CN112049659B - 冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法。冲击地压巷道底板缓冲减震结构包括依次叠置的上承载层、中间填充层和下平层。其中，所述中间填充层由高刚度凸型平滑颗粒、低摩擦滑动性颗粒和可变形破坏吸能颗粒三者混合构成。该结构在静载状态下不易发生变形和破坏，受到底板冲击载荷作用时中间填充层能发生快速滑移错动和压缩变形、吸收消耗部分能量，且能够起到软弱夹层衰减冲击波的作用，因此可以大大降低冲击速度和冲击性能量在底板表面的释放，避免了巷道对底板造成冲击性破坏。同时，与现有的单独支护加固措施相比较，工艺简单，便于操作。

Description

冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法

技术领域

本发明涉及矿山开采技术领域，尤其涉及一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法。

背景技术

冲击地压是煤矿开采中遇到的重大动力灾害，是矿山井巷和采场周围煤岩体由于变形能的释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单的讲，冲击地压就是煤岩体的突然破坏现象。我国煤炭资源丰富，但浅部地质赋存的优越煤炭资源日益枯竭，逐渐转入深部开采是煤炭行业发展的必然趋势。随着开采深度增加，冲击地压灾害频繁发生，给煤矿生产安全带来严重威胁。

冲击地压灾害对巷道的破坏巨大，其中对巷道底板冲击破坏所占的比例最高。同时，由于一般巷道底板很少或不采取支护和加固措施，巷道底板成为冲击显现的最佳突破口，其变形和破坏也是最严重的。

目前巷道底板冲击地压的防治主要方法是进行底板爆破、开槽和打设大直径钻孔等；对底板的支护和加固方法主要有O型棚支护、反底拱、锚杆锚索支护和注浆加固等。但当冲击地压灾害发生后，巷道底板的被动防护显得尤为重要，仅仅依靠支护或加固无法解决巷道底板受到冲击严重的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法，借鉴隔震技术理念，基于滑动、压缩变形或破坏耗能的原理，使巷道底板能够抵御或缓解地压冲击造成的破坏。

根据本发明第一方面的实施例，提供了一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构，包括依次叠置的上承载层、中间填充层和下平层，其中，所述中间填充层由高刚度凸型平滑颗粒、低摩擦滑动性颗粒和可变形破坏吸能颗粒三者混合构成。

根据本发明的实施例，所述上承载层为金属板或混凝土板并且厚度为10-50mm，所述下平层为金属板、混凝土板或橡胶垫并且厚度为5-30mm。

根据本发明的实施例，所述高刚度凸型平滑颗粒为砾石、卵石、钢球或弹珠，所述低摩擦滑动性颗粒为沙子或塑料颗粒，所述可变形破坏吸能颗粒为橡胶颗粒、陶粒或高分子脂类聚合物颗粒。

根据本发明的实施例，所述高刚度凸型平滑颗粒的颗粒直径为20-80mm，所述低摩擦滑动性颗粒的颗粒直径为0.5-8mm，所述可变形破坏吸能颗粒的颗粒直径为1-20mm。

根据本发明的实施例，所述高刚度凸型平滑颗粒、所述低摩擦滑动性颗粒和所述可变形破坏吸能颗粒的体积比在1:1.5:1.5-1:2.5:2.5之间。

根据本发明的实施例，所述中间填充层和所述下平层的宽度相同，所述上承载层的宽度尺寸比所述中间填充层和所述下平层的宽度尺寸大。

根据本发明的实施例，所述上承载层和所述下平层均为平面结构。

根据本发明的实施例，所述中间填充层的厚度为100-600mm。

根据本发明第二方面的实施例，提供了一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构的布置方法，包括:

对巷道掘进情况进行判断；

若判断巷道处于掘进阶段，则进行巷道开挖并根据冲击地压巷道底板缓冲减震结构设计位置进行底板超挖，然后按照下平层、中间填充层、上承载层的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构的铺设，并且在上承载层以上按照巷道设计断面要求进行回填；

若判断巷道掘进已经完成，则按照设计深度进行巷道底板开挖，然后按照下平层、中间填充层、上承载层的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构的铺设，并且在上承载层以上按照巷道设计断面要求进行开挖矸石回填。

根据本发明的实施例，所述冲击地压巷道底板缓冲减震结构在巷道全长范围全部设置或者在巷道内间隔设置，并且所述冲击地压巷道底板缓冲减震结构安装在距离巷道底板1-2m的位置处。

在本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构中，包括上承载层、中间填充层和下平层，三者依次叠置，所述中间填充层由高刚度凸型平滑颗粒、低摩擦滑动性颗粒和可变形破坏吸能颗粒三者混合构成。

其中，高刚度凸型平滑颗粒，具有强度高和竖向刚度大的特点。在静载状态时，所述高刚度凸型平滑颗粒能够起到承载作用；在动载荷冲击作用时，动载荷的水平分量能够使得所述高刚度凸型平滑颗粒沿上下平面滑移、错动，消耗冲击能量，减小水平方向动载荷对巷道底板煤岩体的剪切作用。

低摩擦滑动性颗粒，一方面能够降低所述高刚度凸型平滑颗粒的最大静摩擦力，使得所述高刚度凸型平滑颗粒可以在震动冲击波传来时快速启动滑移；另一方面，所述低摩擦滑动性颗粒有效填充了所述高刚度凸型平滑颗粒和所述可变形破坏吸能颗粒的间隙空间，提高了所述中间填充层的密度，从而能够提高震动响应速度，使其在地压冲击响应过程中可以快速挤压所述可变形破坏吸能颗粒，实现快速吸收冲击能量。

可变形破坏吸能颗粒，具有较好的弹性、抗疲劳性能或者易脆性破坏能力，能够产生较大的变形或破坏。在静载状态下，所述可变形破坏吸能颗粒基本不产生变形或者是产生较小的变形；在冲击载荷作用下，所述可变形破坏吸能颗粒能够快速产生较大变形或者破坏，吸收部分冲击能量，为填充层提供变形空间。

根据以上所述，在巷道底板岩层中距离巷道表面一定距离设置冲击地压巷道底板缓冲减震结构，当冲击性载荷经巷道底板岩层向巷道内传递，或者底板岩层积聚过多能量突然破裂释放导致巷道底板产生冲击性动载荷并向巷道空间传递时，该冲击地压巷道底板缓冲减震结构能够吸收部分能量，衰减冲击波，进而起到缓冲减震的作用；能够最大程度降低巷道底板的冲击破坏程度；同时，与现有技术中的单独支护加固等措施相比较，这种结构工艺简单，便于操作。

进一步，在本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构的布置方法中，由于使用了如上所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，因此同样具备如上所述的各项优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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是本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构未受冲击时的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构受到冲击后的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构中中间填充层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构在巷道内的布置示意图。

附图标记：

1：上承载层；2：中间填充层；201：高刚度凸型平滑颗粒；202：低摩擦滑动性颗粒；203：可变形破坏吸能颗粒；3：下平层；4：巷道；5：回填层；6：冲击地压巷道底板缓冲减震结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，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至图4对本发明实施例提供的冲击地压巷道底板缓冲减震结构及其布置方法进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。

如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构。该冲击地压巷道底板缓冲减震结构包括：依次叠置的上承载层1、中间填充层2和下平层3，其中，中间填充层2由高刚度凸型平滑颗粒201、低摩擦滑动性颗粒202和可变形破坏吸能颗粒203三者混合构成。

其中，高刚度凸型平滑颗粒201，具有强度高和竖向刚度大的特点。在静载状态时，高刚度凸型平滑颗粒201能够起到承载作用；在动载荷冲击作用时，动载荷的水平分量能够使得高刚度凸型平滑颗粒201沿上下平面滑移、错动，消耗冲击能量，减小水平方向动载荷对巷道底板煤岩体的剪切作用。

低摩擦滑动性颗粒202，一方面能够降低高刚度凸型平滑颗粒201的最大静摩擦力，使得高刚度凸型平滑颗粒201可以在震动冲击波传来时快速启动滑移；另一方面，低摩擦滑动性颗粒202有效填充了高刚度凸型平滑颗粒201和可变形破坏吸能颗粒203的间隙空间，提高了中间填充层2的密度，从而能够提高震动响应速度，使其在地压冲击响应过程中可以快速挤压可变形破坏吸能颗粒203，实现快速吸收冲击能量。

可变形破坏吸能颗粒203，具有较好的弹性和抗疲劳性能，能够产生较大的变形。在静载状态下，可变形破坏吸能颗粒203基本不产生变形或者是产生较小的变形；在冲击载荷作用下，可变形破坏吸能颗粒203能够快速产生较大变形，吸收部分冲击能量。

根据以上所述，在巷道底板岩层中距离巷道表面一定距离设置冲击地压巷道底板缓冲减震结构6，当冲击性载荷经巷道底板岩层向巷道内传递，或者底板岩层积聚过多能量突然破裂释放导致巷道底板产生冲击性动载荷并向巷道空间传递时，该冲击地压巷道底板缓冲减震结构6能够吸收部分能量，衰减冲击波，进而起到缓冲减震的作用；能够最大程度降低巷道底板的冲击破坏程度；同时，与现有技术中的单独支护加固等措施相比较，这种结构工艺简单，便于操作。

具体的，在本发明的一个实施例中，上承载层1为金属板或混凝土板等高强度类板并且厚度为10-50mm，下平层3为金属板、混凝土板或橡胶垫等平滑类板并且厚度为5-30mm。

根据上述实施例可知，巷道底板在不受动载荷冲击的影响或者在静载状态下，上承载层1可以起到承载作用，保证中间填充层2不受压缩或者仅少量压缩。冲击载荷自下而上传递，下平层3为金属板、混凝土板或橡胶垫，能够快速传递响应，使中间填充层2中的高刚度凸型平滑颗粒201、低摩擦滑动性颗粒202和可变形破坏吸能颗粒203迅速作用吸收能量，衰减冲击波，起到缓冲减震的作用。

进一步地，在本发明的一个实施例中，高刚度凸型平滑颗粒201为砾石、卵石、钢球或弹珠，低摩擦滑动性颗粒202为沙子或塑料颗粒，可变形破坏吸能颗粒203为橡胶颗粒、陶粒或高分子脂类聚合物颗粒。

此处应当指出的是，对于高刚度凸型平滑颗粒201的种类，包括砾石、卵石、钢球或弹珠，但不限于上述种类，满足如上所述的高刚度凸型平滑颗粒201特性的物质均可；对于低摩擦滑动性颗粒202的种类，包括沙子或塑料颗粒，但不限于上述种类，满足如上所述的低摩擦滑动性颗粒202特性的物质均可；对于可变形破坏吸能颗粒203的种类，包括橡胶颗粒、陶粒或高分子脂类聚合物颗粒，但不限于上述种类，满足如上所述的可变形破坏吸能颗粒203特性的物质均可。

中间填充层2通过如上所述各种材料构成，相较于泡沫混凝土等吸能材料，成本较低，且在静载状态下不易发生变形和破坏。

进一步地，在本发明的一个实施例中，高刚度凸型平滑颗粒201的颗粒直径为20-80mm，低摩擦滑动性颗粒202的颗粒直径为0.5-8mm，可变形破坏吸能颗粒203的颗粒直径为1-20mm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，高刚度凸型平滑颗粒201、低摩擦滑动性颗粒202和可变形破坏吸能颗粒203的体积在1:1.5:1.5-1:2.5:2.5之间。

具体地，在本发明的一个实施例中，中间填充层2的厚度为150-500mm。确定冲击地压巷道底板缓冲减震结构6的厚度时，首先根据巷道底板岩层的冲击倾向性、应力和微震等相关监测数据以及采掘时空关系，评价出巷道底板的冲击危险性；然后综合巷道底板的冲击危险性和巷道底板的历史冲击显现特征，估算出冲击地压巷道底板缓冲减震结构6对能量的吸收作用，综合确定冲击地压巷道底板缓冲减震结构6的厚度。一般情况下，中间填充层2厚度为100-600mm。

以一典型冲击地压巷道为例，巷道底板内其距离巷道底部表面5m左右有一层厚硬砂岩，根据巷道底板岩层的冲击倾向性、应力和微震等相关监测数据以及采掘时空关系评估该巷道底板具有强冲击危险。综合巷道底板的冲击危险性和巷道底板的历史冲击显现特征估算出冲击地压巷道底板缓冲减震结构6布置在巷道表面下方2m的位置处，总厚度为440mm，其中上承载层1厚度30mm，中间填充层2厚度为400mm，下平层3厚度为10mm。

进一步地，如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，上承载层1和下平层3均为平面结构。

更具体地，如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，中间填充层2和下平层3的宽度相同，考虑到需要两侧未开挖煤岩作为受力支点，上承载层1的宽度尺寸比中间填充层2和下平层3的宽度尺寸大。

上承载层1为平面结构且其宽度尺寸大于中间填充层2和下平层3的宽度尺寸，使得上承载层1具有更好的承载性能，巷道底板在不受动载荷冲击的影响或者在静载状态下，更好地保证中间填充层2不受压缩或者仅少量压缩。下平层3为平面结构，能够更加快速地传递冲击响应，使中间填充层2中的高刚度凸型平滑颗粒201、低摩擦滑动性颗粒202和可变形破坏吸能颗粒203迅速作用吸收能量，衰减冲击波，起到缓冲减震的作用。

此处需要指出的是，如上所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构6可以单独使用，也可以配合支护加固或卸压措施等共同使用。

另外，如图4所示，本发明实施例还提供了一种冲击地压巷道底板缓冲减震结构的布置方法，包括：对巷道4掘进情况进行判断；

若判断巷道4处于掘进阶段，则进行巷道4开挖并根据冲击地压巷道底板缓冲减震结构6设计位置进行底板超挖，然后按照下平层3、中间填充层2、上承载层1的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构6的铺设，并且在上承载层1以上按照巷道4设计断面要求进行回填层5的回填；

若判断巷道4掘进已经完成，则按照设计深度进行巷道底板开挖，然后按照下平层3、中间填充层2、上承载层1的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构6的铺设，并且在上承载层1以上按照巷道4设计断面要求进行开挖矸石回填。

由于该布置方法中使用了如上所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构6，因此同样具备如上所述的各项优势。

进一步地，在本发明的一个实施例中，冲击地压巷道底板缓冲减震结构6在巷道4全长范围全部设置或者在巷道4内间隔设置，并且冲击地压巷道底板缓冲减震结构6安装在距离巷道底板1-2m的位置处。

在布设冲击地压巷道底板缓冲减震结构6时，要综合巷道底板冲击显现特征、力源位置、施工特点和成本等因素，选择科学合理的位置布设。如果布设在巷道4表面，由于巷道底板表面无约束则失去了冲击地压巷道底板缓冲减震结构6实现吸能缓冲减震的意义；如果布设在巷道底板较深的位置，则施工难度大且综合成本高；如果距离震源点或者能量积聚层较远，其缓冲减震作用也不显著。

在确定冲击地压巷道底板缓冲减震结构6与巷道底板之间的布设距离时，首先根据煤层顶底板综合柱状图或者打孔测试的方法，确定底板岩层的岩性、厚度及其分布；随后采用实验室试验或原位测试的方法，测试各岩层的基本力学参数和冲击倾向性；然后根据岩层分布特征、力学参数以及采掘关系，确定底板能量积聚的层位；将冲击地压巷道底板缓冲减震结构6布设在巷道底板表面和能量积聚层位之间。理论上冲击地压巷道底板缓冲减震结构6距离能量积聚层越近越好，但同时应当考虑开挖施工难度及成本等综合因素。由此确定，将冲击地压巷道底板缓冲减震结构6布设在距离巷道底板表面1-2m范围内较为合理。

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底板缓冲减震结构，其特征在于，包括依次叠置的上承载层、中间填充层和下平层，其中，所述中间填充层由高刚度凸型平滑颗粒、低摩擦滑动性颗粒和可变形破坏吸能颗粒三者混合构成，

在未受到外力的状态下，所述高刚度凸型平滑颗粒分散布设至所述低摩擦滑动性颗粒中，所述可变形破坏吸能颗粒布设至所述低摩擦滑动性颗粒与所述高刚度凸型平滑颗粒之间的间隙中，

在受到外力的状态下，所述高刚度凸型平滑颗粒能够在所述低摩擦滑动性颗粒中滑移，所述可变形破坏吸能颗粒能够被挤压变形。

2.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述上承载层为金属板或混凝土板，并且厚度为10-50mm，所述下平层为金属板、混凝土板或橡胶垫，并且厚度为5-30mm。

3.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述高刚度凸型平滑颗粒为砾石、卵石、钢球或弹珠，所述低摩擦滑动性颗粒为沙子或塑料颗粒，所述可变形破坏吸能颗粒为橡胶颗粒、陶粒或高分子脂类聚合物颗粒。

4.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述高刚度凸型平滑颗粒的颗粒直径为20-80mm，所述低摩擦滑动性颗粒的颗粒直径为0.5-8mm，所述可变形破坏吸能颗粒的颗粒直径为1-20mm。

5.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述高刚度凸型平滑颗粒、所述低摩擦滑动性颗粒和所述可变形破坏吸能颗粒的体积比在1:1.5:1.5-1:2.5:2.5之间。

6.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述中间填充层和所述下平层的宽度相同，所述上承载层的宽度尺寸比所述中间填充层和所述下平层的宽度尺寸大。

7.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述上承载层和所述下平层均为平面结构。

8.根据权利要求1所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构，其特征在于，所述中间填充层的厚度为100-600mm。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的冲击地压巷道底板缓冲减震结构的布置方法，其特征在于，包括：

对巷道掘进情况进行判断；

若判断巷道处于掘进阶段，则进行巷道开挖并根据冲击地压巷道底板缓冲减震结构设计位置进行底板超挖，然后按照下平层、中间填充层、上承载层的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构的铺设，并且在上承载层以上按照巷道设计断面要求进行回填；

若判断巷道掘进已经完成，则按照设计深度进行巷道底板开挖，然后按照下平层、中间填充层、上承载层的顺序自下而上进行冲击地压巷道底板缓冲减震结构的铺设，并且在上承载层以上按照巷道设计断面要求进行开挖矸石回填。

10.根据权利要求9所述的布置方法，其特征在于，所述冲击地压巷道底板缓冲减震结构在巷道全长范围全部设置或者在巷道内间隔设置，并且所述冲击地压巷道底板缓冲减震结构安装在距离巷道底板1-2m的位置处。

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