CN114165283A - 冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿开采安全技术领域，提供一种冲击地压巷道支护系统的安全系数确定方法，其包括：S1、确定支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能；确定冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能；S2、计算所述支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的比值，得到安全系数。本发明通过确定安全系数和分级标准能够评估支护系统的危险等级，针对不同危险级别的巷道进行分级、分类管控，大幅度降低冲击地压巷道灾害发生的概率。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采安全技术领域，尤其涉及一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法。
背景技术
冲击地压(也即冲击矿压)是指煤矿开采空间内煤岩体由于弹性能的瞬时释放出现的一种突然剧烈破坏的动力现象，煤岩体破坏过程中伴有震动、巨响及气浪等特征，具有很强的破坏性，是影响深部矿井安全的重大灾害之一。近年来，我国煤矿安全形势日益好转，但也相继发生了多起较大、重大冲击地压事故，随着开采深度和强度的增加，冲击地压发生的频次和破坏程度均呈增大的趋势。冲击地压造成巷道大面积垮塌、人员伤亡、设备损伤以及诱发瓦斯突出等次生灾害，已成为严重制约矿井安全生产的主要灾害之一。
鉴于冲击地压事故主要发生在回采巷道，回采巷道冲击地压防治已成为目前国内外学者研究的焦点。冲击地压灾害的防治主要分为灾害预警和灾害防控，灾害预警主要包括微震监测、地音监测、电磁监测及煤柱应力监测等手段，灾害防控主要是从采区布置优化、主动解危和支护防冲等方面开展。由于冲击地压发生机理不清、发生地点和时间难以提前预测、预报，单独依靠预警、卸压解危等措施仍不能彻底控制冲击地压的发生。巷道支护作为巷道冲击地压防治的最后一道防线，合理的防冲支护能有效降低或避免冲击地压造成的破坏。
近年来，针对冲击地压巷道支护问题，国内外学者相继开发了多种支护方式，如高冲击韧性锚杆(索)支护、横阻大变形锚杆支护、O型钢棚、防冲支架等，多种支护也未能彻底遏制冲击地压对巷道造成坍塌、冒顶等事故，根本原因在于出现冲击地压事故的巷道支护系统安全系数均小于1，现有手段还无法科学确定巷道支护系统的安全系数。如果能科学确定冲击地压巷道的安全系数，对于安全系数小于1的巷道及时进行控制，可有效避免巷道冲击地压事故的发生。
发明内容
本发明提供一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，用以解决现有技术中无法科学确定巷道支护系统的安全系数，导致无法有效避免巷道冲击地压事故发生的缺陷，通过科学地确定巷道支护系统的安全系数，并根据安全系数进行分级，可对不同危险级别的巷道进行分级、分类管控，并实现对危险等级的支护系统进行安全措施补救，大幅度降低冲击地压巷道灾害发生的概率和破坏程度。
本发明提供一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，包括：
S1、确定支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能；确定冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能；
S2、计算所述支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的比值，得到安全系数。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
确定巷道冲击危险性等级和震级，从而确定冲击震源释放的能量；
利用得到的所述冲击震源释放的能量，根据理论公式，计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
通过实地监测巷道围岩震动速度和围岩破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
将模拟冲击波或实测冲击波曲线导入数值计算软件，通过反演和实验室试验确定围岩力学参数，确定震源冲击波传至巷道最近处的冲击振动速度和巷道破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能的确定方法包括：
计算锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量；
将所述锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量、所述钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量以及所述防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量依次相加求和，得到支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，在步骤S2之后，还包括：
S3、设定安全系数的阈值，若计算得到的安全系数小于所述阈值，则采取安全措施，使得安全系数不小于所述阈值。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述安全系数的阈值设定为1。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述安全措施包括：
采用卸压手段降低冲击地压震源处的能量，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述安全措施包括：
通过卸压手段，将震源与巷道间的围岩进行破裂，增大冲击应力波的传播阻尼系数，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，所述安全措施包括：
提高支护系统所能吸收的能量。
本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，将支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能二者的比值规定为安全系数，通过确定安全系数和分级标准能够评估支护系统的危险等级，针对不同危险级别的巷道进行分级、分类管控，大幅度降低冲击地压巷道灾害发生的概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法。该安全系数确定方法包括：
S1、确定支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能；确定冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能；
S2、计算支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的比值，得到安全系数。
具体来说，该安全系数的确定方法包括：首先，确定巷道中锚杆(索)支护、钢棚支护及防冲支架等支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能；然后，确定冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能，将两者比值规定为安全系数，将安全系数进行分级，安全系数小于1时巷道属于危险支护系统，安全系数位于1～1.5范围内时属于较安全支护系统，安全系数大于1.5时属于安全支护系统。通过确定冲击地压巷道支护系统的安全系数和分级标准，可对不同危险级别的巷道进行分级、分类管控，大幅度降低冲击地压巷道灾害发生的概率。
本发明提供的一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，将支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能二者的比值规定为安全系数，通过确定安全系数和分级标准能够评估支护系统的危险等级，针对不同危险级别的巷道进行分级、分类管控，大幅度降低冲击地压巷道灾害发生的概率。
其中，确定巷道周围围岩冲击动能有三种方法：1、采用理论计算；2、现场实测；3、数值计算。可以理解的是，冲击地压发生时，巷道临空面区域的冲击动能最大，也是冲击最危险区域，只要能保证临空面巷道支护系统的安全系数，其它区域巷道系数肯定会高于该区域。
在本发明的其中一个实施例中，采用理论计算的确定方法包括：确定巷道冲击危险性等级和震级，从而确定冲击震源释放的能量；利用得到的冲击震源释放的能量，根据理论公式，计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。具体地，确定巷道冲击危险性等级和震级可采用多种方法，如综合指数法、工程类比法等，考虑到安全性，震级取最大值。综合指数法是根据试验巷道的地质条件和生产条件，采用综合指数法对试验区域进行冲击倾向性判定，确定冲击危险性等级和震级。工程类比法是根据类似地质条件巷道掘进和回采过程中的微震监测矿压数据，确定试验巷道的冲击危险性等级和震级，实测微震数据更符合现场实际情况，通过震级可得出冲击震源释放的能量。理论计算方法是通过围岩冲击波衰减系数，根据理论公式计算得出巷道临空面单位面积的冲击动能。
在本发明的其中一个实施例中，采用现场实测的确定方法包括：利用巷道矿压监测的方法，通过长期实地监测巷道围岩震动速度、围岩破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
在本发明的其中一个实施例中，采用数值计算的确定方法包括：数值计算方法是通过数值计算软件，将模拟冲击波或实测冲击波曲线导入数值计算软件，通过反演和实验室试验确定围岩力学参数，数值计算确定震源冲击波传至巷道最近处的冲击振动速度和巷道破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
支护系统主要包括三类：1、锚杆(索)支护系统；2、钢棚支护系统；3、防冲支架支护系统。需要分类进行计算各自吸收的冲击动能，具体地，支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能的确定方法包括：计算锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量；将锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量、钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量以及防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量依次相加求和，得到支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能总和。
具体来说，计算锚杆(索)支护系统吸收能量的过程包括：首先要判断巷道冲击地压发生时围岩破坏范围，若围岩破坏范围超过锚杆或锚索长度，那么锚杆或锚索吸收能量定为0J，若破坏范围小于锚杆或锚索长度，那么再计算其所吸收的能量。根据巷道临空面冲击速度和方向，在实验室落锤试验机上开展锚杆和锚索原尺寸冲击测试，确定出锚杆和锚索最大所能吸收的冲击能量；然后采用同样的方法确定金属网、钢带等构件所能吸收的能量。将锚杆支护系统各构件吸收的能量依次相加确定出锚杆(索)支护系统单位支护面积所能吸收的能量。
具体来说，计算钢棚支护系统吸收能量的过程包括：由于钢棚尺寸较大，在实验室落锤冲击试验上开展原尺寸冲击试验比较困难，可采用1:5、1:10等比例缩放的方法制作相似物理模型开展试验，如有条件也可开展原尺寸冲击测试，冲击速度、方向等与现场冲击载荷尽可能保持一致，测试确定出物理模型所吸收的能量后，再进行理论计算确定钢棚支护系统原尺寸单位支护面积所能吸收的能量。
具体来说，计算防冲支架支护系统吸收能量的过程包括：防冲支架可在6500kN静-动复合加载液压冲击试验机上开展原尺寸测试，测试巷道所采用防冲支架所吸收的能量，测试过程中冲击速度和方向尽可能与现场保持一致，测试完成后确定出防冲支架单位支护面积所能吸收的能量。
在本发明的其中一个实施例中，在步骤S2之后，还包括：S3、设定安全系数的阈值，若计算得到的安全系数小于阈值，则采取安全措施，使得采取安全措施后计算得到的安全系数不小于阈值。其中，设定的安全系数的阈值设定为1，通过设定阈值将安全系数进行分级，安全系数小于1时巷道属于危险支护系统，安全系数位于1～1.5范围内时属于较安全支护系统，安全系数大于1.5时属于安全支护系统。对于安全系数小于1的巷道支护系统进行安全措施补救，使得补救之后的安全系数不小于1，最好大于1.5。安全系数的计算可以通过下述公式表示：
式中，s代表计算得到的安全系数；
Em代表锚杆(索)支护系统单位支护面积所能吸收的能量；
Ep代表钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量；
Ez代表防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量；
Eh代表冲击地压发生时，在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
在本发明的其中一个实施例中，安全措施包括以下三种手段：
1、采用区域压裂、局部钻孔卸压、深孔爆破等卸压手段降低冲击地压震源处的能量，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
2、通过爆破、钻孔卸压等手段，将震源与巷道间的围岩进行破裂，增大冲击应力波的传播阻尼系数，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
3、通过提高锚杆、锚索支护系统、钢棚支护系统、防冲支架支护系统的所能吸收的能量。通过减小间排距，增加强度和让位变形能力来提高支护系统所能吸收的能量。
三种方法可以单独使用，也可以自由组合，主要根据计算得到的安全系数决定采用哪一种安全措施或哪些安全措施的组合。若计算得到的安全系数较大，那么可以选择以上其中一种合适的安全措施进一步增大安全系数(或减小安全系数)；若计算得到的安全系数较小，那么可以选择以上多种安全措施的组合，从而较大提升安全系数，保证巷道支护的安全。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，包括：
S1、确定支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能；确定冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能；
S2、计算所述支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能与所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的比值，得到安全系数。
2.根据权利要求1所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
确定巷道冲击危险性等级和震级，从而确定冲击震源释放的能量；
利用得到的所述冲击震源释放的能量，根据理论公式，计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
3.根据权利要求1所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
通过实地监测巷道围岩震动速度和围岩破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
4.根据权利要求1所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能的确定方法包括：
将模拟冲击波或实测冲击波曲线导入数值计算软件，通过反演和实验室试验确定围岩力学参数，确定震源冲击波传至巷道最近处的冲击振动速度和巷道破坏范围，从而计算得到冲击地压发生时在巷道围岩临空面单位面积上积聚的最大冲击动能。
5.根据权利要求1所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能的确定方法包括：
计算锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量，计算防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量；
将所述锚杆、锚索支护系统单位支护面积所能吸收的能量、所述钢棚支护系统单位支护面积所能吸收的能量以及所述防冲支架支护系统单位支护面积所能吸收的能量依次相加求和，得到支护系统在巷道冲击临空面单位面积上所能吸收的冲击动能。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，在步骤S2之后，还包括：
S3、设定安全系数的阈值，若计算得到的安全系数小于所述阈值，则采取安全措施，使得安全系数不小于所述阈值。
7.根据权利要求6所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述安全系数的阈值设定为1。
8.根据权利要求6所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述安全措施包括：
采用卸压手段降低冲击地压震源处的能量，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
9.根据权利要求6所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述安全措施包括：
通过卸压手段，将震源与巷道间的围岩进行破裂，增大冲击应力波的传播阻尼系数，从而减小巷道临空面的单位面积冲击动能。
10.根据权利要求6所述的冲击地压巷道支护系统安全系数确定方法，其特征在于，所述安全措施包括：
提高支护系统所能吸收的能量。
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