CN104612705B - 一种防止冲击地压的巷道支护方法 - Google Patents

一种防止冲击地压的巷道支护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止冲击地压的巷道支护方法，包括以下步骤：a、根据在矿井下测量的不同能量级别的矿震信号，得到煤矿井下的震动频率范围；b、制作超材料吸能平板，平板的吸波频段在矿井震动频率范围之间；c、按巷道断面的形状开挖巷道，并在悬顶范围内打好锚杆钻孔，然后利用锚杆将超材料吸能平板锚固在巷道顶板及巷帮上。本发明利用超材料的吸波性能，可以主动吸收地压冲击的冲击波，减弱冲击地压的强度，从而增强支护效果，提高井下工作人员的安全防护系数。

Description

一种防止冲击地压的巷道支护方法
技术领域
本发明涉及一种防止冲击地压的巷道支护方法，具体涉及一种利用吸能材料进行巷道支护的方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加和开采范围的扩大，矿井下冲击地压的现象越来越严重。冲击地压现象的产生是由于煤岩体中的压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘爆炸以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的生产安全。
现有技术中针对巷道支护主要采用三种支护方式：一是被动刚性支护，如采用砌碹、U型钢全封闭支架和架棚后再喷浆的复合支护技术，但是在地压冲击力较大时，支护体容易被压垮、压裂和压折；二是采用锚杆、锚索加网加喷混凝土和浅表部围岩注浆等复合支护技术，但是在高应力条件下，这类锚固体会出现整体大变形，甚至断锚杆断锚索导致事故；三是采用先让压变形，释放部分应力，然后进行锚杆加锚索加网加钢带加喷混凝土复合支护，或采用支架、砌碹体预留变形量或垫层，或采用大变形锚索，但是这种支护方式需要预先采取措施进行释压，工程量较大，支护过程较为繁杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种防止冲击地压的巷道支护方法，可以在冲击地压现象发生时主动吸收冲击地压的冲击波，减弱冲击地压的强度，增强支护效果，降低冲击地压对巷道的破坏。
为了实现上述目的，所述支护方法包括以下步骤：a、根据在矿井下测量的不同能量级别的矿震信号，得到煤矿井下的震动频率范围；b、制作超材料吸能平板，平板的吸波频段在矿井震动频率范围之间；c、按巷道断面的形状开挖巷道，并在悬顶范围内打好锚杆钻孔，然后利用锚杆将超材料吸能平板锚固在巷道顶板及巷帮上，超材料吸能平板包括支撑框架、弹性薄膜和小磁铁，所述支撑框架由两个耐高温的阻燃板组成并用紧固件连接在一起，阻燃板上设有均匀排列的若干方形孔，弹性薄膜安装在两块阻燃板之间，每个方形孔处的弹性薄膜的两侧均具有两个对吸的小磁铁。
组成支撑框架的耐高温阻燃板为超强聚丙烯板。
弹性薄膜为橡胶薄膜。
超强聚丙烯耐腐蚀、耐高温、耐高压、可回收利用，具有较优良的抗冲击性和拉伸强度，重量轻，安装维修方便。橡胶薄膜具良好的压缩性，抗磨及伸长力。
步骤a中煤矿井下的震动频率的范围通过微震监测系统测得。微震监测是通过监测岩体变形破裂产生的震动，自动记录并保存微震时间的波形数据从而得到井下的震动频率。
步骤b中选择相应吸波频段的超材料吸能平板的步骤如下：
(1)将超材料吸能平板的试块固定在激振器上，利用激振器模仿矿井下的震动，为平板提供不同频率的振动；
(2)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的小磁铁上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(3)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的薄膜上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(4)通过Origin软件做出不同激振频率下小磁快振幅和薄膜振幅的最大值曲线；
(5)对比小磁铁与薄膜的振幅曲线图，得到二者共振衰减的声频段，即为相应激振频率的吸收声波的频段；
(6)超材料吸能平板的共振吸波频率可以通过调整小磁铁的质量或者弹性薄膜的厚度来改变。
本发明利用超材料的吸波性能，可以主动吸收地压冲击的冲击波，减弱冲击地压的强度，从而增强支护效果，提高井下工作人员的安全防护系数；超材料平板制作简单，经济投入较低，可以在安装支护锚固件的同时一起安装，减少了巷道支护工程量；超材料平板可以根据不同煤矿井下的震动频率，调节各部分的具体参数以实现不同的吸波频段，适用范围较广。
附图说明
图1是超材料吸能平板的示意图；
图2是双自由度弹簧质量系统模型；
图3是矩形巷道的支护安装示意图；
图4是梯形巷道的支护安装示意图；
图5是拱形巷道的支护安装示意图；
图6是某矿井下不同能量级别下矿震信号监测表格；
图7是不同激振频率小磁铁振幅最大值曲线；
图8是不同激振频率薄膜振幅最大值曲线；
图9是小磁铁与薄膜曲线对比图；
图10是声学振动模式时小磁铁的频谱曲线；
图11是光学振动模式时小磁铁的频谱曲线。
图中：1、支撑框架；2、弹性薄膜；3、小磁铁；4、锚杆；5、为锚索；6、超材料吸能平板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种防止冲击地压的巷道支护方法，包括以下步骤：
a.根据在矿井下测量的不同能量级别的矿震信号，得到煤矿井下的震动频率范围；煤矿井下的震动频率的范围通过微震监测系统测得。微震监测是通过监测岩体变形破裂产生的震动，自动记录并保存微震时间的波形数据从而得到井下的震动频率。微震监测系统主要分为三个部分，即传感器，数据采集器、时间同步、数据通信、服务器等部分。传感器将地层运动(地层速度或加速度)转换成一个可衡量的电信号。非地震传感器也可以用于微地震网络的案例。数据采集器负责将来自传感器的模拟电信号转换成数字信号。数据可以连续记录，或采用触发模式，通过触发算法来确定是否记录传输微震事件数据。微震数据同时传输到一个中央计算机或本地磁盘进行储存或处理。微震系统可以采用多种数据通讯手段，以适应不同的系统环境需要。
b.制作超材料吸能平板，平板的吸波频段在矿井震动频率范围之间；超材料吸能平板包括支撑框架1、弹性薄膜2和小磁铁3，所述支撑框架1由两个耐高温的阻燃板组成并用紧固件连接在一起，阻燃板上设有均匀排列的若干方形孔，弹性薄膜2安装在两块阻燃板之间，每个方形孔处的弹性薄膜2的两侧均具有两个对吸的小磁铁3。
组成支撑框架1的耐高温阻燃板为超强聚丙烯板。弹性薄膜2为橡胶薄膜。
如图1所示，在两块平板上均开有均匀排列的方形孔，将橡胶薄膜夹在两块开了孔的平板之间，两平板用螺丝钉或者其他紧固件固定做成支撑框架，然后在开口处橡胶薄膜两侧夹上两块小磁铁。
超强聚丙烯耐腐蚀、耐高温、耐高压、可回收利用，具有较优良的抗冲击性和拉伸强度，重量轻，安装维修方便。橡胶薄膜具良好的压缩性，抗磨及伸长力。
超材料吸能平板的模型为双自由度弹簧质量系统，如图2所示，弹簧相当于弹性薄膜2，中间的质量块相当于小磁铁3，两侧的平板相当于支撑框架1。其中F(x，t)为激振力，w(x，t)为共振频率。
双自由度弹簧质量系统共振时包括两种共振模式，分别为光学振动和声学振动。光学振动模式时，双自由度弹簧质量系统中质量块的振动与系统的振动相位相反，两种振动相互抵制弱化，此时质量块的振幅会被明显的抑制，因此在该模式下机械波被吸收减弱；声学振动模式时，双自由度弹簧质量系统中质量块的振动与系统的振动相位相同，两种振动相互叠加，此时质量块的振幅增大，因此在该模式下不能吸收减弱机械波。
超材料吸能平板的各项参数与共振时声波的频率相关，包括该平板每个部件的形状及大小、弹性薄膜的弹性特征、小磁铁的质量大小等，因此通过改变这些参数，可以实现对不同频率的声波的吸收。
选择相应吸波频段的超材料吸能平板的步骤如下：
(1)将超材料吸能平板的试块固定在激振器上，利用激振器模仿矿井下的震动，为平板提供不同频率的振动；
(2)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的小磁铁上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(3)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的薄膜上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(4)通过Origin软件做出不同激振频率下小磁快振幅和薄膜振幅的最大值曲线；
(5)对比小磁铁与薄膜的振幅曲线图，得到二者共振衰减的声频段，即为相应激振频率的吸收声波的频段；
(6)超材料吸能平板的共振吸波频率可以通过调整小磁铁3的质量或者弹性薄膜2的厚度来改变。
c、按巷道断面的形状开挖巷道，并在悬顶范围内打好锚杆钻孔，然后利用锚杆将超材料吸能平板锚固在巷道顶板及巷帮上。图3为矩形巷道的支护安装示意图，图4为梯形巷道的支护安装示意图，图5为拱形巷道的支护安装示意图。其中4为锚杆、5为锚索、6为超材料吸能平板。
具体实施例的实验过程如下：
图6为某一矿井下，微震监测系统所测得的矿井下的震动频率范围。由表中可以看出煤矿井下的矿震频率在100-150Hz的频率区间内。
然后按照图1制作超材料吸能平板试验块，其中设定各个参数为：增强聚丙烯平板的规格为440cm*440cm*0.5cm，弹性薄膜为0.5mm厚橡胶薄膜，小磁铁的直径为6mm，质量为0.5g，平板上的开口大小为60mm*60mm，开口个数为16个。将试块固定在激振器上，利用激振器提供不同频率的振动，采用单点式激光测振仪作为振动监测仪器，对小磁铁及薄膜振动进行实时监测。
首先监测小磁铁的振动特性，打开激光测振仪，调节测振仪探头激光打在平板开口处的小磁铁上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像。然后监测薄膜材料的震动特性，调节测振仪探头的激光打在平板开口薄膜上小磁铁与开口边缘的中间位置；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像。
通过上述实验过程，分别记录下了小磁铁及薄膜材料在0～200HZ低频区间内每个频率监测点的实验图像及数据。根据小磁铁在该区间上每个激振频率监测点的频谱曲线，得到其对应的每个激振频率监测点处小磁铁的振幅最大值点，并通过Origin软件做出不同激振频率小磁铁振幅最大值曲线，如图7所示；根据图7在不同激振频率处对应小磁铁振动幅值的最大值，得出在激振频率为0～200HZ的低频区间上，小磁铁振幅最大值出现了两个峰值点，对应的激振频率分别在45HZ及130HZ附近。根据薄膜在该区间上每个激振频率监测点的频谱曲线，得到对应的每个激振频率监测点处薄膜的振幅最大值，并通过Origin软件做出不同激振频率薄膜振幅最大值曲线，如图8所示；根据图8在不同频率出对应薄膜振幅的最大值，得出薄膜振动幅值的最大值在45HZ及130HZ两点附近同样出现峰值。因此，确定系统的共振频率在45HZ及130HZ左右。
最后作对应不同激振频率时，小磁铁及弹性薄膜最大振幅的对比曲线，如图9所示。通过两曲线对比，得出在45HZ左右小磁铁振幅最大值跟薄膜振幅最大值相差较大且小磁铁的最大振幅比其130HZ处的振幅大的多；在130HZ左右小磁铁振幅的最大值跟弹性薄膜振幅的最大值相差较小，且小磁铁及弹性薄膜振幅最大值在该此点附近也较前者小，说明此时小磁铁与弹性薄膜的振动相互抑制。确定在45HZ处的共振为声学振动模式，两者的振动无相互抑制作用，此时两者相位相同，因此两者振幅最大值较大且小磁铁振幅比弹性薄膜振幅大的多；在130HZ处的共振为光学振动模式，两者振动相互抑制，此时两者相位相反，因此两者振幅最大值较前者小且两者之间相差不大。同时做出声学振动与光学振动时小磁铁的频谱曲线，如图10、11所示。因此超材料吸能平板的吸波频率范围是130HZ左右，根据图6所制作的超材料吸能平板可以使得矿井下的冲击波频率得到衰减弱化。
对于双自由度弹簧质量系统，系统的固有频率与弹簧系统弹性模量和质量块大小存在如下的关系：
式中：wn——系统固有频率
E——弹簧系统弹性模量
A——弹簧系统横截面积
l——弹簧系统的长度
M——质量块的质量
根据上述公式可以看出增大质量块的质量或者减小弹簧的弹性模量，系统的固有频率降低；减小质量块的质量或者增大弹簧的弹性模量，系统的固有频率增加，系统发生共振时的激振频率与系统固有频率近似相等，所以共振频率也存在上述关系。因此增加小磁铁质量或者减小橡胶薄膜的厚度均可以减小该平板发生光学共振的频率，即降低平板的吸波频率；相反，减小小磁铁质量或者增加橡胶薄膜的厚度均可以增大该平板发生光学共振的频率，即增大平板的吸波频率。依次公式可以选择与矿井频率相对应的超材料平板的各项参数。
发明利用超材料的吸波性能，可以主动吸收地压冲击的冲击波，减弱冲击地压的强度，从而增强支护效果，提高井下工作人员的安全防护系数。

Claims (5)

1.一种防止冲击地压的巷道支护方法，包括以下步骤：a、根据在矿井下测量的不同能量级别的矿震信号，得到煤矿井下的震动频率范围；b、制作超材料吸能平板，平板的吸波频段在矿井震动频率范围之间；c、按巷道断面的形状开挖巷道，并在悬顶范围内打好锚杆钻孔，然后利用锚杆将超材料吸能平板锚固在巷道顶板及巷帮上, 其特征在于，所述的超材料吸能平板包括支撑框架(1)、弹性薄膜(2)和小磁铁(3)，所述支撑框架(1)由两个耐高温的阻燃板组成并用紧固件连接在一起，阻燃板上设有均匀排列的若干方形孔，弹性薄膜(2)安装在两块阻燃板之间，每个方形孔处的弹性薄膜(2)的两侧均具有两个对吸的小磁铁(3)。
2.如权利要求1所述的防止冲击地压的巷道支护方法，其特征在于，组成支撑框架(1)的耐高温阻燃板为超强聚丙烯板。
3.如权利要求2所述的防止冲击地压的巷道支护方法，其特征在于，弹性薄膜(2)为橡胶薄膜。
4.如权利要求3所述的防止冲击地压的巷道支护方法，其特征在于，步骤a中煤矿井下的震动频率的范围通过微震监测系统测得。
5.如权利要求1至4任一所述的防止冲击地压的巷道支护方法，其特征在于，步骤b中选择相应吸波频段的超材料吸能平板的步骤如下：
(1)将超材料吸能平板的试块固定在激振器上，利用激振器模仿矿井下的震动，为平板提供不同频率的振动；
(2)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的小磁铁上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(3)利用单点式激光测振仪进行监测，将激光打在平板开口处的弹性薄膜上；打开激振器提供振动源，从0开始调节激振频率，调节步距为5HZ，激振频率范围为0～200HZ，每调节一次激振频率，待稳定后保存一次测振仪测得的振动图像；
(4)通过Origin软件做出不同激振频率下小磁铁振幅和弹性薄膜振幅的最大值曲线；
(5)对比小磁铁与弹性薄膜的振幅曲线图，得到二者共振衰减的声频段，即为相应激振频率的吸收声波的频段；
(6)超材料吸能平板的共振吸波频率通过调整小磁铁的质量或者弹性薄膜的厚度来改变。
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