一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法
阅读说明：本技术 一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法 (Accurate calculation method for impact resistance of coal mine tunnel ) 是由 张广超 陶广哲 李友 于善昌 赵德帅 尹茂盛 李瑞明 陈淼 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法,通过对现场各支护构件取材进行动载冲击试验,明确了实验中的取材、实验设备、加载方式等细节内容,可得到真实抗冲击能量数值,并根据围岩稳定性状况,对顶板、帮部的各支护构件及卸压孔所能吸收的能量进行权重分配,基础数据来源真实有效,能量计算方法科学合理；提出了卸压孔吸收能量的具体计算公式,并根据围岩状况将卸压措施抗冲能量进行综合加权计算,全面的考虑了卸压措施对巷道抗冲击能力的影响关系；全面充分的考虑了顶板及帮部包括锚杆、锚索、托盘、钢带、护表网在内的各个支护结构的抗冲击能力,并充分考虑了超前支护措施所能吸收的能量,使得计算结果更符合现场实际情况。(A coal mine tunnel shock resistance accurate calculation method, through drawing materials to every support member at scene and carrying on the dynamic load impact test, have made clear details such as drawing materials, experimental facilities, loading mode in the experiment, can get the true impact energy numerical value, and according to the stability situation of the surrounding rock, carry on the weight distribution to the energy that every support member and relief vent of roof, upper can absorb, the basic data source is true and effective, the energy calculation method is scientific and reasonable; a specific calculation formula for energy absorption of the pressure relief holes is provided, impact energy of pressure relief measures is comprehensively weighted and calculated according to the surrounding rock conditions, and the influence relationship of the pressure relief measures on the impact resistance of the roadway is comprehensively considered; the impact resistance of each supporting structure of the top plate and the side part, including the anchor rod, the anchor cable, the tray, the steel belt and the surface protecting net, is fully considered, and the energy absorbed by advanced supporting measures is fully considered, so that the calculation result is more in line with the actual situation on site.)
技术领域
本发明涉及一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法。
背景技术
近年来，煤矿巷道冲击地压事故频发，造成了极为惨重的人员伤亡及财产损失。合理的支护和卸压措施是冲击地压巷道必须采取的防控措施，而准确地计算巷道抗冲击能力对于冲击地压预测与防治具有重要意义。目前，关于抗冲击能力的计算方法仍然较少，仅有《一种巷道顶板锚固支护抗冲击能力的计算方法》(申请公布号CN 111259542A)，该发明针对顶板锚杆索支护系统进行抗冲击能力计算，主要考虑发生冲击地压时顶板对支护系统施加的动能和势能。王爱文等在
《煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法》一文中，提到了“吸能锚杆+可缩性O型棚+吸能液压支架”形成三级吸能支护的抗冲击能力计算方法，但该方法的吸能防冲能量仅通过简单的累加进行计算，缺乏一定的合理性；吴拥政等在《深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术》一文对于抗冲击性能的计算，将锚杆、锚索、金属网、U型棚、液压支架的单个抗冲击能力累加得到支护系统抗冲击能力，但忽略了卸压、钢带、托盘对抗冲击能力的重要影响，且未加区分顶板、帮部与卸压措施的防冲贡献率，得到结果与实际差别较大。
事实上，巷道抗冲击能力是支护系统锚杆；锚索及辅助系统托盘、钢带、护表网；超前支护措施液压支架，卸压措施卸压孔等共同作用的宏观体现。总体而言，现有的抗冲击能力计算方法存在以下几个方面的不足：
(1)现有的抗冲击能力计算方法中，均是将支护构件主要是锚杆和锚索的抗冲击能量进行简单的累加。在该类计算方法中，各支护构件抗冲击能量均是依据文献检索到的经验值，而该经验值是支护构件在准静态载荷作用下测算得出的；一方面，没有充分考虑动载冲击作用下支护构件的抗冲击能力，另一方面，随着支护结构加工材质的改良及其力学性能的提升，该经验值已无法体现当下锚杆索支护材料的抗冲击能力。
(2)支护因素考虑不全面。现有的抗冲击能力计算方法仅考虑锚杆、锚索的抗冲击能力，并未考虑托盘、钢带、护表网等支护配合部件的抗冲击能力，同时忽视了超前支护措施、围岩自身变形所能吸收的能量。
(3)对于冲击地压巷道，大直径钻孔卸压已成为必要措施，其通过收缩变形吸收能量从而提高支护系统的抗冲击能力，是巷道抗冲击能力计算过程中必须考虑的因素，但现有的抗冲击能力计算方法中均未对卸压孔所能吸收的能量进行计算。
发明内容
针对现有的抗冲击能力计算方法存在的各种不足，本发明提出了一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法，以更加精确合理的方法进行巷道抗冲击能力计算。
技术方案：一种煤矿巷道抗冲击能力精准计算方法，包括以下步骤：
第一步：调研现场工程地质条件及具体巷道支护参数
①调研确定现场巷道的支护参数，具体包括：顶板单排锚杆的数量ndg；顶板单排锚索的数量nds；顶板锚杆支护排距c；巷道宽度a；帮部单排锚杆的数量nbg；帮部单排锚索的数量nbs；帮部锚杆支护排距d；巷道高度b；
②调研确定现场巷道的卸压参数，具体包括：卸压孔的面积Sk，卸压孔的深度hk，卸压孔直径的d，卸压孔的间距l；
③调研确定现场巷道的工程地质参数，具体包括：巷道的垂直应力σh，巷道的围岩容重γ，巷道埋深h，巷道的周期来压步距L，巷道整体稳定性状况；
④调研超前支护措施参数，具体包括：一个周期来压步距范围内的超前支架数量nz，液压支架的刚度K，支架组的有效支护面积S，液压支架的位移量W。
第二步：冲击构件能量测定
对现场使用的防冲和支护构件进行取材，并进行动力冲击实验，测定各支护构件所能吸收的能量，为下一步计算整体支护结构所能吸收的能量提供切实可靠的基础数据。
步骤I：对支护现场使用的锚杆、锚索，进行动载冲击试验
具体步骤如下：
①取材，从冲击地压巷道支护现场的顶板锚杆、顶板锚索、帮部锚杆、帮部锚索中分别进行取样，其中顶板锚杆和顶板锚索的取样数量各不少于5根，帮部锚杆和帮部锚索的取样数量各不少于10根，单根试样的取样长度为50mm；
②试验，对第①步取得的试样采用夏比试验装置，进行动载冲击试验，确定支护材料的冲击吸收功指标，通过摆锤一次冲击，打断试样，采集并记录力-位移曲线，采用V型缺口进行实验，缺口根部曲率半径为0.25mm，缺口深度2mm，缺口角度为45度，详细试验步骤依据GB2106金属夏比(V型缺口)冲击试验测定方法来进行，对顶板锚杆、顶板锚索、帮部锚杆、帮部锚索进行多次试验，顶板锚杆和顶板锚索的试验次数分别不少于5次，帮部锚杆、帮部锚索的试验次数各不少于10次；
③能量计算，力-位移曲线与坐标轴围成的面积即为冲击吸收总能量，对多次试验结果进行取平均值处理，并分别记顶板锚杆、顶板锚索、帮部锚杆、帮部锚索所能吸收的平均能量为：Ed杆、Ed索、Eb杆、Eb索。
步骤II：采用动力机对托盘、钢带进行动力加载试验，具体步骤如下：
①取材，分别对冲击地压巷道现场所使用的顶板锚杆托盘、顶板锚索托盘，帮部锚杆托盘、帮部锚索托盘、顶板钢带、帮部钢带进行取样，其中顶板锚杆托盘、顶板锚索托盘的取样数量各不少于3个，顶板钢带取样总长度不小于200mm，取样数量不少于5个；帮部锚杆托盘、帮部锚索托盘的取样数量各不少于6个，帮部钢带的取样总长度不小于400mm，取样数量不少于10个；
②试验，对第①步取得的多个试样采用电液伺服液压万能试验机JL－WAW60进行加载试验，加载速率为0.02～0.05mm/min，并分析加载过程中的力学特性变化规律，分别获得顶板锚杆托盘、顶板锚索托盘、顶板钢带、帮部锚杆托盘、帮部锚索托盘、帮部钢带的最大承载力及变形高度指标，得出其应力应变曲线，其中顶板锚杆托盘、顶板锚索托盘的试验次数各不少于3次，顶板钢带的试验次数不少于5次；帮部锚杆托盘、帮部锚索托盘的试验次数各不少于6次，帮部钢带的试验次数不少于10次；
③能量计算，根据第②步获得的应力应变曲线，分别求出各支护材料对应的应力应变曲线与坐标轴围成的面积，即吸收的能量值，对多次试验结果进行取平均值处理，并分别记顶板锚杆托盘、顶板锚索托盘、顶板钢带、帮部锚杆托盘、帮部锚索托盘、帮部钢带所能吸收的能量为：Ed杆托、Ed索托、Ed钢带、Eb杆托、Eb索托、Eb钢带；
步骤III：护表网冲击试验
采用笼式围网冲击实验机对现场所使用的经纬网或工程塑料网进行冲击实验，获得护表网所能吸收的能量，具体步骤如下：
①取材，从冲击地压巷道支护现场的顶板取下不少于3个4m2的护表网作为顶板试验材料，再从帮部取下不少于6个4m2的护表网作为帮部的试验材料；
②护表网冲击试验，对第①步取得的试验材料，采用笼式足球围网冲击试验机，进行笼式围网冲击实验，获得护表网随位移变化所能承受的最大载荷，得出其应力应变曲线，计算护表网在冲击过程中的吸收功指标，分别对顶板护表网进行不少于3次试验，对帮部护表网进行不少于6次试验；
③能量计算，根据获得的顶板护表网和帮部护表网的应力应变曲线，对应力应变曲线进行积分，求出应力应变曲线与坐标轴围成的面积，即所能吸收的能量，对多次试验结果取平均值处理，分别计顶板、帮部护表网所能吸收的能量为Edw、Ebw；
第三步：计算单位面积的巷道支护结构所能吸收的能量
步骤I：顶板的能量按照如下公式计算：
Ed＝[ndg×(Ed杆+Ed杆托)+nds×(Ed索+Ed索托)+Ed钢带]/(a×c)+Edw (1)
式中：Ed为单位面积的巷道顶板支护结构所能吸收的能量；ndg为顶板单排锚杆的数量；Ed杆为顶板单根锚杆所能吸收的能量；Ed杆托为顶板锚杆配套的托盘所能吸收的能量；nds为顶板单排锚索的数量；Ed索为顶板单根锚索所能吸收的能量；Ed索托为顶板锚索配套的托盘所能吸收的能量；Ed钢带为顶板钢带所能吸收的能量；a为巷道宽度；c为顶板锚杆支护排距；Edw为顶板单位面积的护表网所能吸收的能量。
步骤II：帮部的能量按照如下公式计算：
Eb＝[nbg×(Eb杆+Eb杆托)+nbs×(Eb索+Eb索托)+Eb钢带]/(b×d)+Ebw (2)
式中：Eb为单位面积的巷道帮部支护结构所能吸收的能量；nbg为帮部单排锚杆的数量；Eb杆为帮部单根锚杆所能吸收的能量；Eb杆托为帮部锚杆配套的托盘所能吸收的能量；nbs为帮部单排锚索的数量；Eb索为帮部单根锚索所能吸收的能量；Eb索托为帮部锚索配套的托盘所能吸收的能量；Eb钢带为帮部钢带所能吸收的能量；b为巷道高度；d为帮部锚杆支护排距；Ebw为帮部单位面积的护表网所能吸收的能量。
步骤III：计算巷道现场采取的卸压孔所能吸收的能量
卸压钻孔所能吸收的能量根据以下公式进行计算：
Ek＝Sk×kb×hk×σh/(l×b) (3)
σh＝γh (5)
式中：Ek为单位面积的卸压钻孔所能吸收的能量，Sk为卸压孔的面积，hk为卸压孔的深度，kb为卸压孔的闭合系数取0.1％～0.2％，σh为钻孔处的垂直应力，π为圆周率取3.14，γ为容重取25～27kN/m3，h为巷道埋深，d为卸压孔直径，b为巷道高度，l为卸压孔间距。
步骤IV：液压支架等超前支护措施的能量计算
液压支架所能吸收的能量根据以下公式进行计算：
式中：Ey为液压支架单位面积能够吸收的平均能量，nz为一个周期来压步距内的超前支架数量，K为液压支架的刚度，取0.14×108(N/m2)，S为支架组的有效支护面积，取支架触顶面积的0.7～0.8；W为液压支架的位移量；a为巷道的宽度；L为巷道的周期来压步距。
第四步：巷道抗冲击能力综合计算
步骤I：确定权重系数
根据巷道围岩稳定性状况，确定单位面积顶板支护结构所能吸收的能量Ed，单位面积的巷道帮部结构所能吸收的能量Eb；单位面积的帮部卸压钻孔所能吸收的能量Ek三者所占的权重，具体如表1所示，其中α为Ed所占的权重，β为Eb所占的权重，γ为Ek占的权重。
表1权重影响因子分配表
巷道围岩稳定性状况
α
β
γ
非常稳定
0.4
0.4
0.2
稳定
0.5
0.3
0.2
中等稳定
0.6
0.3
0.1
不稳定
0.7
0.2
0.1
步骤II：权重分配计算
将权重因子α、β、γ组成矩阵A
将单位面积顶板支护结构所能吸收的能量Ed，单位面积的巷道帮部结构所能吸收的能量Eb；单位面积的帮部卸压钻孔所能吸收的能量Ek组成矩阵B，
步骤III：计算分配权重后的巷道单位面积的抗冲击能力
式中，Ez为分配权重后的巷道单位面积的抗冲击能力。
步骤IV：计算巷道的综合抗冲击能力
根据第一步调研巷道的顶板条件，计算出巷道的周期来压步距L，取周期来压步距长度范围为一个整体，则该巷道的综合抗冲击能力按下式计算：
EL＝[(a+2b)×Ez+a×Ey]×L (9)
式中，EL为以周期来压步距为长度的巷道的综合抗冲击能力；a为巷道宽度，b为巷道高度；Ez为分配权重后的巷道单位面积的抗冲击能力；Ey为液压支架单位面积能够吸收的平均能量；L为该顶板条件下的周期来压步距。
有益效果：
(1)本发明中的计算方法，通过对现场各支护构件取材进行动载冲击试验明确了实验中的取材、实验设备、加载方式等细节内容，可得到真实抗冲击能量数值，并根据围岩稳定性状况，对顶板、帮部的各支护构件及卸压孔所能吸收的能量进行权重分配，基础数据来源真实有效，能量计算方法科学合理，形成了抗冲击能力的精准、系统的计算方法。
(2)现有的抗冲击能力计算方法均未考虑卸压措施的作用，本发明提出了卸压孔吸收能量的具体计算公式，并根据围岩状况将卸压措施抗冲能量进行综合加权计算，全面的考虑了卸压措施对巷道抗冲击能力的影响关系。
(3)全面考虑支护构件的作用效果。现有的抗冲击能力计算方法仅考虑锚杆、锚索等部分防冲支护构件的能量计算，而本发明所述方法全面充分的考虑了顶板及帮部包括锚杆、锚索、托盘、钢带、护表网在内的各个支护结构的抗冲击能力，并充分考虑了超前支护措施所能吸收的能量，使得计算结果更符合现场实际情况。
具体实施方式
下面结合具体实例对本专利做进一步说明：
某矿作为冲击地压危险矿井，对有冲击危险的巷道进行强支护和大直径钻孔处理。现根据本发明的计算方法，进行抗冲击能力计算。
第一步：调研相关设计参数。
①调研确定现场巷道的具体支护参数：顶板单排锚杆的数量ndg为7根；顶板单排锚索的数量nds为2根；顶板锚杆支护排距c为0.95m；巷道宽度a为5.2m；帮部单排锚杆的数量nbg为5根；帮部单排锚索的数量nbs为2根；帮部锚杆支护排距d为0.90m；巷道高度b为3.7m；
②调研确定现场巷道的具体卸压参数：卸压孔的深度hk为20m，卸压孔直径的d为150mm，卸压孔的间距l为2.0m。
③调研确定现场巷道的具体工程地质参数，具体包括：巷道的围岩为容重γ为25kN/m3，巷道埋深h为750m，巷道的周期来压步距L为40m，巷道整体稳定性状况属于稳定巷道。
④调研超前支护措施具体参数：一个周期来压步距范围内的超前支架数量nz为20组，液压支架的刚度K为0.14×108(N/m2)，支架组的有效支护面积S为4.8m，液压支架的位移量W为300mm。
第二步：冲击构件能量测定。
步骤I：对支护现场使用的锚杆、锚索，进行动载冲击试验。
①取材。从冲击地压巷道支护现场的顶板锚杆、顶板锚索各取5根试样，再从帮部的锚杆中取10根试样，帮部的锚索取样数量也为10根，所有试样的取样长度均保证为50mm。②试验。对第①步取得的试样采用夏比试验装置进行试验。③能量计算。对试验曲线进行积分求得顶板锚杆的5次试验能量，取平均值最终确定顶板锚杆所能吸收的能量Ed杆为3.5kJ/根；顶板锚索所能吸收的能量Ed索为8.2kJ/根、帮部锚杆所能吸收的能量Eb杆为3.1kJ/根、帮部锚索所能吸收的能量Eb索为7.8kJ/根。
步骤II：采用动力机，对托盘、钢带进行动力加载试验。
①取材。从冲击地压巷道现场取顶板锚杆托盘3个、顶板锚索托盘3个、帮部锚杆托盘6个、帮部锚索托盘6个、顶板钢带取总长为200mm的试样5个，帮部取总长为400mm的试样10个。②试验。对第①步取得的多个试样进行加载试验。③能量计算。对多次试验结果进行取平均值处理，分别获得顶板锚杆托盘所能吸收的能量Ed杆托为2.7kJ/个、顶板锚索托盘所能吸收的能量Ed索托为6.3kJ/个、顶板钢带所能吸收的能量Ed钢带为4.6kJ/条、帮部锚杆托盘所能吸收的能量Eb杆托为2.5kJ/个、帮部锚索托盘所能吸收的能量Eb索托为5.9kJ/个、帮部钢带所能吸收的能量Eb钢带为4.7kJ/条。
步骤III：护表网冲击试验。
①取材。从冲击地压巷道支护现场的顶板取下3个4m2的护表网，再从帮部取下6个4m2的护表网作为帮部的试验材料。②护表网冲击试验。对第①步取得的试验材料，进行笼式围网冲击实验。③计算能量及结果处理。对获得的顶板护表网和帮部护表网的应力应变曲线进行积分，分别对顶板、帮部护表网的多次试验结果进行取平均值处理，求得顶板护表网所能吸收的能量Edw为0.53kJ/m2、帮部护表网所能吸收的能量Ebw为0.54kJ/m2。
第三步：计算单位面积的巷道支护结构所能吸收的能量。
步骤I：顶板的能量根据公式(1)进行计算：
Ed＝[ndg×(Ed杆+Ed杆托)+nds×(Ed索+Ed索托)+Ed钢带]/(a×c)+Edw (1)
根据该矿的动载试验结果，带入相关能量数值，可得单位面积的顶板支护结构所能吸收的能量Ed为：
Ed＝[7×(3.5+2.7)+2×(8.2+6.3)+4.6]/(5.2×0.95)+0.53＝16.12kJ/m2
步骤II：帮部的能量根据公式(2)进行计算：
Eb＝[nbg×(Eb杆+Eb杆托)+nbs×(Eb索+Eb索托)+Eb钢带]/(b×d)+Ebw (2)
根据该矿的动载试验结果，带入相关的能量参数，可得单位面积的帮部支护结构所能吸收的能量Eb为：
Eb＝[5×(3.1+2.5)+2×(7.8+5.9)+4.7]/(3.7×0.90)+0.54＝18.59kJ/m2
步骤III：计算现场采取的卸压孔所能吸收的能量。
根据第一步调研结果，该巷道埋深h为750m；容重γ取25kN/m3；圆周率π取3.14；卸压孔直径d为0.15m；闭合系数kb取0.2％；卸压孔的深度hk为20m；孔间距为2.0m；巷道高为3.7m。则根据公式(3)～(5)，单位面积的卸压钻孔所能吸收的能量为：
σh＝25×750＝18.75MPa
Ek＝0.035325×20×0.2％×18.75÷(2.0×3.7)＝3.58kJ/m2
步骤IV：结合液压支架等超前支护措施的计算。
根据公式(6)，进行液压支架所能吸收的能量计算：
第四步：巷道抗冲击能力综合计算。
根据第三步的能量计算公式，确定顶板支护结构所能吸收的能量Ed为16.12kJ/m2，巷道帮部结构所能吸收的能量Eb为18.59kJ/m2；卸压钻孔所能吸收的能量Ek为3.58kJ/m2。
步骤I：确定权重系数。根据巷道围岩属于稳定类型，参考权重影响因子分配表1，确定权重系数α、β、γ分别为0.5、0.3、0.2。
步骤II：权重分配计算。
将权重因子α、β、γ组成矩阵A
将单位面积的支护结构所能吸收的能量Ed，Eb，Ek组成矩阵B。
步骤III：计算分配权重后的巷道单位面积的抗冲击能力。将权重因子和能量参数带入公式(8)可得：
步骤IV：计算巷道的综合抗冲击能力。
根据第一步调研结果，其周期来压步距L为40m，则取周期来压步距长度范围为一个整体。则该巷道的综合抗冲击能力按公式(9)计算：
EL＝[(5.2+2×3.7)×14.353+5.2×8.07]×40＝8.914×106J
故，该煤矿巷道的抗冲击能力为：能抵抗8.914×106J的冲击能量。