CN112253163A - 一种保护矿井巷道的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种保护矿井巷道的系统，涉及矿物采掘技术领域。通过本发明实施例，根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒；当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道。本发明通过该巷道“双被筒”的实施，达到保护巷道的目的。
Description
技术领域
本发明涉及矿物采掘技术领域，特别是涉及一种保护矿井巷道的系统。
背景技术
冲击矿压是煤矿深部开采面临的典型动力灾害,表现为聚集在煤岩体中的弹性能突然、猛烈释放，其动力将煤岩抛向巷道或采场，造成煤岩体强烈震动和破坏、设备损坏和人员伤亡。从近几年全国发生的冲击地压事故来看，冲击地压多数发生在巷道掘进期间或采煤工作面两顺槽，工作面内发生冲击地压的情况较少。同时，大量现场实践也表明，冲击矿压造成的破坏和人员伤亡主要集中在巷道内。
随着矿井的开拓延伸，矿井冲击地压灾害越来越严重。然而，目前采用的支护形式，单纯提高以被动支护为主的支护强度效果并不显著，其不能对冲击矿压巷道围岩进行有效控制。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种保护矿井巷道的系统。
为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种保护矿井巷道的系统，所述系统包括：
根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒；
当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道。
优选的，所述根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒的步骤，包括：
根据所述围岩的应力分布情况，确定构造所述支护被筒的预设方案；
根据所述预设方案可提供的最大支护抗力P总和所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶，确定是否实施所述预设方案；
若确定实施所述预设方案，则用所述支护材料构造所述支护被筒。
优选的，所述预设方案中的支护材料至少包括：锚索和锚杆；确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总的步骤，包括：
通过锚索的材料性能和各锚索在所述预设方案中的安装分布情况以及所述巷道的尺寸，预计各锚索给所述巷道提供的最大支护抗力Ps；
通过锚杆的材料性能和各锚杆在所述预设方案中的安装分布情况，预计各锚杆给所述巷道提供的最大支护抗力Pm；
根据所述最大支护抗力Ps和所述最大支护抗力Pm的和值，确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总。
优选的，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶的步骤，包括：
根据所述围岩的结构特征和所述巷道横截面的外接圆半径，确定所述围岩中极限平衡下的塑性区半径Rs；
根据所述塑性区半径Rs和所述巷道的尺寸大小，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶。
优选的，所述确定是否实施所述预设方案的步骤，包括：
确定所述最大支护抗力P总和所述实际支护力P顶的比值；
若所述比值不小于预设第二阈值，则确定所述预设方案符合构造所述支护被筒的要求；
若所述比值小于所述预设第二阈值，则调整所述预设方案，以使调整后的方案符合构造所述支护被筒的要求。
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述构造卸压吸能被筒的步骤，包括：
当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述巷道周围具有高应力的围岩所占区域，确定钻孔参数，所述钻孔参数包括孔深、孔径以及钻孔间的间距；
根据所述钻孔参数从所述巷道开始向所述高应力的围岩区域进行打凿钻孔，构造所述卸压吸能被筒，以使所述高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起所述巷道周边围岩内的高应力远离所述巷道。
优选的，所述预设方案包括：所述支护材料的物理参数和所述支护材料的安装分布情况。
本发明实施例包括以下优点：
本发明根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒以增加巷道围岩的整体性和提高围岩自身的稳定性；通过当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道，让卸压吸能被筒范围内能量的释放和转移，让当卸压吸能被筒范围外有能量释放时，卸压吸能被筒能吸收能量。本发明通过该巷道“双被筒”的实施，达到保护巷道的目的。
附图说明
图1是本发明的一种半圆拱形巷道冲击矿压的“双被筒”平面示意图；
图2是本发明的一种半圆拱形巷道冲击矿压的“双被筒”三维示意图；
图3是本发明的一种保护矿井巷道的系统的实施步骤图；
图4是本发明的另一种保护矿井巷道的系统的实施步骤图；
图5是本发明的一种应力三向化转移原理图；
图6是本发明的一种大直径钻孔效果的数值模拟图；
图7是本发明的一种数值模拟图；
图8是本发明的一种无支护状态下垂直应力分布图；
图9是本发明的一种锚杆锚索支护状态下垂直应力分布图；
图10是本发明的一种锚杆锚索支护、长钻孔卸压状态下垂直应力分布图；
图11是本发明的一种7号点3月份应力曲线图；
图12是本发明的一种10号点3月份应力曲线图；
图13是本发明的一种1号应力传感器实时监测数据。
具体实施方式
参照图1，示出了一种半圆拱形巷道冲击矿压的“双被筒”平面示意图，其中，半圆拱形巷道的边缘到图中内环所形成的区域为整体让压桶状保护区，该保护区由支护被筒构成；内环到外环所形成的区域为塑性卸压桶状保护区，而卸压吸能被筒的区域由塑性卸压桶状保护区和整体让压桶状保护区组成。
本发明的核心思想为：通过支护材料强化巷道围岩，形成支护被筒，通过该支护被筒以增加巷道围岩的整体性和提高围岩自身的稳定性；针对强冲击区域，通过采用高压水力切缝实施全方位立体卸压，形成卸压吸能被筒，该卸压吸能被筒一是实现让卸压吸能被筒范围内能量的释放和转移，不形成冲击事件，二是当卸压吸能被筒范围外有能量释放时，卸压吸能被筒能吸收能量。本发明通过该巷道“双被筒”的实施，达到保护巷道的目的。参照图2，该图为构造“双被筒”的一种实例示意图，图中支护被筒具体采用锚网索支护，卸压吸能被筒的钻孔采用大直径卸压孔。
为使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图3，示出了本发明的一种保护矿井巷道的系统的实施步骤图，具体可以包括以下步骤：
步骤S301，根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒。
名词解释：围岩是指在岩体中进行开挖以后，扰动了原岩的自然平衡状态，引起岩体中应力的重新分布，发生应力变化的那部分岩体。
在本发明实施例中，巷道的横截面形状主要分为：圆形、矩形、半圆拱形。而不同形状的巷道会导致对应巷道中围岩的应力分布情况不同。
具体的，首先通过巷道的横截面形状，确定巷道的类型；然后，针对该类型的巷道，确定巷道中围岩的应力分布情况；最后，根据巷道中围岩的应力分布情况，用支护材料对该围岩进行加固，构造支护被筒。
步骤S302，当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道。
在本发明实施例中，随着矿井的开拓延伸，巷道也会越来越深。随着巷道深度的增加，越深的巷道位置的围岩中的应力越大。当围岩中的应力大小超过第一阈值时，即工作面进入煤矿强冲击区域时，用高压水力切缝钻机，针对该区域中围岩内的应力分布情况，在围岩中打凿多个钻孔，构造卸压吸能被筒，提前释放该卸压吸能被筒范围内的应力，以及使围岩内的高应力远离巷道。
在本发明实施例中，根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒以增加巷道围岩的整体性和提高围岩自身的稳定性；通过当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离巷道，让卸压吸能被筒范围内能量的释放和转移，让当卸压吸能被筒范围外有能量释放时，卸压吸能被筒能吸收能量。本发明通过该巷道“双被筒”的实施，达到保护巷道的目的。
参照图4，在上述实施例的基础上，示出了本发明的另一种保护矿井巷道的系统的实施步骤图，具体可以包括以下步骤：
步骤S401，根据所述围岩的应力分布情况，确定构造所述支护被筒的预设方案。
首先，根据现有技术确定巷道周围的围岩中应力分布情况。
然后，依据围岩中的应力分布情况，根据技术人员的经验确定支护材料的物理参数和支护材料的安装分布情况。
最后，绘制支护设计图，形成预设方案。
步骤S402，根据所述预设方案可提供的最大支护抗力P总和所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶，确定是否实施所述预设方案。
其中，预设方案是根据围岩的应力分布情况，针对构造支护被筒确定的预实施方案，通过用预设方案可提供的最大支护抗力P总和巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶，检测该预设方案是否符合施工要求，即确定是否实施该预设方案。具体的，该步骤S402包括以下子步骤：
子步骤S4021，确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总；
其中，预设方案中的支护材料至少包括：锚索和锚杆；通过锚索的材料性能和各锚索在所述预设方案中的安装分布情况以及所述巷道的尺寸，预计各锚索给所述巷道提供的最大支护抗力Ps；通过锚杆的材料性能和各锚杆在所述预设方案中的安装分布情况，预计各锚杆给所述巷道提供的最大支护抗力Pm；根据所述最大支护抗力Ps和所述最大支护抗力Pm的和值，确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总。
本发明实施例中，预设方案包括：支护材料的物理参数和支护材料的安装分布情况。例如，锚杆的规格大小(长度和直径的限定)、锚杆的种类、锚杆的屈服强度、锚索的规格大小(长度和直径的限定)、锚索的种类、锚索的屈服强度、锚杆托盘的尺寸大小、锚杆托盘的强度、锚索托盘的尺寸大小、锚索托盘的强度、锚杆间排距、锚索间排距、每排锚索根数、锚杆支护系数等。
在预计各锚索给巷道提供的最大支护抗力Ps时，先针对预设方案中选择的锚索进行材料性能测试，例如，检测该锚索对应的锚索破断力参数；然后，根据锚索在预设方案中的安装分布情况，确定锚索间排距和每排锚索根数；最后，用锚索支护抗力计算公式确定最大支护抗力Ps，具体公式如下：
式中，qs—锚索破断力(KN)；B—巷道宽度(m)；D—锚索排距(m)；n—每排锚索根数中的最小值。
在预计各锚杆给所述巷道提供的最大支护抗力Pm时，先针对预计方案中选择的锚杆进行材料性能测试，例如，检测该锚杆能够提供的锚杆锚固力；然后，根据锚杆在预设方案中的安装分布情况，确定锚杆间排距；最后，用锚杆支护力计算公式确定最大支护抗力Pm，具体公式如下：
式中，qm—锚杆锚固力(KN)；Dm—锚杆间排距(m)；η—锚杆支护系数。
在确定预设方案可提供的最大支护抗力P总时，将上述各锚索给巷道提供的最大支护抗力Ps和各锚杆给巷道提供的最大支护抗力Pm进行求和计算，得到最大支护抗力P总。即，通过公式：P总＝Ps+Pm，计算最大支护抗力P总。
子步骤S4022，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶。
其中，根据所述围岩的结构特征和所述巷道横截面的外接圆半径，确定所述围岩中极限平衡下的塑性区半径Rs；根据所述塑性区半径Rs和所述巷道的尺寸大小，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶。
在本发明实施例中，需要对围岩的结构特征进行测量，例如，需要测量上覆岩石平均容重、抗剪强度、围岩内摩擦角等参数。
在确定围岩中极限平衡下的塑性区半径Rs时，先根据巷道横截面，确定巷道外接圆半径；然后，根据抗剪强度，确定围岩粘结力；最后，用极限平衡下的塑性区半径的计算公式，确定围岩中极限平衡下的塑性区半径Rs，具体公式如下：
式中，R0—巷道横截面的外接圆半径(m)；γ—上覆岩石平均容重(KN/m3)；H—巷道埋深(m)；C—围岩粘结力(MPa)，其中，C＝τ/6，τ—抗剪强度(MPa)；φ—围岩内摩擦角，K—应力集中系数。
确定巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶的具体计算过程如下：
①、计算顶部岩石荷载的厚度，具体公式如下：
hd＝Rs-h/2
式中，Rs—围岩中极限平衡下的塑性区半径(m)；h—巷道高度(m)。
②、计算巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶，具体公式如下：
P顶＝∑γihi
式中，γi—体积力；hi—每层岩层的厚度。
子步骤S4023，确定是否实施所述预设方案。
其中，确定所述最大支护抗力P总和所述实际支护力P顶的比值；若所述比值不小于预设第二阈值，则确定所述预设方案符合构造所述支护被筒的要求；若所述比值小于所述预设第二阈值，则调整所述预设方案，以使调整后的方案符合构造所述支护被筒的要求。
在本发明实施例中，若预设方案能够被用来构造支护被筒，则判断的依据是安全系数不小于预设第二阈值，其中，安全系数为最大支护抗力P总和实际支护力P顶的比值。即，安全系数不小于预设第二阈值，满足工程要求，确定预设方案可以用来构造支护被筒；反之，若安全系数小于预设第二阈值，则说明预设方案不满足构造支护被筒的要求，需要对该预设方案进行不断的调整，直到被调整后的方案符合构造所述支护被筒的要求。
步骤S403，若确定实施所述预设方案，则用所述支护材料构造所述支护被筒。
在本发明实施例中，用符合构造所述支护被筒要求的预设方案进行施工，以构造支护被筒。
实际应用中，在安全系数不小于预设第二阈值的前提下，在更加危险的区域中，可适当调整预设方案，如，在强冲击区域时，将锚杆、锚索支护中的端锚改为加长锚固。在强冲击危险区或中等以上厚煤层托顶煤巷道采用锚网索梁+大直径托盘、高强度钢带、钢筋网等强抗变形和护表能力的主动高强复合支护方式，保持工作面一次支护，使支护被筒成为一个整体匹配的强度。
以上步骤是根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒的具体步骤。
步骤S404，当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道。
子步骤S4041，当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述巷道周围具有高应力的围岩所占区域，确定钻孔参数。
其中，所述钻孔参数包括孔深、孔径以及钻孔间的间距。第一阈值为判断煤矿所属区域的界限值，给第一阈值赋予不同的值就可以用来判断不同的区域。本发明实施例以用第一阈值判断煤矿强冲击区域为例，当围岩中的平均应力大小超过第一阈值时，即工作面处于煤矿强冲击区域时，需要先确定该强冲击区域中围岩的应力的分布情况后，针对具有高应力的围岩所占区域，结合数值模拟确定钻孔参数。其中，应力值越高或应力分布越密集的区域孔深、孔径适当加大，以及钻孔间的间距适当减小。
子步骤S4042，根据所述钻孔参数从所述巷道开始向所述高应力的围岩区域进行打凿钻孔，构造所述卸压吸能被筒，以使所述高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起所述巷道周边围岩内的高应力远离所述巷道。
在本发明实施例中，根据钻孔参数中的孔深、孔径以及钻孔间的间距，在巷道的对应位置通过高压水力切缝，让高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起所述巷道周边围岩内的高应力远离巷道。
在实际应用中，在工作面进入强冲击区域前，在工作面超前一定范围内，可先在巷道帮部采用高压水力切缝的方式预卸压；然后，对顶煤、顶板采用钻孔卸压和水力分层圆形切割卸压或爆破预裂卸压；最后，对底板实施钻孔灌水软化煤体。通过实施全方位立体式卸压，造成巷道一定深度围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力区，当发生冲击时，一方面钻孔形成的卸压空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出，另一方面该卸压空间内，由于其顶底板的闭合产生“楔形”阻力带，能够一定程度阻止煤体冲出。
在工作面进入强冲击区域后，根据该强冲击区域中围岩中应力的分布情况，针对具有高应力的围岩所占区域确定钻孔参数。根据钻孔参数在巷道的对应位置通过高压水力切缝的方式，让高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，进一步弱化围岩中的应力，防止冲击事件对巷道的影响。
本发明实施例通过巷道中围岩的应力分布情况，有针对性的确定构造支护被筒的预设方案，让预设方案更加的符合巷道的实际情况，可以有针对性的加固巷道；通过将预设方案能够提供的最大支护抗力和巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力进行比较，验证预设方案是否达到施工要求，让由预设方案构造的支护被筒，能够满足巷道的加固需求，不至于造成无效劳动；通过在工作面进入强冲击区域前提前对围岩进行卸压，一定程度上减少了强冲击区中围岩内的应力大小，减少了工作面进入强冲击区域的危险性；通过在工作面进入强冲击区域后，根据强冲击区域中围岩中应力的分布情况，有针对性的钻孔卸压让高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移。本发明在“双被筒”范围内实现了能量的释放和转移，不形成冲击事件；在“双被筒”范围外有能量释放时，卸压吸能被筒能吸收能量，从而达到保护巷道的目的。
在上述实施例的基础上，本实施例以对郭屯井田的巷道保护为例进行实例说明。具体如下：
郭屯井田位于山东省菏泽市郓城县城南约10km。该井田的3301工作面煤层厚度6.0m，煤层伪顶为泥岩0～3.13m，直接顶为粉砂岩4.58m，基本顶为细砂岩2.93m，直接底为泥岩1.34m，基本底为粉砂岩7.03m。工作面进回风巷道采用矩形断面，净宽为4.4m，净高为3.8m，托顶煤施工。
步骤一：根据上述数据分析巷道内围岩的应力分布情况，并根据该围岩的应力分布情况，确定构造支护被筒的预设方案。具体分析如下：
①、巷道围岩的应力分布情况
②、根据水压致裂法确定巷道围岩的应力分布情况。根据围岩的应力分布情况，确定构造支护被筒的预设方案
根据应力分布情况，确定巷道顶部的围岩的应力大于帮部的围岩的应力。因此，预设方案为：顶部选用Φ22×2400(mm)的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，屈服强度≥552MPa，间排距确定为900×900(mm)；帮部选用Φ20×2400(mm)的右旋等强全螺纹钢锚杆，屈服强度≥335MPa，锚杆间排距确定为900×900(mm)；锚索选用Φ22×8000(mm)的左旋预应力钢绞线，屈服强度≥1770MPa，锚索间排距为1800×900(mm)；锚杆托盘150×150×12(mm)，强度≥165KN；锚索托盘300×300×12(mm)，强度≥400KN；每排锚索根数中的最小值为2；锚杆支护系数0.35。
步骤二：验证预设方案是否符合构造支护被筒的要求。具体分析如下：
①、测量分析巷道围岩的结构特征参数和巷道尺寸参数，得到参数：上覆岩石平均容重25.15KN/m3、抗剪强度为20.65MPa、围岩内摩擦角30°、巷道最大埋深690m、巷道高度4.3m、巷道宽度4.4m。
用上述巷道高度和巷道宽度参数，根据几何算法，得到巷道外接圆半径为3.01m；用上述抗剪强度参数，通过τ＝6C公式，得到围岩粘结力参数3.44，其中，τ为抗剪强度，C为围岩粘结力。
③、计算预设方案中锚索提供的最大支护抗力。
式中，Ps为预设方案中锚索给巷道提供的最大支护抗力；qs为锚索破断力，根据对所选锚索拉力测试，得到qs＝510KN；B为巷道宽度，4.4m；D为锚索排距，0.9m；n为每排锚索根数中的最小值2。
经计算得：
④、计算预设方案中锚杆提供的最大支护抗力。
式中，Pm为预设方案中锚杆提供的最大支护抗力；qm为锚杆锚固力，根据对锚杆进行固力测试，qm＝100KN；Dm为锚杆间排距，0.9m；η为锚杆支护系数，0.35。
经计算得：
⑤、计算预设方案能够提供的最大支护抗力。
P总＝Ps+Pm
式中，P总为预设方案能够提供的最大支护抗力；Ps为预设方案中锚索给巷道提供的最大支护抗力，257.58KN/m2；Pm为预设方案中锚杆提供的最大支护抗力,43.21KN/m2。
经计算得：
P总＝257.58+43.21＝300.79(KN/m2)
⑥、计算围岩中极限平衡下的塑性区半径。
式中，Rs为围岩中极限平衡下的塑性区半径；R0为巷道横截面的外接圆半径，3.01m；γ为上覆岩石平均容重，25.15KN/m3；H巷道埋深，690m；C为围岩粘结力，3.44MPa；φ为围岩内摩擦角，30°；K为应力集中系数。
经计算得：
⑦、计算顶部岩石荷载的厚度。
hd＝Rs-h/2
式中，hd为顶部岩石荷载的厚度；Rs为围岩中极限平衡下的塑性区半径，7.0m；h为巷道高度，4.3m。
经计算得：
⑧、计算巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力。
P顶＝∑γihi
式中，P顶为维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力；γi—体积力；hi—每层岩层的厚度。
选取经典值经计算得：
P顶＝5.3×27.1＝143.63KN/m2
⑨、计算安全系数，并将安全系数与预设第二阈值，以确定预设方案是否符合构造支护被筒的要求。
K＝P总/P顶
式中，K为安全系数；P总为预设方案能够提供的最大支护抗力，300.79KN/m2；P顶为维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力，143.63KN/m2。
经计算得：
K＝300.79/143.63＝2.1＞1.5
式中，1.5为预设第二阈值。因此，预设方案符合构造支护被筒的要求。
步骤三：用预设方案为巷道加固，构造支护被筒。
根据预设方案，对巷道构造支护被筒。
步骤四：构造卸压吸能被筒。
根据围岩内的应力分布情况，对强冲击区域进行水力切缝，形成孔径150mm、孔深20m、间距1m的卸压吸能被筒。
根据“应力三向化转移”原理(参见图5)，除在巷道帮部、顶板、底板采用孔径150mm、孔深20m、间距1m预卸压外，对顶煤、顶板采用钻孔卸压和水力分层圆形切割卸压或爆破预裂卸压，对底板实施钻孔灌水软化煤体。通过实施全方位立体式卸压，造成巷道一定深度围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力区(参见图6)。
步骤五：对“双被筒”进行结果分析。
①、数值模拟分析
采用FLAC3D建立数值计算模型，对“双被筒”中的关键参数进行了分析，该模型尺寸为220m×200m×100m(长×宽×高)，底部固定，四周限制水平位移，施加20.7MPa的载荷，模拟850m的覆岩重量。材料采用摩尔-库仑本构模型，建立的数值模型如图7所示。用该模型分别模拟了无支护状态下围岩中垂直应力分布情况，和只有锚杆锚索支护状态下围岩内垂直应力分布情况，以及锚杆锚索支护+长钻孔卸压状态下围岩内的垂直应力分布情况。数值模拟结果如图8、图9、图10所示。
从图8、图9和图10对比下可看出，锚杆锚索支护支护状态下，峰值应力明显减小，最大应力减少2.5MPa，且有向巷道两帮深部转移的现象，但转移距离不明显。而在锚杆锚索支护+长钻孔卸压状态下，利用150mm×20m长距离、大直径卸压在巷道两帮和顶底板施打钻孔后，最大应力减少3.6MPa，峰值应力明显向巷道两帮深部转移，且转移距离与卸压钻孔的长度呈现正相关。
②、巷道在“双被筒”结构下的应力数据分析
根据3301工作面的布置特点及构造特征，压力传感器在两顺槽内自工作面向外开始布置，每20～30m一组，每组两个，埋设深度分别为8m、14m，每组两个测点间距0.5～1.0m。钻孔直径：φ42～44mm，使用φ42mm钻头施工；钻孔距离巷道煤层底板为1.0～1.5m，垂直于煤体、平行于煤层施工；压力传感器(钻孔应力计)油管长度9m，15m；初始打压值为4～5Mpa，黄色预警值一般为10～12Mpa，红色预警值一般为13～15Mpa。
参照图11、图12、图13。通过工作面超前应力数据看，在正常工作面10-30m应力较高的位置，应力在线系统显示数据较为正常，说明通过对巷道进行“双被筒”保护后，消除了应力集中或者使应力集中区向煤体深部转移。
工作面回采前，利用24通道的ARAMIS M/E区域微震监测系统，在工作面顺槽各安设一组监测探头，在靠近工作面两顺槽的集中轨道巷安设两组拾震器，充分利用四个监控点对工作面微震事件进行准确监测。
③、巷道在“双被筒”结构下的微震数据分析
工作面回采前，利用24通道的ARAMIS M/E区域微震监测系统，在工作面顺槽各安设一组监测探头，在靠近工作面两顺槽的集中轨道巷安设两组拾震器，充分利用四个监控点对工作面微震事件进行准确监测。通过微震事件分布范围来看，工作面进回风巷应用巷道“双被筒”保护理论，对工作面强冲击区域进行一次整体匹配强支护设计和超前全方位立体式卸压后，工作面微震事件均发生在距离工作面推采位置150m以外，工作面和超前150m范围内微震事件几乎没有出现；充分说明了巷道“双被筒”保护理论能够有效减弱工作面和超前范围内的应力积聚，并能够很好地吸收冲击事件能量，形成一个筒状弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部和外部转移，阻断大能量事件的能量传递，实现对工作面和超前范围内巷道的有效保护。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的一种保护矿井巷道的系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种保护矿井巷道的系统，其特征在于，所述系统包括：
根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒；
当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述围岩的应力分布情况，在所述巷道周围打凿出多个钻孔，构造卸压吸能被筒，以使所述围岩内的高应力远离所述巷道。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据巷道中围岩的应力分布情况用支护材料对所述围岩进行加固，构造支护被筒的步骤，包括：
根据所述围岩的应力分布情况，确定构造所述支护被筒的预设方案；
根据所述预设方案可提供的最大支护抗力P总和所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶，确定是否实施所述预设方案；
若确定实施所述预设方案，则用所述支护材料构造所述支护被筒。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预设方案中的支护材料至少包括：锚索和锚杆；确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总的步骤，包括：
通过锚索的材料性能和各锚索在所述预设方案中的安装分布情况以及所述巷道的尺寸，预计各锚索给所述巷道提供的最大支护抗力Ps；
通过锚杆的材料性能和各锚杆在所述预设方案中的安装分布情况，预计各锚杆给所述巷道提供的最大支护抗力Pm；
根据所述最大支护抗力Ps和所述最大支护抗力Pm的和值，确定所述预设方案可提供的最大支护抗力P总。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶的步骤，包括：
根据所述围岩的结构特征和所述巷道横截面的外接圆半径，确定所述围岩中极限平衡下的塑性区半径Rs；
根据所述塑性区半径Rs和所述巷道的尺寸大小，确定所述巷道维持极限平衡区岩石不冒落所需要的实际支护力P顶。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定是否实施所述预设方案的步骤，包括：
确定所述最大支护抗力P总和所述实际支护力P顶的比值；
若所述比值不小于预设第二阈值，则确定所述预设方案符合构造所述支护被筒的要求；
若所述比值小于所述预设第二阈值，则调整所述预设方案，以使调整后的方案符合构造所述支护被筒的要求。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述构造卸压吸能被筒的步骤，包括：
当所述围岩中的应力大小超过第一阈值时，根据所述巷道周围具有高应力的围岩所占区域，确定钻孔参数，所述钻孔参数包括孔深、孔径以及钻孔间的间距；
根据所述钻孔参数从所述巷道开始向所述高应力的围岩区域进行打凿钻孔，构造所述卸压吸能被筒，以使所述高应力围岩发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起所述巷道周边围岩内的高应力远离所述巷道。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预设方案包括：所述支护材料的物理参数和所述支护材料的安装分布情况。
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