本發(fā)明涉及礦業(yè)工程中深部開采巷道支護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制深部開采圍巖大變形的系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

1、煤炭在我國能源體系中占據(jù)主體地位。近年來，隨著我國煤炭持續(xù)高強(qiáng)度開采，淺部煤炭資源逐漸減少，深部開采成為必然趨勢，尤其東部礦區(qū)已普遍進(jìn)入深部開采階段。多數(shù)礦區(qū)存在斷層、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，地應(yīng)力環(huán)境極為復(fù)雜。采礦活動破壞了采場周圍原始應(yīng)力分布，致使巷道圍巖應(yīng)力重新分布，形成應(yīng)力集中區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)巖體瞬間破壞會釋放大量能量，作用于巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，易引發(fā)巷道跨度增大、頂板垮落、底板鼓起等嚴(yán)重問題，甚至造成人員傷亡，極大地增加了深部開采的難度與風(fēng)險。

2、針對此，本發(fā)明提出了一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法。該方法利用多層內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)形成吸能結(jié)構(gòu)，錨索吸能結(jié)構(gòu)通過鉆孔擴(kuò)孔嵌入圍巖內(nèi)部，增強(qiáng)吸能效果，并且施工工藝簡單，保障深部煤礦安全開采。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要提供了一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法。該吸能結(jié)構(gòu)與巷道圍巖協(xié)同發(fā)生大變形且支護(hù)結(jié)構(gòu)不失效，克服了傳統(tǒng)支護(hù)方法在能量吸收和適應(yīng)圍巖復(fù)雜變形方面的不足，吸能結(jié)構(gòu)緩慢發(fā)生大變形，避免能量突然釋放造成沖擊地壓事故，并且結(jié)構(gòu)在吸能過程中支護(hù)阻力幾乎恒定不變，持續(xù)對巷道施加支護(hù)作用力，防止深部開采圍巖因大變形而失穩(wěn)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將采用如下的技術(shù)方案：

3、(1)負(fù)泊松比吸能托盤設(shè)計：錨桿用負(fù)泊松比吸能托盤由上、下托盤和中間的矩形分布負(fù)泊松比部分組成。上下托盤與負(fù)泊松比部分之間使用hr-735pvc粘金屬膠水粘結(jié)。錨索用負(fù)泊松比托盤設(shè)計上部與錨桿用托盤相似，由上托盤與矩形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)組成，在托盤中心軸與直徑為80mm～100mm，長度為500mm～1000mm，壁厚5mm的套筒組合，套筒內(nèi)部填充環(huán)形分布負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。負(fù)泊松比部分可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或pvc材料等，采用負(fù)泊松比效應(yīng)的胞元結(jié)構(gòu)內(nèi)凹蜂窩狀設(shè)計。內(nèi)凹蜂窩胞元形如正六邊形內(nèi)凹，內(nèi)凹部分兩臂之間角度為120°。矩負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)內(nèi)凹蜂窩胞元橫向或環(huán)繞中心軸鏈接成負(fù)泊松比單層結(jié)構(gòu)后，多個結(jié)構(gòu)單層堆疊構(gòu)成。該托盤參數(shù)可根據(jù)吸收能量需求設(shè)計。上托盤形狀為長方體與四棱臺的組合體。托盤尺寸方面，錨桿/索托盤一般采用正方形設(shè)計，錨索托盤邊長范圍為400mm～600mm，錨桿托盤邊長范圍為100mm～200mm，組合體的整體高度范圍為100mm～200mm，四棱臺的側(cè)面與底面夾角范圍為5°～10°。具體尺寸依據(jù)吸收能量需求、巖體結(jié)構(gòu)與受力特征確定。

4、(2)蜂窩胞元單元高度范圍為10mm～20mm，壁厚為1mm～3mm。托盤鋼板之間內(nèi)凹蜂窩胞元結(jié)構(gòu)堆疊層數(shù)一般為10～30層，圍繞托盤孔對稱堆疊4組。上下鋼板托盤采用q235鋼，厚度一般為10mm～20mm。此外，吸能托盤可開槽嵌入到圍巖內(nèi)部，在受采動壓力壓縮吸能過程中不會發(fā)生膨脹。

5、(3)計算所需托盤尺寸：根據(jù)巷道尺寸確定巷道錨桿/索數(shù)目n，假定除內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)外該系統(tǒng)各部分均為剛體，即負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)的變形與圍巖變形相當(dāng)，圍巖有變形量δs，則應(yīng)變能有u＝γhδs，所有吸能結(jié)構(gòu)可吸收能量為有4組蜂窩結(jié)構(gòu)，每層x個胞元,每組y層，每個胞元寬度為b，長度為l，則單個托盤的蜂窩結(jié)構(gòu)彈性模量為其中全部蜂窩結(jié)構(gòu)的體積為托盤體積不應(yīng)小于全部蜂窩結(jié)構(gòu)體積，故托盤尺寸應(yīng)大于

6、(4)鉆孔與托盤準(zhǔn)備：在設(shè)計位置使用專業(yè)鉆孔機(jī)鉆孔，鉆孔前根據(jù)巷道設(shè)計要求和地質(zhì)條件，精確確定鉆孔位置、角度和深度。在壁面預(yù)留與托盤匹配的立方體空間，以便托盤安裝并與圍巖緊密貼合。根據(jù)巷道圍巖允許的最大變形需求吸收能量，運(yùn)用上述計算方法設(shè)計托盤參數(shù)，包括尺寸、蜂窩胞元各項參數(shù)等。制作或選取合適托盤后，進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保滿足強(qiáng)度和吸能要求。

7、(5)錨桿/索安裝：安裝前確保巷道頂板和兩幫平整，按設(shè)計間距和角度打錨桿/索鉆孔，鉆孔完成后向孔內(nèi)噴射錨固劑。安裝錨桿/索，保證位置準(zhǔn)確、插入深度符合要求，接著安裝負(fù)泊松比吸能托盤，使其中心孔與錨桿/索對齊并緊密貼合巷道壁面。對于預(yù)應(yīng)力錨索，通過托盤中心孔放入鉆孔，一端連接張拉設(shè)備，另一端深入巖體。

8、(6)張拉與監(jiān)測：使用張拉機(jī)試張拉1到2次，安裝錨桿/索受力監(jiān)測裝置。錨桿采用扳手?jǐn)Q緊螺栓并施加一定預(yù)緊力，錨索采用張拉設(shè)備使各張拉位置緊密接觸，桿體保持平直，正式張拉完成后鎖定錨桿并施加預(yù)緊力，預(yù)緊力不能超過托盤恒阻變形階段阻力的70％-80％。若有預(yù)應(yīng)力損失，結(jié)合實際補(bǔ)償張拉。

9、(7)現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形及吸能托盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化：在圍巖中埋設(shè)應(yīng)力傳感器，對錨桿/索受力和巷道變形進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)圍巖變形監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整優(yōu)化托盤的尺寸、蜂窩胞元的壁厚、堆疊層數(shù)等。確保支護(hù)系統(tǒng)能夠有效控制圍巖大變形，保障巷道的長期穩(wěn)定。

10、本發(fā)明與其他技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

11、第一，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖協(xié)同變形：內(nèi)凹蜂窩吸能托盤能夠有效吸收巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面破壞時釋放的能量，防止巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面在達(dá)到破壞強(qiáng)度時產(chǎn)生冒頂、巖爆等現(xiàn)象。通過減小圍巖變形量，從而維持巷道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

12、第二，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計，可開槽嵌入圍巖內(nèi)部，增強(qiáng)吸能效果：嵌入圍巖內(nèi)部使得負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸面積增大，二者之間的摩擦力和相互作用力增強(qiáng)。當(dāng)有能量沖擊發(fā)生時，能量能夠更均勻地在結(jié)構(gòu)與圍巖之間傳遞和消散。

13、第三，吸能托盤參數(shù)可根據(jù)需求設(shè)計，在不改變支護(hù)密度的條件下吸收更多能量：本發(fā)明的吸能托盤參數(shù)可根據(jù)深部開采的具體條件和需求進(jìn)行定制化設(shè)計和優(yōu)化，在應(yīng)力集中程度高的區(qū)域，可通過增大托盤尺寸、增加蜂窩胞元層數(shù)或調(diào)整胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升托盤的能量吸收能力。相較于傳統(tǒng)支護(hù)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

14、第四，負(fù)泊松比托盤吸收能量，避免錨索斷裂彈射傷人：通過提高結(jié)構(gòu)的吸能能力和抗沖擊性能使錨索所受拉力得到有效控制，始終保持在安全范圍內(nèi)。避免因能量過大導(dǎo)致的錨索斷裂，減少巷道在受到?jīng)_擊地壓時人員因錨索斷裂引發(fā)的意外事故。第五，耐久性良好：負(fù)泊松比材料具有良好的耐久性和抗疲勞性能，能夠在長期的反復(fù)荷載作用下保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，有效延緩甚至避免疲勞裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，延長了支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

15、第六，負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支護(hù)互補(bǔ)增強(qiáng)支護(hù)效果：負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)噴射混凝土支護(hù)協(xié)同作用，前者吸收能量，后者提供剛性支撐，通過二者之間的協(xié)同作用將能量在更大范圍內(nèi)分散和傳遞，提高傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的災(zāi)害防御能力，減少巷道變形和破壞導(dǎo)致的開采中斷與安全事故，提升開采效率和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其核心是錨桿/索托盤均采用負(fù)泊松比效應(yīng)的胞元設(shè)計，錨索外端部設(shè)計了嵌入圍巖的負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)，該吸能結(jié)構(gòu)與巷道圍巖協(xié)同發(fā)生大變形且支護(hù)結(jié)構(gòu)不失效，克服了傳統(tǒng)支護(hù)方法在能量吸收和適應(yīng)圍巖復(fù)雜變形方面的不足，吸能結(jié)構(gòu)緩慢發(fā)生大變形，避免能量突然釋放造成沖擊地壓事故，并且結(jié)構(gòu)在吸能過程中支護(hù)阻力幾乎恒定不變，持續(xù)對巷道施加支護(hù)作用力，防止深部開采圍巖因大變形而失穩(wěn)，并且施工工藝簡單，保障了深部煤礦安全開采。該系統(tǒng)包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于托盤是長方體與四棱臺的組合體，底面形狀一般為正方形，錨索托盤邊長范圍為400mm～600mm，錨索吸能結(jié)構(gòu)直徑80mm～100mm，長度500mm～1000mm，壁厚5mm，錨桿托盤邊長范圍為100mm～200mm，四棱臺側(cè)面與底面夾角為5°～10°具體尺寸應(yīng)根據(jù)吸收能量需求設(shè)計。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于吸能托盤結(jié)構(gòu)由多個內(nèi)凹蜂窩胞元組成，材料根據(jù)吸能需求選取，可以選取金屬材料或pvc材料等，每個蜂窩胞元高度范圍為10mm～20mm，壁厚為1mm～3mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于吸能托盤結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹蜂窩胞元兩臂之間角度為120°，托盤鋼板之間內(nèi)凹蜂窩胞元結(jié)構(gòu)層數(shù)根據(jù)吸能需求設(shè)計，一般采用10～30層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于其吸能托盤結(jié)構(gòu)的上下鋼板采用q235鋼，厚度一般為10mm～20mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于錨桿/索施加預(yù)緊力均不能超過托盤恒阻變形階段的阻力的70％～80％。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法，其特征在于其吸能托盤可開槽嵌入到圍巖內(nèi)部，在托盤受采動壓力壓縮吸能過程中不會發(fā)生膨脹，保障了支護(hù)系統(tǒng)允許圍巖發(fā)生大變形而不失穩(wěn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于煤礦深部開采巷道圍巖大變形控制領(lǐng)域，發(fā)明了一種煤礦開采圍巖大變形負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與方法。其核心特征是錨桿/索托盤均采用負(fù)泊松比效應(yīng)的胞元設(shè)計，錨索外端部設(shè)計了負(fù)泊松比吸能結(jié)構(gòu)，錨桿/索吸能托盤和錨索端部吸能結(jié)構(gòu)的參數(shù)可根據(jù)允許圍巖變形釋放的能量需求設(shè)計，支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖協(xié)同發(fā)生大變形且支護(hù)結(jié)構(gòu)不失效，吸能結(jié)構(gòu)緩慢發(fā)生大變形，避免能量突然釋放造成沖擊地壓事故，并且結(jié)構(gòu)在吸能過程中支護(hù)阻力幾乎恒定不變，持續(xù)對巷道施加支護(hù)作用力，防止深部開采圍巖因大變形而失穩(wěn)，錨索吸能結(jié)構(gòu)通過鉆孔擴(kuò)孔嵌入圍巖內(nèi)部，增強(qiáng)吸能效果，并且施工工藝簡單，保障了深部煤礦安全開采。

技術(shù)研發(fā)人員：孫運(yùn)江,龐志軒,李道涵,左建平,郭曉菲,汪嘉楠,靳思維
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15