梯度围岩结构应力波透射模型与传播衰减规律

锚杆支护与钻孔卸压等方式改变巷道围岩介质属性,形成具有三介质两结构面的巷道梯度围岩结构,增加对应力波的吸收与衰减能力,防止巷道冲击破坏。为揭示巷道梯度围岩结构中应力波传播衰减规律,建立了梯度围岩结构应力波透射模型,从弹性波在介质交界面处的波场分解和能量分配角度出发,分析了卸压带密度以及应力波入射角度对能量系数的影响,发现梯度围岩卸压带的密度和入射角对各折反射波的能量系数具有显著影响,揭示了梯度围岩结构的吸能防冲力学机理。基于不同梯度围岩结构模型的数值计算,综合应力波的波幅衰减系数、波阻抗匹配系数、能量吸收占比、能量衰减系数等参量,对比分析巷道梯度围岩结构对应力波传播衰减的影响规律。研究结果表明:梯度围岩结构卸压带宽度增加,应力波振动频率降低,波幅衰减系数随之增加,能量衰减系数呈上升趋势,提高了梯度围岩结构的缓冲与隔震性能,增强了巷道的防冲能力;卸压带宽度较小时,会引起应力波在梯度结构中的复杂叠加,使得应力波在局部区域幅值激增,合理的卸压带宽度能够避免应力波在三介质两结构面结构中的复杂叠加。卸压带内钻孔间排距减小,梯度围岩结构卸压带中介质的弹性模量与密度下降,能量吸收占比增加,提高了对应力波的吸波性能。梯度围岩结构中“三带”的波阻抗匹配系数越大,能量衰减系数越大,即“三带”的介质性质差异越大,梯度围岩对于应力波的吸收衰减效果越好,通过调控卸压钻孔的深度与间排距改变卸压带的尺寸和物理力学性能,可有效提高梯度围岩结构的吸波、缓冲、隔震性能。结合工程实例分析证实了梯度围岩结构可有效吸收冲击地压产生的应力波能量,避免冲击地压灾害发生。

煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法

针对冲击危险巷道防冲吸能支护缺乏量化设计方法这一难题,从冲击地压巷道围岩的静-动力学环境与结构特征两方面,开展防冲吸能支护强度计算方法研究。结果表明:由于支护与卸压双重作用,巷道周围形成了以巷内支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多层圆环结构,各层圆环内的围岩材料性能在巷道围岩径向方向形成典型的梯度结构特征。基于拟静态法,将远场冲击动载荷与围岩静载荷叠加,通过简化锚固层内锚杆(索)支护作用,弱化卸压层内煤岩力学参数,建立了冲击地压巷道围岩梯度结构力学模型。利用梯度结构内多层圆环接触面上的应力计算方法,进行了梯度结构围岩内多层圆环接触面间的受力分析,验证了弱化卸压层内的煤岩力学性能、增加卸压层的结构尺寸、提高锚固层的支护强度,可减小冲击载荷对巷内支护层的作用,提高巷内支护层的抗冲击能力。引入冲击破坏等级系数,建立了吸能防冲支护强度与冲击地压等级间的关系,给出了冲击危险巷道三级吸能防冲支护的强度计算方法,实现了冲击危险巷道吸能防冲支护参数的量化设计。结合某矿具体工程实践,核算了该矿所采用的“锚杆(索)+可缩性36U棚支架+液压抬棚和吸能液压支架”三级吸能防冲支参数最大能够抵抗等级为2级(相当于震源距离巷道100 m,释放108 J能量)的冲击地压。