CN115788573A - 一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，包括：获取巷道顶板支护系统的破坏吸收能量；获取震源震动在巷道顶板产生的破裂岩体能量；基于破坏吸收能量和破裂岩体能量，获取巷道顶板破裂岩体质点的振动峰值速度；基于振动峰值速度，获取巷道顶板支护系统能抵抗的震动能量；基于巷道周围相同位置产生的最大震动能量与震动能量的判断结果，完成巷道顶板支护系统抗震动能力的评估，若震动能量大于巷道围岩相同位置产生的最大震动能量，则巷道顶板支护系统合格，反之，巷道顶板支护系统不合格，需要提高巷道顶板支护系统强度，再重新评估。本发明对巷道顶板支护系统能否抵抗周围震源震动的影响进行了定量的评估，方法易操作。

Description

一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法

技术领域

本发明属于矿山安全开采技术领域，尤其涉及一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法。

背景技术

地下矿山安全经常受到震动影响。震动一般分为两类，一类是地壳活动产生的地震，另一类是由于开采活动或人工爆破诱发的矿震。近年来，随着地下矿山开采深度增加和采空区面积增大，矿震频繁发生，严重影响了地下矿山生产安全和员工生命安全。

根据《防治煤矿冲击地压细则》第八十三条规定：冲击地压巷道严禁采用刚性支护，要根据冲击地压危险性进行支护设计，可采用抗冲击的锚杆(锚索)、可缩支架及高强度、抗冲击巷道液压支架等，提高巷道抗冲击能力。

巷道顶板支护系统能抵抗住震动影响而保持稳定，即受到震动影响后巷道不失稳，是确保地下矿山生产安全的关键。针对地下矿山的巷道，有必要开展顶板支护系统抗震动能力评估。而目前巷道顶板支护系统抗震动能力评估缺乏有效的理论依据，仅能依靠经验或者工程类比。采用经验、工程类比等方法对巷道顶板支护系统抗震动能力进行评估，不能准确获得“巷道顶板支护系统能否抵抗住震动影响”的结论。为此，有必要提出一种有效的巷道顶板支护系统抗震动能力评估方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，对巷道顶板支护系统能否抵抗周围震源震动的影响进行了定量的评估，方法易操作。

为实现上述目的，本发明提供了一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，包括：

获取巷道顶板支护系统的破坏吸收能量；

获取震源震动在巷道顶板产生的破裂岩体能量；

基于所述破坏吸收能量和所述破裂岩体能量，获取巷道顶板破裂岩体质点的振动峰值速度；

基于所述振动峰值速度，获取巷道顶板支护系统的抵抗震动能量；

基于巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果，完成巷道顶板支护系统抗震动能力的评估。

可选地，获取所述破坏吸收能量包括：

获取支护体中锚杆极限变形破断前消耗的第一能量，获取锚索极限变形破断前消耗的第二能量，获取支架极限收缩消耗的第三能量，基于所述第一能量、第二能量与第三能量之和构成所述破坏吸收能量。

可选地，获取所述破裂岩体能量包括：

获取顶板岩体破裂产生的动能；

获取顶板岩体下沉产生的势能；

基于所述动能和所述势能之和构成所述破裂岩体能量。

可选地，获取巷道顶板破裂岩体质点的所述振动峰值速度包括：

将所述破坏吸收能量赋值于所述破裂岩体能量；

基于所述破裂岩体能量中所述顶板岩体破裂产生的动能，获取巷道顶板破裂岩体运动速度；

基于所述巷道顶板破裂岩体运动速度，获取所述振动峰值速度。

可选地，巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果包括：

当所述抵抗震动能量大于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统合格；

当所述抵抗震动能量小于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统不合格。

可选地，所述破坏吸收能量为：

E_r＝[(n×p×E_g+m×q×E_s+l×E_z)]÷(a×b)

其中，E_r为破坏吸收能量，E_g为每根锚杆在产生极限变形破断前消耗的能量，E_s为每根锚索在产生极限变形破断前消耗的能量，E_z为每台支架极限收缩消耗的能量，n为锚杆排数，m为锚索排数，l为支架台数，p为每排锚杆数量，q为每排锚索数量，a、b分别为1组巷道顶板支护系统的长度和巷道宽度。

可选地，所述顶板岩体破裂产生的动能为：

E_k＝0.5hρv²/10³

其中，h为巷道顶板岩体破裂深度，ρ为岩体密度，v为巷道顶板破裂岩体运动速度，E_k为顶板岩体破裂产生的动能。

可选地，所述顶板岩体下沉产生的势能为：

E_p＝hρgΔh

其中，E_p为顶板岩体下沉产生的势能，g为重力加速度，h为巷道顶板岩体破裂深度，ρ为岩体密度，Δh为支护结构极限位移量。

可选地，所述振动峰值速度为：

V＝λv

其中，V为振动峰值速度，v为巷道顶板破裂岩体运动速度，λ为顶板破碎岩体运动速度系数，与破碎程度有关，范围在0～1，一般取值0.5。

可选地，巷道顶板支护系统的所述抵抗震动能量为：

其中，E为巷道顶板支护系统的抵抗震动能量，V为振动峰值速度，K₁为震源的能量特征系数，r为震源至巷道顶板的距离，α为衰减系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供了一种巷道支护系统抗震动能力的评估方法，能够定量的计算出巷道支护系统能够抵抗震动的能量。相比以往根据经验进行的支护系统抗震动能力评估的方法，本方法能够准确的得到巷道顶板震源处产生的能量，从而获得“巷道顶板支护系统能否抵抗住震动影响”的结论，根据评估结论优化巷道支护系统强度，从理论上解释这一问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提供了一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，包括：

获取巷道顶板支护系统的破坏吸收能量；

获取震源震动在巷道顶板产生的破裂岩体能量；

基于所述破坏吸收能量和所述破裂岩体能量，获取巷道顶板破裂岩体质点的振动峰值速度；

基于所述振动峰值速度，获取巷道顶板支护系统的抵抗震动能量；

基于巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果，完成巷道顶板支护系统抗震动能力的评估。

进一步地，获取所述破坏吸收能量包括：

获取支护体中锚杆极限变形破断前消耗的第一能量，获取锚索极限变形破断前消耗的第二能量，获取支架极限收缩消耗的第三能量，基于所述第一能量、第二能量与第三能量之和构成所述破坏吸收能量。

进一步地，获取所述破裂岩体能量包括：

获取顶板岩体破裂产生的动能；

获取顶板岩体下沉产生的势能；

基于所述动能和所述势能之和构成所述破裂岩体能量。

进一步地，获取巷道顶板破裂岩体质点的所述振动峰值速度包括：

将所述破坏吸收能量赋值于所述破裂岩体能量；

基于所述破裂岩体能量中所述顶板岩体破裂产生的动能，获取巷道顶板破裂岩体运动速度；

基于所述巷道顶板破裂岩体运动速度，获取所述振动峰值速度。

进一步地，巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果包括：

当所述抵抗震动能量大于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统合格；

当所述抵抗震动能量小于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统不合格。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的工程案例，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

实施例

针对巷道顶板采用锚网索支护形式，可从支护构件柔性吸能和能量平衡的角度，对巷道顶板支护系统抗震动能力进行评估。锚网支护结构就是一种锚网构件和围岩形成的有机共同承载结构，其对受震动影响巷道有良好的适应性，尤其是受低能量震动影响时，锚网支护结构一般不会破坏。这是因为，锚网支护将锚固范围内的岩体组合成一个整体，使巷道周边形成了一个相当于钢筋混凝土的承载结构。这种承载结构可保持巷道围岩的固有强度和增强震动载荷作用下的稳定能力；更为重要的是，锚杆和锚索具有柔性吸能功能，能够吸收震源震动传递至巷道围岩的部分能量。因此，可以从支护构件柔性吸能的角度分析巷道顶板支护系统抗震动能力。对于受震动影响时，产生极限位移的锚杆、锚索和支架能够起到耗散能量的作用，进而可根据极限耗能理论，评估巷道顶板支护系统抗震动能力。

假设每根锚杆在产生极限变形破断前消耗的能量为E_g，每根锚索在产生极限变形破断前消耗的能量为E_s，每台支架极限收缩消耗的能量为E_z。对于巷道顶板支护系统，每n排锚杆、m排锚索、l台支架为1组，每排锚杆数量为p，每排锚索数量为q，则巷道单位面积顶板支护系统破坏吸收能量为：

E_r＝[(n×p×E_g+m×q×E_s+l×E_z)]÷(a×b)

式中a、b分别为1组巷道顶板支护系统的长度和巷道宽度，E_r为单位面积顶板锚杆、锚索全部破断及支架极限收缩所吸收的能量。

巷道顶板岩体破裂深度为h，岩体密度为ρ，受震动影响单位面积顶板破裂岩体产生的动能E_k为：

E_k＝0.5hρv²/10³

式中v为巷道顶板破裂岩体运动速度。

对于巷道顶板，还必须考虑顶板岩体受震动影响锚杆受拉延伸下滑产生的势能。取锚杆自由段长度为L，延伸率为η，则锚杆极限位移量Δh＝L×η，单位面积顶板岩体下滑产生的势能E_p为：

E_p＝hρgΔh

式中g为重力加速度。

震动传递至巷道顶板时，巷道顶板破裂岩体运动产生的动能E_k和其下沉产生的势能E_p转移至顶板支护系统，变为支护系统需吸收的能量。临界状态下，E_k+E_p＝E_r。取震动在巷道顶板处产生的能量E_k+E_p等于巷道顶板支护系统可消耗的能量E_r，计算得出巷道顶板破裂岩体运动速度v。巷道顶板质点振动峰值速度V取巷道顶板破裂岩体运动速度的一半，即V＝0.5v。

利用以下公式可计算出巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E

式中K₁为震源的能量特征系数；r为震源至巷道顶板的距离；α为衰减系数。

比较巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E与巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q之间的大小，评估顶板支护系统是否合格。当巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E大于巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q时，顶板支护系统合格，可以进行正常的生产。当巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E小于等于巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q时，顶板支护系统不合格，需要提高支护系统强度，然后重复以上流程，进行重新评估。

如图1所示，本实施例中某矿1303工作面运输巷顶板支护系统抗震动能力的评估包括：

S1、计算支护体中锚杆、锚索极限变形破断前消耗的能量E_g、E_s与支架极限收缩消耗的能量E_z之和，即为巷道顶板支护系统可消耗的能量E_r；

在步骤S1中，每根锚杆在产生极限变形破断前消耗的能量为Eg，每根锚索在产生极限变形破断前消耗的能量为Es，每台支架极限收缩消耗的能量为Ez。对于巷道顶板支护系统，每n排锚杆、m排锚索、l台支架为1组，每排锚杆数量为p，每排锚索数量为q，则巷道单位面积顶板支护系统的破坏吸收能量为：

E_r＝[(n×p×E_g+m×q×E_s+l×E_z)]÷(a×b)

式中a、b分别为1组巷道顶板支护系统的长度和巷道宽度，E_r为单位面积顶板锚杆、锚索全部破断及支架极限收缩所吸收的能量。

S2、计算顶板岩体破裂产生的动能E_k与顶板岩体下沉的势能E_p之和，即震源震动在巷道顶板产生的能量E_k+E_p；

在步骤S2中，巷道顶板岩体破裂深度为h，岩体密度为ρ，受震动影响单位面积顶板破裂岩体产生的动能E_k为：

E_k＝0.5hρv²/10³

式中v为巷道顶板破裂岩体运动速度。

对于巷道顶板，还必须考虑顶板岩体受震动影响支护结构(锚杆、锚索)受拉延伸下滑产生的势能。取支护结构自由段长度为L，延伸率为η，则支护结构极限位移量Δh＝L×η，单位面积顶板岩体下滑产生的势能E_p为：

E_p＝hρgΔh

式中g为重力加速度。

S3、取震动在巷道顶板处产生的能量E_k+E_p等于巷道顶板支护系统可消耗的能量E_r，计算得出巷道顶板破裂岩体质点振动峰值速度V；

在步骤S3中，巷道顶板质点振动峰值速度V取巷道顶板破裂岩体运动速度的一半，即V＝0.5v。

S4、根据S3中的顶板破裂岩体质点振动峰值速度V等参数，计算出巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E；

在步骤S4中，巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E计算公式如下：

式中K₁为震源的能量特征系数；r为震源至巷道顶板的距离；α为衰减系数。

S5、比较巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E与巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q之间的大小，评估顶板支护系统是否合格。

S51、当巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E大于巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q时，顶板支护系统合格，可以进行正常的生产。

S52、当巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E小于等于巷道周围相同位置产生的最大震动能量Q时，顶板支护系统不合格，需要提高支护系统强度，然后重复以上流程，进行重新评估。

其中，1303工作面运输巷锚网索支护参数见表1，超前支护见表2。

表1

表2

1306运输巷超前支护区域主要采用ZCZ12700/24/40型超前支架和ZQ2000/22/45型单元支架。依据不同区域的支护方式对各区域的抗震动能力进行计算。

假设锚杆在产生极限变形破断前消耗能量取E_g＝2.0kJ/根，锚索在产生极限变形破断前消耗能量取E_s＝4.0kJ/根，ZCZ12700/24/40型支架产生极限收缩消耗能量100kJ/台，ZQ4000/22/45型支架产生极限收缩消耗能量40kJ/台。

假设顶板岩体破裂深度h＝1m，岩体密度ρ＝1.4×10³kg/m³，则：

E_k＝0.5×1×1.3×10³×v²＝0.7v²kJ/m²

取锚杆自由段长度为1.2m，以锚杆延伸率15％计算，锚杆极限位移Δh＝0.18m，同时取g＝10m/s²，则

E_p＝2.52kJ/m²。

①对于1306工作面运输巷0～20m范围顶板支护系统而言，有22排锚杆，11排锚索，共154根锚杆，33根锚索，2组ZCZ12700/24/40型支架。则：

E_r＝(154×2+33×4+2×100)÷(20×5.4)＝5.92kJ/m²

由E_k+E_p＝E_r得出：

0.7v²+2.52＝5.92

计算得出v＝2.20m/s。

V＝0.5v＝1.10m/s

将V＝1.10m/s代入

同时取K₁＝3.19，α＝1.5，r＝20m，计算得到1306工作面运输巷0～20m范围顶板支护系统可抵抗周围20m处产生的最大震动能量为9.5×105J。

②对于1306工作面运输巷20～120m范围顶板而言，有111排锚杆，55排锚索，共777根锚杆，165根锚索，20组ZQ2000/22/45型单元支架。则：

E_r＝(777×2+165×4+20×40)÷(100×5.8)＝5.58kJ/m²

由E_k+E_p＝E_r得出：

0.7v²+2.52＝5.58

计算得出v＝2.09m/s。

V＝0.5v＝1.05m/s

将V＝1.05m/s代入

同时取K₁＝3.19，α＝1.5，r＝20m，计算得到1306工作面运输巷20～120m范围顶板支护系统可抵抗周围20m处产生的最大震动能量为8.7×105J。

1306工作面运输巷顶板支护系统抗震动能力计算结果见表3。

表3

范围/m	顶板能量/J
		0～20	9.5×10<sup>5</sup>
20～120	8.7×10<sup>5</sup>

排查1303工作面运输巷附近的微震监测数据得出，历史上周围10～20m处发生的最大震动能量为3.45×10⁵J。由表3可知，在确保施工质量的情况下，1306工作面运输巷顶板支护系统可抵抗的震动能量大于其周围相同位置产生的最大震动能量，说明顶板支护系统合格。

本实施例根据极限耗能理论，计算了支护系统中锚杆、锚索破断前消耗的能量与支架收缩消耗的能量之和E_r；以及计算了受震动影响巷道单位面积破裂岩体产生的动能E_k与势能E_p之和；震动传递至巷道顶板时，巷道顶板破裂岩体运动产生的动能E_k和其下沉产生的势能E_p转移至顶板支护系统，变为支护系统吸收的能量，计算得出巷道顶板破裂岩体运动速度v。根据震动能量E与震动速度v之间的函数关系

可以计算出巷道顶板支护系统可抵抗的震动能量E。比较巷道周围相同位置处震动产生的最大能量Q与E的大小，来评估巷道支护系统抗震动能力。本实施例提供了一种巷道支护系统抗震动能力的评估方法，能够定量的计算出巷道支护系统能够抵抗震动的能量。相比以往根据经验进行的支护系统抗震动能力评估的方法，本方法能够准确的得到巷道顶板震源处产生的能量，从而获得“巷道顶板支护系统能否抵抗住震动影响”的结论，根据评估结论优化巷道支护系统强度，从理论上解释这一问题。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，包括：

获取巷道顶板支护系统的破坏吸收能量；

获取震源震动在巷道顶板产生的破裂岩体能量；

基于所述破坏吸收能量和所述破裂岩体能量，获取巷道顶板破裂岩体质点的振动峰值速度；

基于所述振动峰值速度，获取巷道顶板支护系统的抵抗震动能量；

基于巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果，完成巷道顶板支护系统抗震动能力的评估。

2.根据权利要求1所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，获取所述破坏吸收能量包括：

获取支护体中锚杆极限变形破断前消耗的第一能量，获取锚索极限变形破断前消耗的第二能量，获取支架极限收缩消耗的第三能量，基于所述第一能量、第二能量与第三能量之和构成所述破坏吸收能量。

3.根据权利要求1所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，获取所述破裂岩体能量包括：

获取顶板岩体破裂产生的动能；

获取顶板岩体下沉产生的势能；

基于所述动能和所述势能之和构成所述破裂岩体能量。

4.根据权利要求3所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，获取巷道顶板破裂岩体质点的所述振动峰值速度包括：

将所述破坏吸收能量赋值于所述破裂岩体能量；

基于所述破裂岩体能量中所述顶板岩体破裂产生的动能，获取巷道顶板破裂岩体运动速度；

基于所述巷道顶板破裂岩体运动速度，获取所述振动峰值速度。

5.根据权利要求1所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，巷道周围相同位置产生的最大震动能量与所述抵抗震动能量的判断结果包括：

当所述抵抗震动能量大于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统合格；

当所述抵抗震动能量小于所述巷道周围相同位置产生的最大震动能量时，判定顶板支护系统不合格。

6.根据权利要求1所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，所述破坏吸收能量为：

E_r＝[(n×p×E_g+m×q×E_s+l×E_z)]÷(a×b)

其中，E_r为破坏吸收能量，E_g为每根锚杆在产生极限变形破断前消耗的能量，E_s为每根锚索在产生极限变形破断前消耗的能量，E_z为每台支架极限收缩消耗的能量，n为锚杆排数，m为锚索排数，l为支架台数，p为每排锚杆数量，q为每排锚索数量，a、b分别为1组巷道顶板支护系统的长度和巷道宽度。

7.根据权利要求3所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，所述顶板岩体破裂产生的动能为：

E_k＝0.5hρv²/10³

其中，h为巷道顶板岩体破裂深度，ρ为岩体密度，v为巷道顶板破裂岩体运动速度，E_k为顶板岩体破裂产生的动能。

8.根据权利要求3所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，所述顶板岩体下沉产生的势能为：

E_p＝hρgΔh

其中，E_p为顶板岩体下沉产生的势能，g为重力加速度，h为巷道顶板岩体破裂深度，ρ为岩体密度，Δh为支护结构极限位移量。

9.根据权利要求4所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，所述振动峰值速度为：

V＝λv

其中，V为振动峰值速度，v为巷道顶板破裂岩体运动速度，λ为顶板破碎岩体运动速度系数。

10.根据权利要求1所述的评估巷道顶板支护系统抗震动能力的方法，其特征在于，巷道顶板支护系统的所述抵抗震动能量为：

其中，E为巷道顶板支护系统的抵抗震动能量，V为振动峰值速度，K₁为震源的能量特征系数，r为震源至巷道顶板的距离，α为衰减系数。

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