CN112483130B - 一种高应力软岩巷道的支护方法 - Google Patents

一种高应力软岩巷道的支护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高应力软岩巷道的支护方法，该方法为：巷道开挖形成后，在其表面喷射混凝土，喷射的混凝土使巷道表面平整无坑洼；力‑电转化装置通过钢支撑与巷道壁紧密连接；沿巷道掘进方向每间隔1~2米架设安装一组力‑电转化装置。整个力‑电转化装置形成压力转化层，通过装置实现巷道表面无应力状态，杜绝高应力大变形带来的各种灾害，彻底改善了高应力大变形软岩体的稳定性，完全实现巷道一次支护；且能将应力转化并充分利用，极大节约建巷成本。

Description

一种高应力软岩巷道的支护方法
技术领域
本发明涉及一种高应力软岩巷道的支护方法，具体是一种力-电转化装置用于高应力大变形软岩巷道的支护方法。
背景技术
随着矿井开采范围的扩展，开采深度的不断增加，开采条件越来越困难，尤其是煤矿井下高应力软岩巷道具有大变形、易破坏的特点。在巷道支护过程中，经常出现巷道围岩变形过大超过支护材料的允许变形量，导致巷道支护失败。巷道出现变形破坏现象。
现有对于高应力大变形软岩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，在高应力条件下支护体会被压垮、压裂和压折；二是采用高强锚杆加锚索加网加喷混凝土和浅表部围岩注浆等复合支护技术，高应力条件下，这类锚固体会出现整体大变形，甚至锚杆、锚索断裂导致事故；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，在高应力条件下，支护体和巷道空间难以满足让压对变形量的要求，围岩的自承载能力增长有限。
近些年发展起来的刚柔耦合支护技术，是利用让压带让压和工字钢圆形全封闭刚性支架联合支护。使得煤岩体自身的应力随着让压的过程向深部转移一部分，剩余应力由金属支架支撑，取得了较好效果。但是，由于在让压带填充材料让压空间有限，要使围岩有足够的释放压力的空间就必须加大让压带，从而增加了巷道实际断面尺寸，增加了成本，带来巨大的经济负担，因此，在实际使用过程中仍存在着使用效果不理想的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种高应力软岩巷道的支护方法，将力-电转化装置用于高应力软岩巷道，用以解决高应力大变形软岩体巷道支护难题，可完全实现巷道一次性支护，彻底改善高应力大变形软岩巷道的稳定性；对软岩巷道的支护具有革命性成果。
本发明提供的高应力软岩巷道的支护方法，包括以下步骤：
步骤一、在巷道开挖后，立即在巷道表面喷射钢纤维混凝土层，使巷道表面平整无坑洼部位；
步骤二、在混凝土层的表面安装力-电转化装置；
步骤三、力-电转化装置通过钢支撑紧紧固定于巷道壁上，使装置与巷道表面完全接触；依据巷道应力大小及力-电转化装置功率决定沿巷道掘进方向架设力-电转化装置的数目。
进一步地，沿巷道掘进方向每间隔1~2米架设安装一组力-电转化装置。
力-电转化装置的具体安装过程为：在混凝土层的表面两帮位置各均匀钻取3个锚杆眼、顶板均匀钻取5个锚杆眼，架设钢支撑（U型钢支架或工字钢支架）并在钢支架上钻取对应位置的11个锚杆眼，将力-电转化装置放置在钢支撑与混凝土层锚杆眼之间位置，安装锚杆并使锚杆依次穿过钢支撑锚杆眼、力-电转化装置预留锚杆眼、混凝土层锚杆眼，力-电转化装置被紧紧固定于巷道壁与钢支撑之间，使装置与巷道表面完全接触。
上述技术方案中，所述力-电转化装置具有压力转化功能和能量利用功能，压力转化功能可以吸收巷道表面应力，使巷道临空面处于一种无应力状态；装置吸收的巷道应力通过能量利用功能将起初巷道围岩应力具有的能量转化成其他形式的能量释放出来实现能量的有效利用。
所述力-电转化装置内部置有介电弹性体，介电弹性体作为一种典型的智能软体材料电致活性聚合物，它能够在外力作用下产生大的变形，将机械能转化为电能，实现力电之间的相互转换。利用这一性质，力-电转化装置可将巷道初始高应力吸收并转化成能量（电能），并通过供给矿用防爆LED灯将能量释放利用掉。
所述的力-电转化装置为圆柱体结构，包括承压片、压力传送螺纹轴、基壳、中央转轴、轴承、滚轮转盘、滚轮式推杆、复位弹簧、介电弹性体薄膜发电板、矿用导线、防爆稳压二级管、矿用防爆LED灯；其中，所述力-电转化装置的中央转轴、轴承、滚轮转盘、滚轮式推杆、复位弹簧、介电弹性体薄膜发电板设置于装置基壳内部，承压片与喷射混凝土后的巷道围岩壁直接接触，所述承压片下部设置压力传送螺纹轴，所述压力传送螺纹轴通过中央转轴与基壳对接，所述介电弹性体薄膜发电板与稳压器和矿用防爆灯之间通过矿用导线连接。
所述承压片在围岩压力作用下，通过所述压力传送螺纹轴插入中央转轴中带动中央转轴旋转，所述中央转轴上设置多个滚轮转盘，每个滚轮转盘通过滚轮式推杆带动介电弹性体薄膜发电板进行拉伸-复位循环运功，利用介电弹性体薄膜材料的变形，从而实现力与电能的转换。
所述压力传送螺纹轴自身固定在承压片下，同时在承压片和压力传送轴中央均设有贯通锚杆眼。
所述中央转轴的上、下两端通过轴承焊接固定在基壳内部中央。
所述中央转轴外部设有多个滚轮转盘，内部设有贯通锚杆眼，锚杆眼内壁上设有螺纹。
所述压力传送螺纹轴的螺纹与中央转轴内部螺纹相匹配，压力传送螺纹轴高度与基座高度一致，两者贯通锚杆眼直径大小一致。
所述滚轮转盘外轮廓上设有滚轮轨道；所述滚轮转盘与底座壁之间设有推杆支撑架；所述滚轮转盘与推杆支撑架之间的杆体上设有复位弹簧。
所述滚轮式推杆穿过支撑架上的通孔，一端固定有滚轮，滚轮与滚轮转盘接触，另一端固定有绝缘球，绝缘球与介电弹性体薄膜发电板接触。
所述介电弹性体薄膜发电板由多层介电弹性体薄膜叠加而成，形状为正方形，高度与基座高度一致，其左、右及下部通过插槽分别固定在底座壁和基座底上。
所述介电弹性体薄膜发电板共设置四块，均匀插布在基座内部。
所述防爆稳压二级管与所述矿用防爆LED灯环形安装在基壳外轮廓壁上
所述矿用导线依次连接所述介电弹性体薄膜发电板、防爆稳压二级管和矿用防爆LED灯
所述力-电转化装置通过锚杆穿过预留的贯通锚杆眼将力-电转化装置固定于钢支撑结构和巷道围岩之间。
所述钢支撑结构为U型钢支架或工字钢支架，钢支撑结构的左、右两侧各均匀设有三个锚杆孔，顶部均匀设有五个锚杆孔。
所述力-电转化装置沿巷道掘进方向架设安装组数为N组，N≥1；依据巷道应力大小及装置功率决定装置架设安装组数。所述每个钢支撑结构上每个锚杆孔位置可安装一个力-电转化装置，共可安装11个，此为一组。
本发明提供的力-电转化装置用于高应力软岩巷道的支护方法，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于：
本发明方法利用力-电转化装置可完全实现巷道壁无应力状态，杜绝高应力带来的各种灾害，彻底改善了高应力大变形软岩体的稳定性，可完全实现巷道一次性支护，支护工艺简洁有效，且可实现能量转换再利用，降低工程造价，体现环保理念。
附图说明
图1是巷道支护结构示意图。
图2为力-电转化装置的结构示意图。
图3为承压片与压力传送螺纹轴剖面结构示意图。
图4为基壳剖面结构示意图。
图5为介电弹性体薄膜发电板未变形状态示意图。
图6为介电弹性体薄膜发电板发生变形状态示意图。
图中：1为混凝土层，2为力-电转化装置，3为钢支撑，4为岩、煤体，5为巷道，6为承压片，7为压力传送螺纹轴，8为贯通锚杆眼，9为基壳，10为矿用LED防爆灯，11为推杆，12为轴承，13为介电弹性体薄膜发电板，14为螺纹，15为推杆支撑架，16为滚轮，17为绝缘圆球，18为复位弹簧，19为滚轮转盘。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明所提供的一种力-电转化装置用于高应力软岩巷道的支护方法，其具体实施方法步骤如下：
步骤一、在巷道开挖后，立即在巷道表面喷射钢纤维混凝土层，使巷道表面平整无坑洼部位；
步骤二、在混凝土层的表面上，对应位置安装力-电转化装置；
力-电转化装置的具体安装过程为：在混凝土层的表面两帮位置各均匀钻取3个锚杆眼、顶板均匀钻取5个锚杆眼，架设钢支撑（U型钢支架或工字钢支架）并在钢支架上钻取对应位置的11个锚杆眼，将力-电转化装置放置在钢支撑与混凝土层锚杆眼之间位置，安装锚杆并使锚杆依次穿过钢支撑锚杆眼、力-电转化装置预留锚杆眼、混凝土层锚杆眼，力-电转化装置被紧紧固定于巷道壁与钢支撑之间上，使装置与巷道表面完全接触；
依据巷道应力大小及每组力-电转化装置功率决定沿巷道掘进方向架设安装的装置组数。具体地，沿巷道掘进方向每间隔2~4米架设安装一组力-电转化装置。
上述技术方案中，所述力-电转化装置具有压力转化功能和能量利用功能，压力转化功能可以吸收巷道表面应力，使巷道临空面处于一种无应力状态；装置吸收的巷道应力通过能量利用功能将起初巷道围岩应力具有的能量转化成其他形式的能量释放出来实现能量的有效利用。
所述力-电转化装置内部置有内部置有介电弹性体，其主要特征是：介电弹性体具有明显的应力转换功能，可将巷道初始高应力完全吸收并转化成其他形式能量。
本发明方法通过上述构架支护，将具有能量转化利用功能的力-电转化装置紧紧固定于巷道上，根据高应力软岩巷道的具体情况，沿巷道掘进方向架设安装一个或多个装置，经完整巷道的应力完全吸收转化利用。保证巷道处于无应力状态，杜绝高应力带来的各种灾害，彻底改善了高应力大变形软岩体的稳定性，完全实现巷道一次性支护。
所述力-电转化装置2内部置有介电弹性体，介电弹性体作为一种典型的智能软体材料电致活性聚合物，它能够在外力作用下产生大的变形，将机械能转化为电能，实现力电之间的相互转换。利用这一性质，力-电转化装置可将巷道初始高应力吸收并转化成能量（电能），并通过供给矿用防爆LED灯将能量释放利用掉。
所述的力-电转化装置2为圆柱体结构，包括承压片6、压力传送螺纹轴7、基壳9、中央转轴、轴承12、滚轮转盘19、滚轮式推杆11、复位弹簧18、介电弹性体薄膜发电板13、矿用导线、防爆稳压二级管、矿用防爆LED灯10；其中，所述力-电转化装置的中央转轴、轴承12、滚轮转盘19、滚轮式推杆11、复位弹簧18、介电弹性体薄膜发电板13设置于装置基壳9内部，承压片6与喷射混凝土后的巷道围岩壁直接接触，所述承压片6下部设置压力传送螺纹轴7，所述压力传送螺纹轴7通过中央转轴与基壳9对接，所述介电弹性体薄膜发电板与稳压器和矿用防爆灯之间通过矿用导线连接。
所述承压片6在围岩压力作用下，通过所述压力传送螺纹轴7插入中央转轴中带动中央转轴旋转，所述中央转轴上设置多个滚轮转盘19，每个滚轮转盘19通过滚轮式推杆11带动介电弹性体薄膜发电板13进行拉伸-复位循环运功，利用介电弹性体薄膜材料的变形，从而实现力与电能的转换。
所述压力传送螺纹轴7自身固定在承压片6下，同时在承压片6和压力传送轴中央均设有贯通锚杆眼。
所述中央转轴的上、下两端通过轴承焊接固定在基壳内部中央。
所述中央转轴外部设有多个滚轮转盘19，内部设有贯通锚杆眼，锚杆眼内壁上设有螺纹。
所述压力传送螺纹轴7的螺纹与中央转轴内部螺纹相匹配，压力传送螺纹轴7高度与基座高度一致，两者贯通锚杆眼直径大小一致。
所述滚轮转盘19外轮廓上设有滚轮轨道；所述滚轮转盘19与底座壁之间设有推杆支撑架15；所述滚轮转盘19与推杆支撑架15之间的推杆上设有复位弹簧。
所述滚轮式推杆11穿过支撑架上的通孔，一端固定有滚轮16，滚轮16与滚轮转盘19接触，另一端固定有绝缘圆球17，绝缘圆球17与介电弹性体薄膜发电板13接触。
所述介电弹性体薄膜发电板13由多层介电弹性体薄膜叠加而成，形状为正方形，高度与基座高度一致，其左、右及下部通过插槽分别固定在底座壁和基座底上。
所述介电弹性体薄膜发电板共设置四块，均匀插布在基座内部，与绝缘圆球17接触。
所述防爆稳压二级管与所述矿用LED防爆灯10环形安装在基壳9外轮廓壁上
所述矿用导线依次连接所述介电弹性体薄膜发电板13、防爆稳压二级管和矿用防爆LED灯10。
所述力-电转化装置通过锚杆穿过预留的贯通锚杆眼将力-电转化装置固定于钢支撑结构和巷道围岩之间。
所述钢支撑结构为U型钢支架或工字钢支架，钢支撑结构的左、右两侧各均匀设有三个锚杆孔，顶部均匀设有五个锚杆孔。
所述力-电转化装置沿巷道掘进方向架设安装组数为N组，N≥1；依据巷道应力大小及装置功率决定装置架设安装组数。所述每个钢支撑结构上每个锚杆孔位置可安装一个力-电转化装置，共可安装11个，此为一组。
本发明方法通过上述构架支护，将具有能量转化利用功能的力-电转化装置紧紧固定于巷道上，根据高应力软岩巷道的具体情况，沿巷道掘进方向架设安装一个或多个装置，经完整巷道的应力完全吸收转化利用。保证巷道处于无应力状态，杜绝高应力带来的各种灾害，彻底改善了高应力大变形软岩体的稳定性，完全实现巷道一次性支护。

Claims (10)

1.一种高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在巷道开挖后，立即在巷道表面喷射钢纤维混凝土层，使巷道表面平整无坑洼部位；
步骤二、在混凝土层的表面安装力-电转化装置；
步骤三、力-电转化装置通过钢支撑紧紧固定于巷道壁上，使装置与巷道表面完全接触；依据巷道应力大小及力-电转化装置功率决定沿巷道掘进方向架设力-电转化装置的数目。
2.根据权利要求1所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：沿巷道掘进方向每间隔1~2米架设安装一组力-电转化装置。
3.根据权利要求1所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：力-电转化装置的具体安装过程为：在混凝土层的表面两帮位置各均匀钻取3个锚杆眼、顶板均匀钻取5个锚杆眼，架设钢支架并在钢支架上钻取对应位置的11个锚杆眼，将力-电转化装置放置在钢支撑与混凝土层锚杆眼之间的位置，安装锚杆并使锚杆依次穿过钢支撑锚杆眼、力-电转化装置预留锚杆眼、混凝土层锚杆眼，力-电转化装置被紧紧固定于巷道壁与钢支撑之间，使装置与巷道表面完全接触。
4.根据权利要求1所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述的力-电转化装置为圆柱体结构，包括承压片、压力传送螺纹轴、基壳、中央转轴、轴承、滚轮转盘、滚轮式推杆、复位弹簧、介电弹性体薄膜发电板、矿用导线、防爆稳压二极管、矿用防爆LED灯；其中，所述力-电转化装置的中央转轴、轴承、滚轮转盘、滚轮式推杆、复位弹簧、介电弹性体薄膜发电板设置于基壳内部，承压片与喷射混凝土后的巷道围岩壁直接接触，所述承压片下部设置压力传送螺纹轴，所述压力传送螺纹轴通过中央转轴与基壳对接。
5.根据权利要求4所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述承压片在围岩压力作用下，通过压力传送螺纹轴插入中央转轴中带动中央转轴旋转，所述中央转轴上设置多个滚轮转盘，每个滚轮转盘通过滚轮式推杆带动介电弹性体薄膜发电板进行拉伸-复位循环运功，利用介电弹性体薄膜材料的变形，从而实现力与电能的转换。
6.根据权利要求4所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述压力传送螺纹轴自身固定在承压片下，同时在承压片和压力传送轴中央均设有贯通锚杆眼。
7.根据权利要求4所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述中央转轴的上、下两端通过轴承焊接固定在基壳内部中央；
所述中央转轴外部设有多个滚轮转盘，内部设有贯通锚杆眼，锚杆眼内壁上设有螺纹；
所述压力传送螺纹轴的螺纹与中央转轴内部螺纹相匹配，压力传送螺纹轴高度与基座高度一致，两者贯通锚杆眼直径大小一致。
8.根据权利要求4所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述滚轮转盘外轮廓上设有滚轮轨道；所述滚轮转盘与底座壁之间设有推杆支撑架；所述滚轮转盘与推杆支撑架之间的杆体上设有复位弹簧；
所述滚轮式推杆穿过支撑架上的通孔，一端固定有滚轮，滚轮与滚轮转盘接触，另一端固定有绝缘球，绝缘球与介电弹性体薄膜发电板接触；
所述介电弹性体薄膜发电板由多层介电弹性体薄膜叠加而成，形状为正方形，高度与基座高度一致，其左、右及下部通过插槽分别固定在底座壁和基座底上；所述介电弹性体薄膜发电板共设置四块，均匀插布在基座内部。
9.根据权利要求4所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述防爆稳压二极管与所述矿用防爆LED灯环形安装在基壳外轮廓壁上；
所述矿用导线依次连接介电弹性体薄膜发电板、防爆稳压二极管和矿用防爆LED灯。
10.根据权利要求1所述的高应力软岩巷道的支护方法，其特征在于：所述钢支撑结构为U型钢支架或工字钢支架，钢支撑结构的左、右两侧各均匀设有三个锚杆孔，顶部均匀设有五个锚杆孔；
所述力-电转化装置沿巷道掘进方向架设安装组数为N组，N≥1；每个钢支撑结构上每个锚杆孔位置安装一个力-电转化装置，共安装11个，此为一组。
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