一种巷道主动式吸能支护装置及安装方法

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，更具体的说是涉及一种巷道主动式吸能支护装置及安装方法。

背景技术

目前，煤炭资源主要以井工形式开采，需要对煤层进行采区划分后布置不同的生产工作面，开掘大量巷道，保证巷道通畅和围岩稳定对煤矿安全高效生产具有重要意义。

但是，随着开采深度的增加，地质应力环境日益复杂，巷道围岩弹性能的瞬时释放而产生的突然剧烈破坏的动力现象，即冲击地压现象时有发生。现有巷道防冲技术主要包括门式吸能防冲液压支架支护、防冲吸能O型棚支护等多种形式，门式吸能防冲液压支架支护的支护形式会降低巷道作业空间利用率，对巷道行人、通车以及工作面通风等存在安全影响，同时还存在反复支承顶板而引起锚杆支护失效和顶板破碎的问题；防冲吸能O型棚支护，的支护形式存在强度和刚度低、难以控制高应力巷道的强烈变形，容易导致卡缆崩断、支架屈服折断等问题。

因此，如何提供一种能够解决上述问题的巷道主动式吸能支护装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种巷道主动式吸能支护装置及安装方法，提高冲击地压矿井回采巷道防冲支护强度与吸能效果、保障回采巷道作业空间利用率、排除安全隐患具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种巷道主动式吸能支护装置，包括：主动式吸能防冲液压锚杆、棱柱形折痕吸能构件、液压安全阀、套筒以及锚杆杆体；

所述主动式吸能防冲液压锚杆与所述套筒连接，所述棱柱形折痕吸能构件、所述液压安全阀设置于所述套筒内部；

所述锚杆杆体包括杆芯、密封活塞，所述密封活塞设置于所述套筒内部的同时套设在所述杆芯上，所述棱柱形折痕吸能构件、所述液压安全阀依次设置于所述杆芯上。

优选的，所述液压安全阀包括：调压弹簧、油缸、阀芯、阀体、进压口、卸压口；

所述油缸、所述阀芯以及所述调压弹簧依次设置于所述阀体内部，所述油缸与所述阀芯连接，且所述油缸内预先加入液压油；

所述调压弹簧套设在所述杆芯上，所述进压口设置于所述油缸上，所述卸压口设置于所述阀体上。

优选的，还包括：锚塞、托盘及垫片；

所述锚塞、所述托盘及所述垫片依次套设在所述主动式吸能防冲液压锚杆上。

本发明还提供一种利用上述任一项所述的巷道主动式吸能装置的巷道主动式吸能支护方法，包括以下步骤：

S1：在待施工巷道区域选取多个采样点，采集围岩力学性质参数，并根据所述围岩力学性质参数确定待施工巷道区域发生冲击地压时的临界载荷；

S2：标定待反演参数初始条件，构建并训练神经网络，将所述采样点、所述待反演参数初始条件输入至神经网络中进行学习反演，得到采样点反演值矩阵以及对应的反演参数条件；

S3：根据所述反演参数条件、所述临界荷载、所述围岩力学性质参数确定巷道主动式吸能支护装置的临界参数；

S4：根据所述临界参数完成巷道主动式吸能支护装置的井上以及井下安装，完成巷道防冲支护。

优选的，所述S2具体包括：

S21：构建神经网络，将所述采样点、所述待反演参数初始条件输入至神经网络中进行学习反演；

S22：根据损失函数计算所述施工位置与所述采样点对应的物理损失，并将计算总和以训练参数的形式反馈到神经网络中进行下一次学习反演，直至物理损失符合预设阈值时，输出此时的采样点反演值矩阵以及对应的反演参数条件。

优选的，所述S2中，所述待反演参数初始条件以及所述反演参数条件均包括：巷道支承压力以及巷道应力集中系数。

优选的，所述S1中，所述围岩力学性质参数包括：围岩应力应变关系、抗压强度、冲击能量指数、弹性模量、软化模量以及内摩擦角。

优选的，所述S3具体包括：

S31：根据S2得到的巷道支承压力以及巷道应力集中系数确定巷道支护强度，根据巷道支护强度确定主动式吸能防冲液压锚杆的施工参数；

S32：根据S1得到的冲击能量指数以及临界荷载确定棱柱形折痕吸能构件的轴向承压峰值荷载、荷载波动系数以及轴向压溃峰值荷载；

S33：根据棱柱形折痕吸能构件的轴向压溃峰值荷载确定液压安全阀调压弹簧刚度K。

优选的，所述S4具体包括：

S41：将所述棱柱形折痕吸能构件与所述液压安全阀组装进所述主动式吸能防冲液压锚杆中，并在所述液压安全阀的油缸内注入液压油，根据所述轴向承压峰值荷载确定液压油初始压力；

S42：根据S31得到的主动式吸能防冲液压锚杆施工参数，将主动式吸能防冲液压锚杆进行井下安装，完成巷道防冲支护。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种巷道主动式吸能支护装置及安装方法，具有如下有益效果：

(1)巷道是工作面行人、通风及运输的咽喉，尤其是在设备布置密集的巷道端头，作业空间利用率低且存在较大的安全隐患。通过本发明设置的支护装置能够显著提高巷道作业空间利用率，大幅降低巷道安全隐患；

(2)本发明能够避免反复支承挤压造成顶板完整性破坏与锚杆失效，极大程度上维持顶板结构的完整性，保证了顶板岩层的自承能力；

(3)棱柱形折痕吸能构件与液压安全阀串联递进设计在保证支护强度的基础上，大大提高了主动式吸能防冲液压锚杆吸能防冲能力；精准的参数确定流程，避免了因防冲能力设计不足造成冲击地压事故的发生，或者因防冲能力设计过大造成支护成本的增加。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种巷道主动式吸能支护装置的结构示意图；

图2为本发明提供的棱柱形折痕吸能构件的结构示意图；

图3为本发明提供的液压安全阀的结构示意图；

图4为本发明提供的锚杆杆体的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的巷道围岩应力应变关系图；

图6为本发明实施例2提供的巷道支护平面图；

图7为本发明实施例2提供的巷道支护断面图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

实施例1

参见附图1-4所示，本发明实施例公开了一种巷道主动式吸能支护装置，包括：主动式吸能防冲液压锚杆1、棱柱形折痕吸能构件2、液压安全阀3、套筒10以及锚杆杆体11；

主动式吸能防冲液压锚杆1与套筒10连接，棱柱形折痕吸能构件2、液压安全阀3设置于套筒10内部；

锚杆杆体11包括杆芯16、密封活塞17，密封活塞设置于套筒10内部的同时17套设在杆芯16上，棱柱形折痕吸能构件2、液压安全阀3依次设置于杆芯16上。

在一个具体的实施例中，液压安全阀3包括：调压弹簧4、油缸5、阀芯12、阀体13、进压口14、卸压口15；

油缸5、阀芯12以及调压弹簧4依次设置于阀体13内部，油缸5与阀芯12连接，且油缸5内预先加入液压油；

调压弹簧4套设在杆芯16上，进压口14设置于油缸5上，卸压口15设置于阀体13上。

在一个具体的实施例中，还包括：锚塞6、托盘8及垫片9；

锚塞6、托盘8及垫片9依次套设在主动式吸能防冲液压锚杆1上。

上述装置的具体工作原理为：杆芯16受力带动密封活塞17向右移动，促使油缸5液压油压力升高，在油缸5与调压弹簧4平衡力系作用下推动液压安全阀3整体向右移动，促使棱柱形折痕吸能构件2承载受力。当荷载超过棱柱形折痕吸能构件2轴向承压峰值荷载时，棱柱形折痕吸能构件2开始让位变形吸能；当荷载超过棱柱形折痕吸能构件2轴向压溃峰值荷载时，棱柱形折痕吸能构件2被压溃，同时液压安全阀3开启，继续吸能防冲。

本发明实施例1将棱柱形折痕吸能构件2与液压安全阀3串联连接，实现多级吸能，吸能能力大，防冲效果好。

本发明实施例1还提供一种利用上述实施例1中任一项的巷道主动式吸能装置的巷道主动式吸能支护方法，包括以下步骤：

S1：在待施工巷道区域内利用Sobol序列算法选取多个采样点，采样点记为m

S2：标定待反演参数初始条件，构建并训练神经网络，将采样点m

S3：根据反演参数条件、临界荷载P

S4：根据临界参数完成巷道主动式吸能支护装置的井上以及井下安装，完成巷道防冲支护。

在一个具体的实施例中，S1中，围岩力学性质参数包括：围岩应力应变关系、抗压强度σ

在一个具体的实施例中，S2具体包括：

S21：构建神经网络，将采样点、待反演参数初始条件输入至神经网络中进行学习反演；

S22：根据损失函数计算施工位置与采样点对应的物理损失，并将计算总和以训练参数的形式反馈到神经网络中进行下一次学习反演，直至物理损失符合预设阈值时，输出此时的采样点反演值矩阵M

具体的，S22中

且

式中，M

根据损失函数ψ(θ)计算m

在一个具体的实施例中，S2中，待反演参数初始条件以及反演参数条件均包括：巷道支承压力P

在一个具体的实施例中，S3具体包括：

S31：根据S2得到的巷道支承压力以及巷道应力集中系数确定巷道支护强度，根据巷道支护强度确定主动式吸能防冲液压锚杆1的施工参数；

S32：根据S1得到的冲击能量指数K

S33：根据棱柱形折痕吸能构件2的轴向压溃峰值荷载F

在一个具体的实施例中，S4具体包括：

S41：将棱柱形折痕吸能构件2与液压安全阀3组装进主动式吸能防冲液压锚杆1中，并在液压安全阀3的油缸5内注入液压油，根据轴向承压峰值荷载F

S42：根据S31得到的主动式吸能防冲液压锚杆施工参数，将主动式吸能防冲液压锚杆1进行井下安装，完成巷道防冲支护。

实施例2

以某煤矿的工作面回采巷道为例，巷道断面尺寸为3.0×2.5m，已知液压安全阀进口面积A＝78.5mm

a、巷道围岩力学性质评估；

采用钻屑法开展围岩力学性质原位测试，测试围岩应力应变关系如图5所示，其中抗压强度为27.37MPa、冲击能量指数为6.5、弹性模量为16.49GPa、软化模量为32.33GPa和内摩擦角为30°；

b、采用Sobol序列算法在步骤a围岩应力应变关系全域中采集若干个采样点记为：

c、标定待反演参数初始条件。本实施例中标定待反演参数巷道支承压力初始条件为1MPa、巷道应力集中系数初始条件为1；

d、将步骤b中采样点与步骤c中待反演参数初始条件输入到神经网络中进行学习反演，得到：

巷道支承压力P

e、根据损失函数ψ(θ)计算步骤b中与步骤d中一一对应的物理损失，并将计算总和以可训练参数的形式反馈到神经网络中进行下一次学习反演。采用Adam优化器学习反演30000步后物理损失降低至预期要求，输出最后一次学习反演所得的巷道支承压力P

f、确定巷道支护施工参数。根据步骤e中巷道支承压力P

g、确定巷道冲击地压发生时的临界荷载P

依据步骤a中的围岩力学性质，基于扰动响应失稳理论计算巷道冲击地压发生时的临界荷载为20.80MPa；

h、确定棱柱形折痕吸能构件2参数；

根据步骤a中的冲击能量指数和步骤g中临界荷载P

i、确定液压安全阀3参数；

根据步骤h中棱柱形折痕吸能构件2轴向压溃峰值荷载F

j、主动式吸能防冲液压锚杆1井上组装；

将步骤h与步骤i中的棱柱形折痕吸能构件2与液压安全阀3组装进主动式吸能防冲液压锚杆1中，并在油缸5内注入液压油，依据步骤h中棱柱形折痕吸能构件2轴向承压峰值荷载确定油缸5液压油初始压力为5.20MPa；

k、主动式吸能防冲液压锚杆1井下安装。根据步骤f中的主动式吸能防冲液压锚杆1施工参数，将步骤j中的主动式吸能防冲液压锚杆1进行井下安装，完成巷道防冲支护，如图5-7所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。