CN113704861A - 深部巷道吸能支护设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了深部巷道吸能支护设计方法及系统，属于煤炭开采安全控制技术领域，包括以下步骤和流程：建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。本发明基于巷道围岩聚集的能量进行吸能支护设计，能够有效防治冲击地压等动力灾害。

Description

深部巷道吸能支护设计方法及系统
技术领域
本发明涉及煤炭开采安全控制技术领域，尤其涉及深部巷道吸能支护设计方法及系统。
背景技术
随着开采深度的增加，高应力特征更加明显，煤岩体破碎更加严重，巷道围岩能量聚集更加显著，由此引发的冲击地压等强动力灾害更加频繁，严重地威胁着煤矿开采的安全。巷道围岩能量的聚集是造成冲击地压动力灾害的主要因素。
目前已有许多矿井通过巷道钻孔卸压、切顶卸压等手段进行了冲击地压的有效防治，其本质为通过改变巷道围岩结构释放大量巷道围岩中聚集的能量。但是发明人发现，在巷道围岩卸压后仍会有剩余能量聚集，仍可能存在冲击地压危险。经传统强度设计的支护已无法完全避免深部煤矿巷道冲击地压的发生。现有巷道支护主要基于支护构件力学性能和巷道围岩强度之间的关系进行设计，难以从根本上防治冲击地压。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种深部巷道吸能支护设计方法及系统，以巷道覆岩破断时的最大能量释放量为基础依据，基于围岩聚集的能量进行吸能支护设计，得到的支护参数更贴近于实际工程现场，可有效防治冲击地压等动力灾害。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种深部巷道吸能支护设计方法，包括：
建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
作为进一步的实现方式，设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量不大于吸能支护件最大能量吸收量与依据巷道覆岩破断时沿巷道走向的破断长度及安全系数的乘积。
作为进一步的实现方式，所述吸能支护件采用吸能锚杆或锚索、吸能柔性网和吸能支顶柱；
吸能支护件最大能量吸收量为每米长度巷道所需吸能锚杆或锚索数量与每根吸能锚杆或锚索最大能量吸收量的乘积、每米长度巷道所需吸能柔性网面积与单位面积吸能柔性网最大能量吸收量的乘积和每米长度巷道所需吸能支顶柱数量与每根吸能支顶柱最大能量吸收量的乘积之和。
作为进一步的实现方式，每根吸能锚杆或锚索的最大能量吸收量为吸能锚杆或锚索的吸能性能参数，单位面积吸能柔性网最大能量吸收量为吸能柔性网的吸能性能参数，每根吸能支顶柱的最大能量吸收量为吸能支顶柱的吸能性能参数。
作为进一步的实现方式，基于围岩能量计算模型，结合微震监测数据，确定工作面开采时依据巷道处最大的矿震能级；根据矿震能级与覆岩破断释放的总能量比值，得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量。
作为进一步的实现方式，根据设计巷道与依据巷道顶板能量平均密度的比值，得到设计巷道与依据巷道的能量差异系数。
作为进一步的实现方式，设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量为能量差异系数与依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量的乘积。
作为进一步的实现方式，满足支护强度要求且每米长度巷道所需要总支护经济性最优的吸能支护基础参数为最优吸能支护基础参数。
作为进一步的实现方式，根据最优吸能支护基础参数进行不同吸能支护件的间排距参数方案设计，并开展数值对比试验，确定吸能支护件施打位置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种深部巷道吸能支护设计系统，包括：
围岩能量计算模型建立模块，用于建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
设计巷道最大能量释放量获取模块，用于根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
吸能支护基础参数确定模块，用于获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
巷道支护方案形成模块，用于对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的一个或多个实施方式设立了设计巷道与依据巷道的能量差异系数，通过该系数可建立设计巷道与依据巷道之间围岩能量的关系，进而根据依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量得到设计巷道的对应值；相较于利用理论计算得出的巷道围岩最大能量释放量更加贴近实际工程现场，以此设计出的支护参数对于巷道的支护控制来说更有保障。
（2）本发明的一个或多个实施方式的吸能支护基础参数由深部巷道能量支护设计公式得到，吸能支护基础参数有多种满足设计公式的排列组合；通过对每组吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算后，可得到既能满足围岩支护强度要求、经济性又最高的吸能支护基础参数，即最优吸能支护基础参数，从而获得最佳的支护方案。
（3）本发明的一个或多个实施方式基于围岩聚集的能量以及围岩支护强度需求进行综合设计，能够从根本上防治冲击地压等动力灾害；综合考虑了巷道支护设计时能量吸收、支护强度与经济性三类最为关键的因素，设计方法适用性广，可操作性强，通过综合设计确定的最优支护参数安全性高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的具体设计步骤框图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种深部巷道吸能支护设计方法，如图1所示，包括：
建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
在本实施例中，依据巷道是指与所需设计巷道具有类似工况条件的巷道，最好为与设计巷道相邻的已开采完毕的工作面巷道。
具体的，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：进行巷道围岩能量计算，通过现场微震监测得到依据巷道最大能量释放量，通过围岩能量计算模型得到设计巷道与依据巷道的能量差异系数，最终计算得到设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量。
进一步的，将与设计巷道具有类似工况条件的巷道作为依据巷道，根据现场微震监测数据，确定工作面开采时依据巷道处最大的矿震能级。按矿震能级与覆岩破断释放的总能量比值计算，得出依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量。
本实施例以依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量为基础依据，对设计巷道进行能量支护设计，相较于利用理论计算得出的巷道围岩最大能量释放量更加贴近实际工程现场，以此设计出的支护参数对于巷道的支护控制来说更有保障。
按照设计巷道与依据巷道的真实工况条件建立巷道顶板围岩能量数值计算模型，根据围岩能量计算模型得到巷道顶板围岩各点处的能量密度。确定设计巷道、依据巷道顶板围岩能量密度存在明显差异的范围面积，计算得出设计巷道、依据巷道能量平均密度，进而得出设计巷道、依据巷道的能量差异系数，公式为：
k=Es/Ec（1）
式（1）中，k为设计巷道与依据巷道的顶板能量差异系数；Es为设计巷道顶板能量平均密度，J/m3；Ec为依据巷道顶板能量平均密度，J/m3。
由依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量与两类巷道的能量差异系数计算得出设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量，公式为：
Ws-max=k
Figure 42748DEST_PATH_IMAGE002
Wc-max（2）
式（2）中，Ws-max为设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量，J；Wc-max为依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量，J。
本实施例设立了设计巷道与依据巷道的能量差异系数，该系数是根据设计巷道与依据巷道顶板能量平均密度的比值得到，通过该系数可建立设计巷道与依据巷道之间围岩能量的关系，进而根据依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量得到设计巷道的对应值，为后续支护设计提供基础参数Ws-max。
步骤二：进行吸能支护性能测试，得出吸能锚杆或锚索、吸能柔性网与吸能支顶柱的吸能性能参数。其中，吸能锚杆或锚索、吸能柔性网和吸能支顶柱构成吸能支护件。
进一步的，吸能锚杆或锚索的吸能性能参数为每根吸能锚杆或锚索的最大能量吸收量Wm，由静力拉伸室内试验得到。
吸能柔性网的吸能性能参数为单位面积吸能柔性网的最大能量吸收量Wn，由静力冲击室内试验得到。
吸能支顶柱的吸能性能参数为每根吸能支顶柱的最大能量吸收量，由单轴压缩室内试验得到。
步骤三：根据设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量与吸能支护件的吸能性能参数进行吸能支护基础参数设计，并进行支护强度与经济性验算。
吸能支护基础参数设计计算公式为：
Ws-max≤
Figure 328235DEST_PATH_IMAGE003
L（nmWm+SnWn+nzWz）（3）
式（3）中，nm为每米长度巷道所需吸能锚杆或锚索的数量，根；Wm为单根吸能锚杆或锚索可以吸收的能量；Sn为每米长度巷道所需吸能柔性网的面积，m2；Wn为单位面积吸能柔性网可以吸收的能量；nz为每米长度巷道所需吸能支顶柱的数量，根；Wz为单根吸能支顶柱可以吸收的能量；
Figure 861985DEST_PATH_IMAGE004
为安全系数；L为依据巷道覆岩破断时沿巷道走向的破断长度，m。
经上述支护参数设计后，可得到nm、Sn、nz参数的多组排列组合数据，对设计后的多组参数分别进行支护强度与经济性验算：
Pnum≤（Pm
Figure 119791DEST_PATH_IMAGE002
nm）+（Pn
Figure 346373DEST_PATH_IMAGE002
Sn）+（Pz
Figure 322419DEST_PATH_IMAGE002
nz）（4）
式（4）中，Pnum为每米长度巷道所需要的总支护强度，kN/m；Pm为每根吸能锚杆或锚索的设计支护强度，Pn为单位面积吸能柔性网的设计支护强度，Pz为每根吸能支顶柱的设计支护强度，预先由吸能支护性能测试试验得到，kN。
Qnum≤（Qm
Figure 394280DEST_PATH_IMAGE002
nm）+（Qn
Figure 37751DEST_PATH_IMAGE002
Sn）+（Qz
Figure 107339DEST_PATH_IMAGE002
nz）（5）
式（5）中，Qnum为每米长度巷道支护所需费用，元；Qm、Qn、Qz分别为单位数量吸能锚杆或锚索、吸能柔性网与吸能支顶柱支护所需费用，元。
通过上述验算后，将满足支护强度并使Qnum最小的参数nm、Sn、nz确定为最优吸能支护基础参数。
本实施例通过对每组吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，可得到既能满足围岩支护强度要求，经济性又最高的吸能支护基础参数nm、Sn、nz，该参数是综合考虑能量、强度与经济性后得出的最优吸能支护基础参数。
步骤四：对验算后的吸能支护基础参数进行不同支护件的间排距参数方案设计，并开展数值对比试验，确定吸能支护件施打位置。
数值对比试验主要为不同吸能锚杆或锚索间排距与吸能支顶柱间排距的对比试验，通过建立巷道围岩应力与变形评价指标确定最优方案，从而指导吸能支护件的施打位置。
本实施例综合考虑了巷道支护设计时能量吸收、支护强度与经济性三类最为关键的因素，设计方法适用性广，可操作性强，通过综合设计确定的最优支护参数安全性高，而且更经济。
实施例二：
本实施例提供了一种深部巷道吸能支护设计系统，包括：
围岩能量计算模型建立模块，用于建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
设计巷道最大能量释放量获取模块，用于根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
吸能支护基础参数确定模块，用于获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
巷道支护方案形成模块，用于对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
可以理解的是，所述深部巷道吸能支护设计系统的工作方法与实施例一提供的深部巷道吸能支护设计方法相同，可以参见上述实施例一中的详细描述，这里不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，包括：
建立围岩能量计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
2.根据权利要求1所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量不大于吸能支护件最大能量吸收量与依据巷道覆岩破断时沿巷道走向的破断长度及安全系数的乘积。
3.根据权利要求2所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，所述吸能支护件采用吸能锚杆或锚索、吸能柔性网和吸能支顶柱；
吸能支护件最大能量吸收量为每米长度巷道所需吸能锚杆或锚索数量与每根吸能锚杆或锚索最大能量吸收量的乘积、每米长度巷道所需吸能柔性网面积与单位面积吸能柔性网最大能量吸收量的乘积和每米长度巷道所需吸能支顶柱数量与每根吸能支顶柱最大能量吸收量的乘积之和。
4.根据权利要求3所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，每根吸能锚杆或锚索的最大能量吸收量为吸能锚杆或锚索的吸能性能参数，单位面积吸能柔性网最大能量吸收量为吸能柔性网的吸能性能参数，每根吸能支顶柱的最大能量吸收量为吸能支顶柱的吸能性能参数。
5.根据权利要求1所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，基于围岩能量计算模型，结合微震监测数据，确定工作面开采时依据巷道处最大的矿震能级；根据矿震能级与覆岩破断释放的总能量比值，得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量。
6.根据权利要求1或5所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，根据设计巷道与依据巷道顶板能量平均密度的比值，得到设计巷道与依据巷道的能量差异系数。
7.根据权利要求6所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量为能量差异系数与依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量的乘积。
8.根据权利要求1所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，满足支护强度要求且每米长度巷道所需要总支护经济性最优的吸能支护基础参数为最优吸能支护基础参数。
9.根据权利要求1或8所述的深部巷道吸能支护设计方法，其特征在于，根据最优吸能支护基础参数进行不同吸能支护件的间排距参数方案设计，并开展数值对比试验，确定吸能支护件施打位置。
10.深部巷道吸能支护设计系统，其特征在于，包括：
围岩能量计算模型建立模块，用于建立围岩能量数值计算模型，计算得到依据巷道覆岩破断时的最大能量释放量、设计巷道与依据巷道的能量差异系数；
设计巷道最大能量释放量获取模块，用于根据依据巷道的最大能量释放量和能量差异系数，计算设计巷道覆岩破断时的最大能量释放量；
吸能支护基础参数确定模块，用于获取吸能支护件的吸能性能参数，根据设计巷道的最大能量释放量和吸能支护件的吸能性能参数得到吸能支护基础参数；
巷道支护方案形成模块，用于对吸能支护基础参数进行支护强度与经济性验算，确定最优吸能支护基础参数，最终形成巷道支护方案。
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