一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法與流程
2023-05-25 19:49:01 1
本發明涉及巷道支護相關技術領域，特別是一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法。
背景技術：
對於煤礦巷道支護來說，隨著採深的增加，越來越多的礦井進入深部開採，「三高一擾動」的問題日趨嚴重。巷道圍巖出現了衝擊現象以及流變特性。對於有些礦井，幾乎90％的巷道每年都要返修3-4遍，大大增加了生產成本，嚴重製約了礦井正常生產接續，對煤礦安全高效生產帶來巨大威脅。原有的技術方法已經無法解決這些問題。為了解決這一問題，許多專家學者提出了多種技術方法。如二次支護理論，首先採用讓巷道圍巖變形的方法釋放圍巖應力，在採用剛性支護控制圍巖變形。可縮性u型鋼發明後則採用被動一次讓壓支護。隨著錨杆支護技術的發展，強力一次支護技術通過高預應力提高圍巖剛度，當達到臨界剛度時，圍巖變形量急劇降低。恆阻大變形錨杆支護技術可以實現單一變形載荷下的錨杆變形。由於地質構造的複雜性和採礦條件的多樣性，目前深井大變形衝擊巷道仍然面臨支護成本高，支護難度大支護技術不能隨著圍巖巷道的變形和應力主動調節等問題。
綜上所述，現有技術存在如下問題：
(1)深井大變形衝擊巷道二次支護甚至多次支護與返修，費時、費力、費錢。深井大變形衝擊巷道的特點使得一般的支護技術難以奏效。地下圍巖應力達到數十mpa，而支護體所能達到的支護強度，不超過0.5mpa。一味的提高支護強度不但增加了材料成本，更無法根治巷道多次支護及返修所帶來的問題。
(2)無法根據圍巖壓力和變形自動改變讓壓阻力值和多級讓壓變形；當前的技術著眼於預應力的施加和單一載荷讓壓。沒有考慮支護體根據圍巖壓力發生自主變形，且無法實現多級讓壓變形。因此，往往出現過早讓壓變形導致圍巖自承能力下降或支護體失效都不發生讓壓變形的情況。
(3)施工複雜，效果差。現有技術往往先讓後抗，即先允許圍巖變形，當達到最大變形素的後，再進行二次支護。這無疑增加了施工難度和施工成本。另外變形速度的觀測存在滯後性，會造成二次支護不及時，支護效果差。
因此，現有的支護技術通過提供高剛度或錨杆的單一載荷讓壓解決深井巷道大變形、衝擊、圍巖流變等支護問題。但是仍然沒有解決巷道多次支護多次返修的問題。
技術實現要素：
基於此，有必要針對現有技術沒有解決巷道多次支護多次返修的問題，提供一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法。
本發明提供一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法，包括：
巷道圍巖的掘進斷面設置至少一個多級變頻讓壓結構，所述多級變頻讓壓結構上設置有多級臨界變形載荷和與每一級臨界變形載荷對應的變形距離；
當所述圍巖的壓力增大到其中一級臨界變形載荷時，所述多級變頻讓壓結構產生讓壓變形，所述讓壓變形的變形距離與圍巖壓力所達到的臨界變形載荷對應。
進一步的，所述臨界變形載荷逐級增大。
更進一步的，每級臨界變形載荷所對應的變形距離逐級增大。
更進一步的，每級臨界變形載荷所對應的變形距離相等。
進一步的，所有臨界變形載荷對應的變形距離的總和小於或等於最大變形距離。
再進一步的，每級所述臨界變形載荷的範圍為7～36噸，每級所述臨界變形載荷的增加範圍為0～2噸，每級變形距離為1～10毫米。
更進一步的，所述掘進斷面設置至少一個牽拉支護件，每個所述牽拉支護件一端插入所述圍巖，另一端伸出所述掘進斷面，且每個所述牽拉支護件伸出所述掘進斷面的端部設置所述多級變頻讓壓結構。
更進一步的，所述掘進斷面設置架棚支護件，至少一個所述多級變頻讓壓結構設置在所述架棚支護件和所述掘進斷面之間的空隙。
再進一步的，多個所述多級變頻讓壓結構間隔設置在所述架棚支護件和所述掘進斷面之間的空隙。
再進一步的，所述多級變頻讓壓結構充滿所述架棚支護件和所述掘進斷面之間的空隙。
本發明通過設置多級變頻讓壓結構，使得支護體讓壓載荷值隨圍巖壓力和變形自動改變，通過一次支護完成釋放圍巖壓力、消除衝擊，解決深井大變形衝擊巷道支護問題。
附圖說明
圖1為本發明一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法的工作流程圖；
圖2為本發明一實施例的技術原理圖；
圖3為本發明另一實施例的技術原理圖；
圖4為本發明再一實施例的技術原理圖；
圖5為一種多級變頻讓壓結構的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細的說明。
如圖1所示為本發明一種適應巷道變形的讓壓一次支護方法的工作流程圖，包括：
步驟s101，巷道圍巖的掘進斷面設置至少一個多級變頻讓壓結構，所述多級變頻讓壓結構上設置有多級臨界變形載荷和與每一級臨界變形載荷對應的變形距離；
步驟s102，當所述圍巖的壓力增大到其中一級臨界變形載荷時，所述多級變頻讓壓結構產生讓壓變形，所述讓壓變形的變形距離與圍巖壓力所達到的臨界變形載荷對應。
具體來說，通過在同一多級變頻讓壓結構上設置一系列不同壓力下的各級臨界變形載荷和變形距離，實現主動多級變頻讓壓的；當圍巖壓力達到多級變頻讓壓結構的第一級臨界變形載荷，則多級變頻讓壓結構發生第一級變形，變形到達設定的第一級變形距離停止；隨著壓力的增加，多級變頻讓壓結構相繼依次達到其餘各級變形載荷，並在相應的各級變形距離內變形，以此達到多級變頻讓壓。支護體的載荷和變形隨著圍巖壓力的變化而變化，無需二次支護。
如圖5所示為一種可以使用的多級變頻讓壓結構，其由兩端等粗且中間鼓出的鼓狀圓形外鋼管51和兩端等粗且加工有外箍53的圓形內鋼管52組成，圓形內鋼管52上設有多個外箍53，每個外箍53的抗剪強度均不同，從而形成多級讓壓，每個外箍53的抗剪強度即每級臨界變形載荷。可以將外鋼管51頂緊圍巖，內鋼管52的承壓端522頂緊支護體。當圍巖的壓力增大到大於內鋼管52的裝配端521處的外箍53的抗剪強度時，即達到第一級變形載荷，此時外箍3被剪斷，內鋼管發生第一級變形，變形到達設定的第一級變形距離停止；隨著壓力的增加，各級外箍相繼依次達到其抗剪強度，並相應變形，以此達到多級變頻讓壓。
本發明通過設置多級變頻讓壓結構，使得支護體讓壓載荷值隨圍巖壓力和變形自動改變，通過一次支護完成釋放圍巖壓力、消除衝擊，解決深井大變形衝擊巷道支護問題。
在其中一個實施例中，所述臨界變形載荷逐級增大。
在其中一個實施例中，每級臨界變形載荷所對應的變形距離逐級增大。
本實施例當圍巖壓力越大，則對應級別的變形距離增大，從而使得圍巖壓力能儘快釋放。
在其中一個實施例中，每級臨界變形載荷所對應的變形距離相等。
本實施例的每級變形距離相等，從而使得圍巖壓力能逐步穩定釋放。
在其中一個實施例中，所有臨界變形載荷對應的變形距離的總和小於或等於最大變形距離。
優選的最大變形距離為120mm。
在其中一個實施例中，每級所述臨界變形載荷的範圍為7～36噸，每級所述臨界變形載荷的增加範圍為0～2噸，每級變形距離為1～10毫米。
具體來說，各級臨界變形載荷，各級變形距離和總變形距離根據巷道圍巖壓力和圍巖表面變形的實測以及數值模擬相結合的方法確定；臨界變形載荷根據圍巖壓力設定，優選範圍為7～36t，各級臨界變形載荷的增加範圍優選為0～2t；變形距離由最大變形距離和根據圍壓變形設定，最大變形距離優選為120mm，各級變形距離優選為1mm～10mm。
如圖2所述，在其中一個實施例中，所述掘進斷面3設置至少一個牽拉支護件2，每個所述牽拉支護件2一端插入所述圍巖1，另一端伸出所述掘進斷面3，且每個所述牽拉支護件2伸出所述掘進斷面3的端部設置所述多級變頻讓壓結構6。
如圖2所示，作為本發明最佳實施例，在圍巖1中開挖出巷道的掘進斷面3，考慮到深井壓力較大會造成衝擊或大變形的情況，最終設計斷面5要小於掘進斷面3。當巷道開挖形成掘進斷面3後，採用錨杆和錨索作為牽拉支護件2進行支護，牽拉支護件2上安裝有多級變頻讓壓結構6，當圍巖壓力增大到牽拉支護件2上安裝的多級變頻讓壓結構6設置的第一級變形載荷後，多級變頻讓壓結構6產生讓壓變形，變形距離為i。距離為i的變形產生後，圍巖對牽拉支護件2和多級變頻讓壓結構6的壓力有所下降，此時，巷道有所減小且呈現的輪廓如圖中的一級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面4。當圍巖壓力再次增加，且達到第二級變形載荷後多級變頻讓壓結構6產生變形距離為ii的讓壓變形。此時，巷道輪廓由一級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面4變為最終設計斷面5。當前兩級主動變形發生後，圍巖壓力還繼續增加，則需要牽拉支護件2的杆體進行支護，因此多級變頻讓壓結構6的iii部分的強度要大於牽拉支護件2的杆體強度。經過多級變頻讓壓結構6兩級主動變形後，巷道在徑向上的斷面發生i+ii的縮小，釋放了大量的應力和彈性能，保護了牽拉支護件2的安全，巷道圍巖與牽拉支護件2處於了平衡狀態，有效的降低了衝擊的發生。同時經過多級變頻讓壓結構6有限的變形也不會因為過大的變形而使圍巖遭到破壞失去自承能力。同時，通過多級變頻讓壓結構6的兩級變形，釋放了圍巖的應力，避免了二次支護帶來的技術難度，大大降低了巷道支護的人工成本和材料成本。
如圖3和圖4所示，在其中一個實施例中，所述掘進斷面3設置架棚支護件9，至少一個所述多級變頻讓壓結構6設置在所述架棚支護件9和所述掘進斷面3之間的空隙。
在圍巖1中開挖出巷道的掘進斷面3，考慮到深井壓力較大會造成衝擊或大變形的情況，最終設計斷面5要小於掘進斷面3。當巷道開挖形成掘進斷面3後，以u型棚作為架棚支護件9，結合多級變頻讓壓結構6進行支護，多級變頻讓壓結構位於掘進斷面3和與架棚支護件9之間。當圍巖1的壓力增大到一級變形載荷時，多級變頻讓壓結構6產生讓壓變形，變形距離為i。距離為i的變形產生後，圍巖對架棚支護件9和多級變頻讓壓結構6的壓力有所下降，此時，巷道有所減小且呈現的輪廓如圖中的一級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面4。當圍巖壓力再次增加，且達到二級變形載荷後多級變頻讓壓結構6產生變形距離為ii的讓壓變形。此時，巷道輪廓由一級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面4變為二級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面7。當圍巖應力再次增加，依次完成三級、四級變形，巷道輪廓依次變為二級主動多級變頻讓壓後的巷道斷面8和最終設計斷面5。
如當前四級主動變形發生後，圍巖壓力還繼續增加，則需要u型鋼9本身進行支護。經過多級變頻讓壓結構6四級主動變形後，巷道在徑向上的斷面發生i+ii+iii+iv的縮小，釋放了大量的應力和彈性能，保護了u型棚的安全，使巷道圍巖與工字鋼棚處於了平衡狀態，有效的降低了衝擊的發生。同時經過多級變頻讓壓結構6有限的變形也不會因為過大的變形而是圍巖遭到破壞失去自承能力。同時，通過多級變頻讓壓結構6的四級變形，釋放了圍巖的應力，避免了二次支護帶來的技術難度，大大降低了巷道支護的人工成本和材料成本。
多級變頻讓壓結構6的變形是根據圍巖的壓力發生的，並非所有的巷道支護條件下都完成四級變形，當達到某級變形後巷道可以達到圍巖穩定，此時後一級就不再發生變形讓壓。這體現了主動多級變頻讓壓的適應性和變頻特性。當然主動多級變頻讓壓的變頻級數也不限於實施例中的兩級和四級。
如圖3所示，在其中一個實施例中，多個所述多級變頻讓壓結構間隔設置在所述架棚支護件和所述掘進斷面之間的空隙。
如圖4所示，在其中一個實施例中，所述多級變頻讓壓結構充滿所述架棚支護件和所述掘進斷面之間的空隙。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。