CN104121025A

CN104121025A - 一种抗冲击地压的联合支护方法

Info

Publication number: CN104121025A
Application number: CN201410256774.0A
Authority: CN
Inventors: 王四巍; 刘汉东; 顾金才
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2014-10-29

Abstract

本发明属于支护技术领域，特别涉及一种抗冲击地压的联合支护方法。在巷道或隧道中采用拱架与锚网联合支护的方式，所述拱架内插短密让压锚杆，所述锚网为金属网。本发明抗冲击地压的联合支护方法可有效应对冲击地压危害，减少冲击地压灾害对矿井生产设备的破坏，避免冲击地压对井下人员的伤害，大大降低矿井安全生产风险，有力提高矿井的生产效率。

Description

一种抗冲击地压的联合支护方法

技术领域

本发明属于支护技术领域，特别涉及一种抗冲击地压的联合支护方法。

背景技术

随着大型矿山、水利、交通、国防工程中深部洞室开挖深度的加大，出现了越来越多的冲击地压（岩爆）问题。冲击地压造成了越来越多的工程事故，给矿山安全生产和工程正常运行带来很大的隐患。虽然在全世界已经对冲击地压支护开展了广泛研究，但工程实践表明，对冲击地压防护仍然不足，冲击地压造成的危害仍时常发生。针对目前抵抗冲击地压支护技术的特点，主要有钢拱架支护和锚杆支护。其中，钢拱架支护能提供较大的压力，但不能提供较大的拉力；锚杆支护可提供较大拉力，而不能提供较大压力。因此如何提供更好的支护方式，一直是本领域关注和研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗冲击地压的联合支护方法，可以解决目前支护方式提供的压力和拉力各有不足的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种抗冲击地压的联合支护方法,在巷道或隧道中采用拱架与锚网联合支护的方式，所述拱架内插短密让压锚杆，所述锚网为金属网。

具体的，步骤如下：

A．巷道开挖一定距离后，在巷道壁上喷射厚为3-5cm的混凝土层，利用混凝土层在巷道壁上固定锚网，然后在混凝土层和巷道壁上打出等间距的锚杆安装孔，锚杆安装孔间距30-45cm，孔深不超过3.0m；

B、将拱架放置于巷道上的安装位置，然后将让压锚杆穿过拱架表面设置的预留孔，并把让压锚杆固定在锚杆安装孔中；

C、在让压锚杆的端部依次安装弹簧、垫板和螺母，然后再次向巷道壁喷4-6cm厚混凝土。

巷道或隧道开挖的距离并无严格要求。

让压锚杆长度不超过250cm，锚杆的间距也可调节，让压锚杆的间距不超过45cm。

拱架的间距不大于0.45m，具体间距可根据工程情况进行调节。

所述锚网为铁丝网，常规铁丝网即可，如可选择8#铁线制成的正编金属网。网眼的大小和一般挂网喷混凝土相同，没有特殊要求。

所述巷道或隧道的洞室形状为圆形、城门洞形或马蹄形。

本发明充分考虑深部矿井建设和运行过程中冲击地压产生的特征，对巷道冲击地压发生机理进行了探索，研究了冲击地压发生下炸药用量、地应力与岩体力学性质的关系，可为实际深部巷道建设及运行过程中冲击地压的预测提供理论依据。利用本发明可有效预测深部巷道冲击地压致灾的规模，提供有效且良好的支护方法，减少冲击地压灾害对矿井生产设备的破坏，避免冲击地压对井下人员的伤害，大大降低矿井安全生产风险，有力提高矿井的生产效率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明抗冲击地压的联合支护方法可有效应对冲击地压危害，减少冲击地压灾害对矿井生产设备的破坏，避免冲击地压对井下人员的伤害，大大降低矿井安全生产风险，有力提高矿井的生产效率。

附图说明

图1 为应变和炸药包布置；

图2为洞室不支护条件下洞室破坏特征；

图3、图4为塌落空腔特征；

图5为不同炸药量下洞壁加速度曲线图；

图6为不同炸药量下洞壁应变测点9的最大峰值应变对比；

图7为拱架加锚网联合支护模拟试验模型体图；

图8为无支护和联合支护两种试验方案下爆心附近洞壁加速度对比，上图对应联合支护模式，下图对应无支护模式；

图9 为无支护和联合支护两种试验方案下爆心附近洞壁动应变对比，上图对应联合支护模式，下图对应无支护模式；

图10为无支护和联合支护两种模式最大应变分布特征图。

具体实施方式

以下以具体实例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

一种抗冲击地压的联合支护方法,在圆形、城门洞形或马蹄形巷道或隧道中采用拱架与锚网联合支护的方式，所述拱架内插长度为200cm的让压锚杆，所述锚网为8#铁线制成的正编金属网。

步骤如下：

A．巷道开挖3m后，在巷道壁上喷射厚为3-5cm的混凝土层，在混凝土层还未凝固时挂上锚网实现将锚网固定在巷道壁上，然后在混凝土层和巷道壁上打出等间距的锚杆安装孔，安装孔间距为40cm，孔深2.0m；锚网铺设面积完全覆盖拱架；

B、将让压锚杆穿过拱架表面设置的预留孔，然后把让压锚杆固定在锚杆安装孔中，实现将拱架固定于巷道上；相邻拱架的间距为0.3m；

C、在让压锚杆的端部依次安装弹簧、垫板和螺母，然后再次向巷道壁喷5cm厚混凝土。

模拟验证试验

一、洞室不支护的冲击地压试验

1.试验设计和试验方法

1.1 试验设计

试验采用YDM-D型岩土多功能试验机，该装置可以研究不同地应力特征、不同岩体条件下的洞室、洞群等开挖与锚固效应。

模型体尺寸为160cm×160cm×40cm，洞室采用直墙拱形，墙高8cm，拱高15cm，底宽30cm。考虑到深部煤巷常用尺寸，根据弗洛德相似定律，模型体长度相似比尺为1/20。由于本次试验主要模拟高地应力下巷道的冲击地压问题，对岩体重度相似比尺要求相对较小，这样原型和模型的应力比尺、几何比尺可独立选取。根据试验精度要求和试验工作量的大小考虑，确定应力比尺为1/10 。岩体与相似材料的参数如下：

表1 岩体及相似材料物理力学性能

相似材料采用低强度水泥砂浆，其28 d单轴抗压强度2.1MPa，弹性模量0.38GPa，泊松比0.23。

1.2 试验方法

试验用模型体采用分层夯实制作，每层厚3cm，每层夯实后，为了增强层与层之间粘结性能，在下一层上料前，用毛刷打毛，厚度约0.5cm。模型体中间区域80cm×80cm制作为小块状，其尺寸为2.5cm×2.5cm×3cm。在模型体中间剖面(20cm厚)埋设变形和加速度量测元件，应变片和炸药包布置见图1。模型体制作完成后，加上约束钢板与约束钢梁，把模型体竖直放置，养护28d后开始试验。

试验首先施加静力荷载，竖直应力2.1MPa，水平应力0.7MPa，分6次施加完成，侧压系数为1/3，同时采集静力自由场中应变。之后施加动态自由场，在保持模型体恒定压力下，在模型体右侧造孔，安装导爆索+10gTNT，实施爆炸荷载，并把采集系统由静态转化为动态，采集动载作用下的应变和加速度。然后，保持静力荷载恒定，分四步开挖洞室，每步10cm，开挖过程中利用静态采集系统测试模型体内应变变化特征。洞室开挖完成后，在距离左侧爆心最近的洞壁安装2个加速度传感器，同时把静力采集系统转换为动态采集状态。最后开展恒定压力下爆炸荷载试验，共进行3次，其药量分别为导爆索+10gTNT、导爆索+15gTNT和导爆索+20gTNT，炸药包均位于模型体的左侧孔，爆炸后用湿黄土填塞炸后形成的空腔，再造孔，填塞炸药包并密封。

（1）破坏特征

洞室开挖后，施加两次爆炸荷载，洞室未破坏，随着第三次爆炸荷载施加（导爆索+20gTNT），洞室内立刻腾起一团烟雾，并伴有大量冲出物，出现典型的抛掷型冲击地压。洞室破坏沿着轴向方向，主要分布在中间拱圈部位，厚度约10cm；沿着径向方向，主要分布在左侧壁的顶部至右侧拱顶下部，见图2。冲出物主要包括3个较大的块体，2个较小的块体和一些较破碎体，冲出物形状不规则，3个较大块体尺寸分别为15cm×10cm、15cm×7cm、17cm×7cm，厚度均为3cm左右。抛出物总重7.95kg。

模型体沿洞轴方向解剖至15cm厚时，洞室左侧出现塌落空腔。从爆心到最近洞壁长约30cm，其宽度从爆心到洞壁逐步增大，在爆心附近宽度为14cm，在中间位置约为15cm，在洞壁附近增加至21cm，空腔上部破坏面平直，几乎完全平行于洞顶的切线方向，见图3和图4。

（2）加速度变化特征

炸药量对不同位置洞壁加速度峰值影响程度不同，但对加速度分布曲线整体形态影响较小，然而，洞室开挖后，在爆炸荷载作用下爆心附近洞壁加速度的压缩峰值远远大于受拉峰值。爆心附近洞壁加速度峰值随炸药量增加而急剧增加，远离爆心洞壁加速度则随炸药量增加也增加，但增加值较小。如爆心附近洞壁加速度峰值，随着炸药量从10g、15g到20g递增，以2261g、4239g和4950g快速增大，如图5。而远离爆心洞壁加速度峰值，随着炸药量从10g、15g到20g递增，其值以440g、900g和1070g快速增大。

（3）应变场分布特征

炸药量对洞壁各点应变分布曲线影响不同。距离爆心较近的洞壁测点（如应变测点7、8、9），随着爆炸荷载施加，主要产生拉应变，并迅速到达峰值，后稍微下降并以较大拉应变保持恒定；且最大受拉峰值应变随炸药量增加而显著增大。如测点9，随着炸药量从10g、15g到20gTNT增加，其最大峰值应变分别为1.6×10^-3、3.4×10^-3和4.3×10^-3，如图6。而距离爆心较远的洞壁测点和模型体测点（如测点6~1等），随着爆炸荷载施加，主要产生为压缩应变，迅速到达压缩峰值后快速衰减，经过几次振荡衰减后几乎回到0，且最大受压峰值应变随炸药量增加而快速增大，但与爆心附近洞壁应变增加量相比明显减小。

二、采用本发明内插短密让压锚杆式拱架与喷混凝土金属网支护下洞室的冲击地压试验

由于常规喷锚支护技术不能解决冲击地压对巷道的破坏，根据拱型支架的优点，综合分析让压锚杆的受力机理，本试验采用本发明的拱架与锚网联合支护的综合支护手段应对巷道的冲击地压问题。

1、试验设计与试验方法

拱形支架主要结构形式如图7所示，拱架设计间距为3cm，拱架表面的预留孔中心的间距3cm。锚杆采用短密锚杆布置方式，设计长度10cm，间距3cm×3cm（相邻锚杆的间距和排距），并在垫板前安装弹簧，模拟让压锚杆。金属网模拟采用直径1.7mm的铝丝，网格间距为2cm×2cm。模型体的制作与测试原件埋设等与洞室不支护的冲击地压试验相同。

2、试验现象分析

在10g、15g和20gTNT爆炸荷载作用下，洞室及支护体均没有破坏，证明利用拱架与锚网联合支护技术完全可以抵抗20gTNT及静载共同作用。

3、数据结果分析

（1）加速度变化特征

拱架与锚网联合支护和无支护巷道冲击地压试验的加速度曲线见图8。结果表明，在相同的加载模式下，支护模式对爆心附近洞壁的加速度影响显著，无支护的洞壁加速度方向几乎全部向下，而增加支护措施后反方向加速度增加，且支护体刚度越大，其反向加速度也越大。

（2）应变分布特征

在拱架与锚网联合支护和无支护巷道冲击地压试验条件下，爆心附近洞壁应变分布曲线见图9。结果表明，在相同的加载模式下，不同的支护模式对爆心附近洞壁的应变场分布特征影响显著，无支护模式下洞壁应变几乎全部表现为拉应变，洞壁由于过大拉应变而破坏；在拱架与锚网联合支护下，洞壁首先出现很大压应变，而后迅速减少，最终以较大压应变保持稳定，洞壁未发生破坏。

（3）总体应变分布特征

经过内插短密锚杆式拱架与喷混凝土金属网支护后，爆心附近洞壁均主要表现为压应变，洞壁在爆炸荷载作用下保持稳定；而未支护时主要表现为拉应变，洞壁由于拉应变过大而破坏，见图10。

综上，本发明支护方式可以经受巷道冲击地压的作用。

Claims

1.一种抗冲击地压的联合支护方法,其特征在于，在巷道或隧道中采用拱架与锚网联合支护的方式，所述拱架内插短密让压锚杆，所述锚网为金属网。

2.如权利要求1所述的抗冲击地压的联合支护方法，其特征在于，步骤如下：

B、将拱架放置于巷道上的安装位置，然后将让压锚杆穿过拱架表面的预留孔，并把让压锚杆固定在锚杆安装孔中；

C、在让压锚杆的端部依次安装弹簧、垫板和螺母，再次向巷道壁喷4-6cm厚混凝土。

3.如权利要求2所述的抗冲击地压的联合支护方法，其特征在于，让压锚杆长度不超过250cm，让压锚杆的间距不超过45cm。

4.如权利要求2所述的抗冲击地压的联合支护方法，其特征在于，拱架的间距不大于45cm。

5.如权利要求1所述的抗冲击地压的联合支护方法，其特征在于，所述金属网为铁丝网。

6.如权利要求1-5任一所述的抗冲击地压的联合支护方法，其特征在于，所述巷道或隧道的洞室形状为圆形、城门洞形或马蹄形。