支护+o型棚、吸能单元架、或弱结构中的一种。
27.当冲击综合危险指数0.75<w
t
<0.95，冲击地压巷道属于强冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*106j，选用支护技术为高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和
锚网+o型棚、吸能单元架、或弱结构中的两种。
28.当冲击综合危险指数w
t
>0.95，冲击地压巷道属于不安全冲击地压巷道，微震监测巷道最大能量值小于3*107j，选用支护技术为高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网+o型棚、吸能单元架和弱结构。
29.当冲击综合危险指数w
t
>0.95，冲击地压巷道属于不安全冲击地压巷道，微震监测巷道最大能量值大于3*107j，此时停产撤人、进行远程卸压处理。
30.有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明根据冲击地压巷道能量校核进行支护设计达到了防冲吸能的目的，利用煤岩冲击倾向性鉴定和冲击危险综合指数的冲击地压巷道支护设计，防治冲击矿压，通过对冲击地压巷道不同冲击危险综合指数评定，选择不同的支护设计方法，从而减弱冲击能量对巷道两帮及顶板的威胁，防止冲击地压的发生。不仅能更安全有效的对冲击地压巷道进行支护，也有利于降低煤矿生产成本。与现有技术相比，主要优点如下：
31.1)对冲击地压巷道进行针对性支护，根据煤岩冲击倾向性鉴定和冲击危险性等级选择合理的支护设计方法，确定合理的支护技术，对冲击地压巷道达到了有效支护；
32.2)通过对冲击地压巷道选择合理的支护设计方法，实现了不同冲击危险性等级巷道的能量设计的定量化校核，有效避免了不同冲击危险性等级巷道的过度支护和支护欠缺引起的支护材料浪费和安全问题；
33.3)有效的控制了冲击地压巷道的破坏，实现冲击地压巷道的合理化设计和支护，对于防治冲击地压具有重要意义，而且简单、安全、方便、经济、实用。
附图说明
34.图1是本发明的冲击地压巷道冲击危险综合指数评定的冲击地压巷道支护方法流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
36.本发明的基于冲击危险综合指数评定的冲击地压巷道支护设计方法，具体步骤如下：
37.a.确定冲击地压巷道评价对象
38.通过巷道现场调研及巷道支护理论获取数据，并依据冲击地压巷道地质条件及所处的位置条件信息，确定冲击地压巷道评价和支护对象；
39.b.煤岩冲击倾向性鉴定
40.根据现场的地质和开采技术情况，通过测定煤岩体的单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间，确定煤岩的冲击倾向性；
41.c.确定评价对象适用的冲击危险性评价指标
42.根据冲击地压巷道所处的地质条件，确定冲击地压巷道适用的冲击危险性评价指标，冲击危险性评价指标为“影响因素”与“危险指数分值”以及二者的对应关系，所述的“影响因素”包括“地质类影响因素”和“开采类影响因素”；
43.d.确定地质类影响因素的冲击危险指数
44.根据冲击地压巷道适用的冲击危险性指标，选取“地质类影响因素”和与“地质类影响因素”对应的“危险指数分值”；
45.e.确定开采类影响因素的冲击危险指数
46.根据冲击地压巷道适用的冲击危险性指标，选取“开采类影响因素”和与“开采类影响因素”对应的“危险指数分值”；
47.f.确定冲击综合危险指数w
t
和冲击危险等级；
48.当冲击综合危险指数w
t
<0.25，冲击地压巷道属于无冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为5*103j(焦耳)，选用支护技术为常规的简单锚杆和锚网支护措施。
49.当冲击综合危险指数0.25<w
t
<0.5，冲击地压巷道属于弱冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*104j，选用支护技术为四高锚网支护，即选用高强度(抗拉强度≥850mpa)、高刚度(屈服强度≥700mpa)、高预紧力(预紧力≥80kn)和高锚固点(锚固点≥2.4m)的锚杆和锚网支护。
50.当冲击综合危险指数0.5<w
t
<0.75，冲击地压巷道属于中等冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*105j，选用的支护技术为四高锚网支护+1，即选用高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网支护+o型棚、吸能单元架、或弱结构中的一种。
51.当冲击综合危险指数0.75<w
t
<0.95，冲击地压巷道属于强冲击危险性，微震监测巷道最大能量值为3*106j，选用的支护技术为四高锚网支护+2，即选用高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网+o型棚、吸能单元架、或弱结构中的两种。
52.当冲击综合危险指数w
t
>0.95，冲击地压巷道属于不安全冲击地压巷道，微震监测巷道最大能量值小于3*107j，选用高强度、高刚度、高预紧力和高锚固点的锚杆和锚网+o型棚、吸能单元架和弱结构。
53.当冲击综合危险指数w
t
>0.95，冲击地压巷道属于不安全冲击地压巷道，微震监测巷道最大能量值大于3*107j，此时停产撤人、进行远程卸压处理。
54.g.依据煤岩冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价结果，对巷道围岩帮顶冲击能量进行计算；
55.h.对冲击地压巷道支护方案和支护参数进行初步设计；
56.i.对支护构件进行防冲抗震能力校核计算，确定支护构件抗冲能力是否大于冲击能，支护构件的抗冲击能力大于冲击能，确定支护方案及参数；若支护构件的抗冲击能力小于冲击能，对支护方案及参数进行重新设计。
57.j.对确定的冲击地压支护方案进行优化，完成冲击地压巷道支护设计。
58.实施例：某矿为冲击地压矿井，矿井地质构造简单，煤层具有冲击危险，该矿井发生过最严重的冲击地压时，微震监测系统所监测的微震能量为1.3
×
106j，支护方式为：(1)锚杆支护：顶板用5根φ22
×
2800mm高预应力左旋螺纹钢锚杆，顶板两端头眼孔为短锚索，排距为0.8m，锚固力不小于150kn；(2)锚索支护：顶板布置5根φ21.8
×
6300mm短锚索，排距0.8m，锚固力不低于200kn；顶板布置3根φ21.8
×
8300mm长锚索，排距0.8m，锚固力不低于250kn；(3)吸能防冲单元柱支护：巷道煤柱帮布置1道吸能防冲单元柱(2根立柱)。(4)弱结构支护：防冲卸压孔设置巷道围岩弱结构钻孔，反复致裂煤岩体实现弱结构进行压力释放。
59.巷道锚杆索支护构件吸收功为：
[0060][0061]
式中：n
g
，n
s
，n
t
分别为锚杆、锚索和其它构件的个数，e
g
，e
s
，e
t
分别为锚杆、锚索和其它构件的吸收功，b为巷道宽度，k为支护循环排距。
[0062]
顶板锚索和锚带网共同作用吸收的能量大小为：(12
×
5+10
×
3)/(5.6
×
1.6)＝10.04j；
[0063]
帮部锚带网吸收的能量大小为：(8
×
5+8
×
3)/(3.7
×
1.6)＝10.81j；
[0064]
吸能防冲单元柱：单根立柱吸能阻力为2000kn，吸能量最大为400kj，由此可知三立柱支护阻力最大为6000kn，最大让位位移为200mm，最大吸能量为106j；按照吸能防冲单元柱可吸收5*105j
[0065]
弱结构吸能：弱结构消波吸能约为冲击震动波传播能量的25～40％；按照弱结构消波吸能约为冲击震动波传播能量的30％。
[0066]
计算如下：微震监测系统所监测的微震能量为1.3
×
106j，经过弱结构吸收冲击震动波传播能量的30％，剩余能量为9.1
×
105j，两根吸能防冲单元柱可吸收1*106j，锚杆索吸收的能量为20.85j。支护构件的抗冲击能力大于冲击能，支护方案及参数合理，进行实施。