CN115539104A - 一种冲击地压顶帮联合支护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击地压顶帮联合支护装置及方法，包括锚网支护、第一钢支护(2)+柔性智能抗冲击材料(3)+第二钢支护(4)以及顶帮抗冲击装置(7)，以实现三级联合支护。包括以下步骤：S1：锚网支护的安装；S2：由第一钢支护(2)、柔性智能抗冲击材料(3)和第二钢支护(4)组成的二级支护的安装；S3：顶帮抗冲击装置(7)的安装，通过套筒伸缩器(8)固定装置位置，装置下部设有压力传感器(9)、弹簧体(15)和底座(11)，两帮底部设有链杆(14)、活塞(12)和钢垫片(10)，将顶部传来的压力通过链杆、活塞和钢垫片传递给两帮。本方法能层层缓冲泄压，吸收释放的能量，有效防治过大冲击，保证巷道安全施工，有广泛的应用前景。

Description

一种冲击地压顶帮联合支护装置及方法

技术领域

本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种冲击地压顶帮联合支护装置及方法。

背景技术

冲击地压是一种矿山动力现象，通常将其定义为储存在矿山井巷和采场周围煤岩体变形能的剧烈释放，并伴随煤岩体突然、急剧、猛烈破坏为特征的现象。简单地讲，就是煤岩体的突然破坏现象。冲击地压是威胁煤矿安全生产的主要灾害类型之一，它不仅导致作业空间煤岩体剧烈破坏，还可能引起瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸、煤粉爆炸、冒顶等二次灾害。随着煤矿的开采，其重心逐渐向深部转移，煤岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的影响下，冲击地压等煤岩动力灾害发生的频度和强度明显增加，冲击地压矿井的数量明显增多。截止到2021年，全国煤矿冲击地压矿井的数量共有138处。

现有巷道支护有棚式支架、石材支护、锚杆支护、喷射混凝土支护和超前液压支架。棚式支护施工困难，造价较高，钢棚承受荷载较大，有时会发生压死现象，造成回撤困难，并对正常回采有一定影响，冲击地压防冲能力较差。石材支护对有化学腐蚀性的含水围岩段大面积淋水或局部涌水处理无效地段防治效果比较好，对于冲击地压巷道支护整体性不够，防冲能力欠缺。锚杆支护对于防止巷道受冲击而破坏具有明显的优越性，锚杆支护属于柔性支护，它随围岩的整体位移而移动锚杆支护作用受冲击动力影响较小，冲击过后仍可保持其支护作用。但单单锚杆支护达不到防冲要求。喷射混凝土支护能使混凝土与围岩紧密粘结，在巷道周壁形成岩石拱，充分发挥围岩的支承作用，但不太适合提前冲击防治。超前液压支架属于超前支护，超前液压支架工作阻力较大，支护强度相对较高，当冲击荷载较大时，液压支柱容易产生比较大的变形，且现有防冲超前支护技术及其成套装备不太成熟。现有的常规支护方法和支护理论，不能有效的解决冲击地压的问题。

专利ZL201510148933.X公开了一种全煤巷道防冲击地压方法，该方法采用由铁丝网、钢带和锚杆组成的常规支护、由两层钢板和间隔固定于两层钢板之间的吸能盒构成的防冲支护、在顶板和两帮的巷道围岩上钻孔、注浆的围岩改性以及巷道底角爆破卸压四项措施，构成“点-线-面-体”立体分布式吸能防冲体系，锚杆锚索与钢梁一体支护，当冲击过大或局部压力过大时，结构破坏容易导致整体失效；专利ZL201910671449.3公开了一种强冲击地压巷道支护方法，该方法采用锚网、U型棚、吸能防冲支架三级联合支护的方式，该联合支护为简单让位支护，主要是过大的压力让位，这种让位仅限于过大的顶板压力，该联合支护过分依赖其所述的防冲支架，未能实现真正的联合支护。

综上所述，现有的防冲支护，单一的支护难以达到防冲要求，同时超前支护较少，仅有的液压支护当冲击荷载较大时，液压支柱容易产生比较大的变形，此外，现有防冲超前支护技术及其成套装备仍不太成熟。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击地压顶帮联合支护装置及方法，层层缓冲泄压。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种冲击地压顶帮联合支护装置，所述联合支护装置包括一级支护、二级支护以及三级支护；所述一级支护为锚网支护，设置在巷道顶板和两帮，二级支护安装在锚网支护中的两排锚杆之间，三级支护为顶帮抗冲击装置，安装在二级支护的巷道顶板和两帮，以实现三级联合支护；

所述顶帮抗冲击装置包括钢柱、套筒伸缩器、连接钢、弹簧体、压力传感器、底座、链杆、活塞和钢垫片；其中，套筒伸缩器位于钢柱上部，通过螺栓与钢柱连接，钢柱下部的连接钢与下方弹簧体固接，弹簧体与压力传感器固接，压力传感器与底座固接；连接钢两侧通过链杆与活塞中的活塞杆连接，活塞紧贴安装在帮部的钢垫片。

进一步地，所述顶帮抗冲击装置中的套筒伸缩器用于固定装置位置，安装在装置两帮底部的链杆、活塞和钢垫片，将顶部传来的压力通过链杆和活塞杆传递给钢垫片后再传递给两帮；由于两帮也受围岩压力冲击挤压，通过顶帮抗冲击装置也在一定程度上缓解了帮部压力，防止两帮变形过大，造成底鼓。

进一步地，所述顶帮抗冲击装置中安装在底部的弹簧体、压力传感器以及底座，可避免发生过大的顶部冲击压力导致装置突然破坏。

进一步地，所述连接钢与链杆的连接方式为铰接；链杆与活塞杆的连接方式为铰接。

进一步地，所述锚网支护包括中空注浆锚杆、锚索以及钢筋网；其中，中空注浆锚杆排距为1.5-2m，锚索排距为1.5-2m。

进一步地，所述二级支护由第一钢支护、柔性智能抗冲击材料以及第二钢支护组成；其中，第一钢支护和第二钢支护排距均为1.5m；所述柔性智能抗冲击材料包括FIAM柔性智能抗冲击材料或ESA吸能填充料(非牛顿流体材料)；所述柔性智能抗冲击材料具有优异的抗冲击性能和缓冲性能，在常态下柔软而具有弹性，一旦受到强烈冲击，材料迅速变硬从而抵挡外部冲击力，当外力消失后，材料会恢复到它最初的柔软状态；在巷道冲击下，第一钢支护、柔性智能抗冲击材料以及第二钢支护组合实现二级支护，保证巷道的稳定性。

更进一步地，所述第一钢支护内表面和第二钢支护外表面的顶板和帮部安装有应变片；

进一步地，所述套筒伸缩器包括上板、下板、螺栓以及伸缩钢柱；通过螺栓旋转控制上板和下板之间的距离，进而控制伸缩钢柱的伸缩长度，固定顶帮抗冲击装置的位置。

本发明的目的之二在于，提供一种冲击地压顶帮联合支护方法，采用上述冲击地压顶帮联合支护装置，该方法包括以下步骤：

步骤S1：开挖冲击地压巷道，清除危石，进行混凝土初喷，在帮部等距钻孔，安装中空注浆锚杆，连接注浆设备注浆，注浆完成后安装垫板和螺母，再挂钢筋网；中空注浆锚杆安装后，再在中空注浆锚杆同一断面顶板等间距和两帮底部位置钻孔，在孔内固定锚索，端部安装锚垫板和锚具，实现一级支护；

步骤S2：在两排中空注浆锚杆中间部位安装第一钢支护和第二钢支护，再向第一钢支护和第二钢支护之间填充柔性智能抗冲击材料，并在第一钢支护内表面和第二钢支护外表面安装应变片，实现二级支护；

步骤S3：在二级支护上间隔安装顶帮抗冲击装置，通过套筒伸缩器固定顶帮抗冲击装置的位置，通过装置下部的压力传感器观测顶帮抗冲击装置的承压，实现三级支护；

步骤S4：在巷道掘进同时，根据地质条件和观测到的应变片的应变量及压力传感器的压力调整支护安装情况；当应变片的应变量过大时，根据部位进行加固支护；当压力传感器的压力过大时，增加顶帮抗冲击装置数量或加固支撑，保证巷道施工安全。

进一步地，步骤S1中，所述初喷混凝土厚度为4-6cm，初喷完成后，测量放样，确定施工孔的位置。

进一步地，步骤S1中，所述钻孔方向与岩面垂直，其中，顶部锚孔采用锚杆钻机钻孔，帮部侧墙采用气腿式凿岩机钻孔；钻孔后检查钻孔深度、角度；所述中空注浆锚杆插入孔内长度≥自身长度的95％。

进一步地，步骤S1中，所述注浆压力为0.3-0.6MPa，浆料中，水泥：砂：水比为1:1:0.45，待排气口出浆后停止注浆；所述钢筋网与中空注浆锚杆连接牢固，钢筋网与受喷面间隙为20-30mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用锚网支护、第一钢支护+柔性智能抗冲击材料+第二钢支护以及顶帮抗冲击装置支护实现三级联合支护，本方法能够层层缓冲泄压，吸收释放的能量，能有效的防治冲击，保证巷道施工安全，具有重要的现实意义和重大的社会效益，有广泛的应用前景；其中，中空注浆锚杆随围岩的整体位移而移动，锚杆支护作用受冲击动力影响较小，能主动吸收围岩由于冲击释放的能量，锚杆锚索能保证长期稳定作用，冲击过后仍可保持其支护作用；钢支护能抵抗和缓冲外力冲压，一旦受到快速强烈冲击，第一钢支护和第二钢支护之间的柔性智能抗冲击材料起到吸能保护作用，迅速变硬从而抵挡外部冲击力，进行二次泄压；顶帮抗冲击装置，一旦发生强冲击地压，一级、二级支护不能有效防护时，强大的冲击力可能使一级、二级支护结构破坏，此时顶帮抗冲击装置能有效防冲，将过大的顶板压力通过顶帮抗冲击装置传递给两帮，此外还可缓解两帮围岩压力，实现三级支护，通过层层泄压，无论是哪种冲击，都能保证巷道结构稳定，保证施工安全。

附图说明

图1为本发明中空注浆锚杆示意图；

图2为本发明套筒伸缩器示意图；

图3为本发明二级支护示意图；

图4为本发明巷道联合支护安装示意图；

图中标识为：1：中空注浆锚杆；2：第一钢支护；3：柔性智能抗冲击材料；4：第二钢支护；5：锚索；6：应变片；7：顶帮抗冲击装置；8：套筒伸缩器；9：压力传感器；10：钢垫片；11：底座；12：活塞；13：活塞杆；14：链杆；15：弹簧体；16：连接钢；1.1：塑料锚头；1.2：中空锚杆体；1.3：止浆塞；1.4：垫板；1.5：螺母；8.1：上板；8.2：下板；8.3：螺栓；8.4：伸缩钢柱。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下实施例中所使用的材料皆为市售材料。以下实施例中所使用的设备皆为市售设备。

实施例1

参见图4，本发明防冲联合支护包括锚网支护，由第一钢支护2、柔性智能抗冲击材料3和第二钢支护4组成的二级支护以及顶帮抗冲击装置7，以实现三级联合支护。包括以下步骤：

步骤S1：一级支护锚网支护的安装

开挖冲击地压巷道，清除危石，进行初喷，初喷混凝土厚度控制在4-6cm，在帮部等距钻孔，钻孔方向与岩面垂直，安装中空注浆锚杆1，中空注浆锚杆1排距为1.5m，可根据具体工程地质条件做出调整，一般不超过2m。中空注浆锚杆示意图参见图1，包括塑料锚头1.1、中空锚杆体1.2、止浆塞1.3、垫板1.4以及螺母1.5；安装时，按规定角度深度将中空注浆锚杆1插入孔内，孔深设置为4m，锚杆插入孔内长度≥自身长度的95％，设置止浆塞1.3保证中空部分通畅，并预留排气孔，连接注浆设备注入砂浆，待完成注浆后，垫板1.4和螺母1.5在复喷混凝土后安装。挂钢筋网，钢筋网采用φ8钢筋，钢筋搭接长度不得小于35倍钢筋直径，钢筋网与锚杆连接牢固，钢筋网与受喷面间隙控制在20-30mm之间。中空注浆锚杆1吸收围岩由于冲击释放的能量，锚杆能保证长期稳定作用；中空注浆锚杆1安装后，在中空注浆锚杆1同一断面顶板等间距和两帮底部位置钻孔，顶部锚孔采用锚杆钻机钻孔，帮部侧墙采用气腿式凿岩机钻孔，孔深设置为10m。孔内固定锚索5，端部安装锚垫板和锚具，锚索5排距为1.5m，可根据具体工程地质条件做出调整，一般不超过2m。

步骤S2：二级支护的安装

在两排中空注浆锚杆1中间部位安装固定第一钢支护2和第二钢支护4，向第一钢支护2和第二钢支护4之间填充柔性智能抗冲击材料3，并在第一钢支护2内表面和第二钢支护4外表面安装应变片6，安装部位分别在顶板和两帮；柔性智能抗冲击材料3具有优异的抗冲击性能和缓冲性能，与第一钢支护2和第二钢支护4构成钢支护结构，能够承载抗压，实现二级支护。第一钢支护2和第二钢支护4排距均为1.5m，所述二级支护示意图参见图3。

步骤S3：三级支护顶帮抗冲击装置的安装

在二级支护上间隔安装顶帮抗冲击装置7，装置下部设有弹簧体15、压力传感器9和底座11，通过套筒伸缩器8固定顶帮抗冲击装置7的位置，套筒伸缩器8结构示意图参见图2，通过螺栓8.3旋转控制上板8.1和下板8.2之间的距离，控制伸缩钢柱8.4的伸缩长度，从而固定顶帮抗冲击装置7的位置，通过观察压力传感器9观察顶帮抗冲击装置7的承压。顶帮抗冲击装置7两帮底部设有链杆14、活塞12以及钢垫片10，将顶部传来的压力通过链杆14和活塞12传递给钢垫片10后再传递给两帮，此外还可缓解两帮围岩压力，实现三级支护，通过层层泄压，保证巷道结构稳定，保证施工安全；

其中，在二级支护上间隔安装顶帮抗冲击装置7可理解为在第2N+1个二级支护上安装顶帮抗冲击装置7，所述2N+1中的N的取值范围为0，1，2，……。当N＝0时，在第1个二级支护上安装顶帮抗冲击装置7；当N＝1时，在第3个二级支护上安装顶帮抗冲击装置7；当N＝2时，在第5个二级支护上安装顶帮抗冲击装置7，以此类推即可。

顶帮抗冲击装置7的安装顺序为先底部，后两帮，再上部；具体为首先安装固定底座11，在底座11上安装固定压力传感器9，然后在压力传感器9上安装弹簧体15，弹簧体15与连接钢16固接，再向巷道两帮安装活塞12，活塞12紧贴安装在帮部的钢垫片10，活塞12和活塞杆13与中部连接钢16通过链杆14连接，连接方式为铰接，最后安装上部钢柱结构，通过套筒伸缩器8固定初始安装位置。

步骤S4：在巷道掘进同时，根据地质条件和观测到的应变片6的应变量及压力传感器9的压力，调整支护安装情况；当应变片的应变量过大时，根据部位进行加固支护；当压力传感器的压力过大时，增加顶帮抗冲击装置数量或加固支撑，保证巷道施工安全。

当发生冲击地压时，弹性变形能瞬时释放，本发明能够层层缓冲泄压，吸收释放的能量，并且通过装置使过大的顶板压力传递给两帮，缓解两帮发生的冲击地压围岩压力，能有效的防治冲击，保证巷道施工安全。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述联合支护装置包括一级支护、二级支护以及三级支护；所述一级支护为锚网支护，设置在巷道顶板和两帮，二级支护安装在锚网支护中的两排锚杆之间，三级支护为顶帮抗冲击装置(7)，安装在二级支护的巷道顶板和两帮，以实现三级联合支护；所述顶帮抗冲击装置(7)包括钢柱、套筒伸缩器(8)、连接钢(16)、弹簧体(15)、压力传感器(9)、底座(11)、链杆(14)、活塞(12)和钢垫片(10)；

其中，套筒伸缩器(8)位于钢柱上部，通过螺栓与钢柱连接，钢柱下部的连接钢(16)与下方弹簧体(15)固接，弹簧体(15)与压力传感器(9)固接，压力传感器(9)与底座(11)固接；连接钢(16)两侧通过链杆(14)与活塞(12)中的活塞杆(13)连接，活塞(12)紧贴安装在帮部的钢垫片(10)。

2.根据权利要求1所述的一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述连接钢(16)与链杆(14)的连接方式为铰接；链杆(14)与活塞杆(13)的连接方式为铰接。

3.根据权利要求1所述的一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述锚网支护包括中空注浆锚杆(1)、锚索(5)以及钢筋网；其中，中空注浆锚杆(1)排距为1.5-2m，锚索(5)排距为1.5-2m。

4.根据权利要求1所述的一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述二级支护由第一钢支护(2)、柔性智能抗冲击材料(3)以及第二钢支护(4)组成；所述第一钢支护(2)和第二钢支护(4)排距均为1.5m。

5.根据权利要求4所述的一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述第一钢支护(2)内表面和第二钢支护(4)外表面的顶板和帮部安装有应变片(6)。

6.根据权利要求1所述的一种冲击地压顶帮联合支护装置，其特征在于，所述套筒伸缩器(8)包括上板(8.1)、下板(8.2)、螺栓(8.3)以及伸缩钢柱(8.4)；通过螺栓(8.3)旋转控制上板(8.1)和下板(8.2)之间的距离，进而控制伸缩钢柱(8.4)的伸缩长度，固定顶帮抗冲击装置(7)的位置。

7.一种冲击地压顶帮联合支护方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述冲击地压顶帮联合支护装置，该方法包括以下步骤：

步骤S1：开挖冲击地压巷道，进行混凝土初喷，在帮部等距钻孔，安装中空注浆锚杆(1)进行注浆，注浆完成后，挂钢筋网，再在中空注浆锚杆(1)同一断面顶板等间距和两帮底部位置钻孔，在孔内固定锚索(5)；

步骤S2：在两排锚杆中间部位安装第一钢支护(2)和第二钢支护(4)，再向第一钢支护(2)和第二钢支护(4)之间填充柔性智能抗冲击材料(3)，并在第一钢支护(2)内表面和第二钢支护(4)外表面安装应变片(6)；

步骤S3：在二级支护上间隔安装顶帮抗冲击装置(7)，通过套筒伸缩器(8)固定顶帮抗冲击装置(7)的位置，通过装置下部的压力传感器(9)观测顶帮抗冲击装置(7)的承压；

步骤S4：在巷道掘进同时，根据地质条件和观测到的应变片(6)的应变量以及压力传感器(9)的压力，根据部位加固支护、增加顶帮抗冲击装置数量或加固支撑，保证巷道施工安全。

8.根据权利要求7所述的一种冲击地压顶帮联合支护方法，其特征在于，步骤S1中，所述初喷混凝土厚度为4-6cm。

9.根据权利要求7所述的一种冲击地压顶帮联合支护方法，其特征在于，步骤S1中，所述钻孔方向与岩面垂直，其中，顶部锚孔采用锚杆钻机钻孔，帮部侧墙采用气腿式凿岩机钻孔；所述中空注浆锚杆(1)插入孔内长度≥自身长度的95％。

10.根据权利要求7所述的一种冲击地压顶帮联合支护方法，其特征在于，步骤S1中，所述注浆压力为0.3-0.6MPa，浆料中，水泥：砂：水比为1:1:0.45，待排气口出浆后停止注浆；所述钢筋网与中空注浆锚杆(1)连接牢固，钢筋网与受喷面间隙为20-30mm。

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