本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别是一种冲击地压巷道超前支护防冲方法。
背景技术：
煤矿灾害因其致灾因素隐蔽性，时常出现煤矿灾害导致人员伤亡的情况，严重制约了全国煤矿百万吨死亡率的控制。近年来，冲击地压灾害导致的人员伤亡比例跃居煤矿事故中人员伤亡中的首位。冲击地压作为一种多因素耦合动力灾害，其孕育过程非常隐蔽，并且冲击启动、能量传递以及显现在短短几秒钟之内完成，具有突发性、复杂性、破坏性等特征，并可引发多种类、多数量次生灾害，导致人员伤亡、设备损坏、巷道破坏等，严重威胁了煤矿工人的身心健康，严重影响了矿井的安全高效生产，甚至是社会的和谐稳定。
当前阶段，对冲击地压致灾机理以及针对防治等有了科学的认识，但仍然存在以下问题：工作面临空巷道超前段依据其危险程度应当禁止人员出入，但是目前超前段补强支护方式为单体支柱或液压支架支护，设备的管理仍需要人员的维护，难以实施严格的人员限制进入管理措施，因此使得维护人员不得已继续暴露在危险之中，造成超前支护范围人员频繁遭受冲击地压致死致伤。
技术实现要素：
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的冲击地压巷道超前支护防冲方法，能够采用超前支护支柱对工作面超前巷道进行超前支护，支护后的超前支护支柱无需工作人员维护和管理，减少了维护修理工作量，保证了对冲击危险区域的人员严格管理，显著提高了冲击地压防治管理的有效性，还满足了防冲要求。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种冲击地压巷道超前支护防冲方法，包括：
采集工作面超前巷道的应力数据，依据所述应力数据分析所述工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值；
基于所述支承压力峰值确定超前支护支柱的支护强度，依据所述支护强度确定所述超前支护支柱的支柱规格；
在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱。
可选地，在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱之后，还包括：
在工作面推采至所述工作面超前巷道后，通过采煤机自截割工作面超前巷道端头的超前支护支柱。
可选地，采集工作面超前巷道的应力数据，包括：
在工作面超前巷道两侧的煤柱帮和回采帮上分别布置多台钻孔应力计；
通过多个所述钻孔应力计分别采集工作面超前巷道的应力数据。
可选地，依据所述应力数据分析所述工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值，包括：
将采集到的应力数据大于原岩应力的工作面超前巷道范围确定为支承压力范围；
选取应力数据中的最大值作为支承压力峰值。
可选地，依据所述支护强度确定所述超前支护支柱的支柱规格，包括：
依据所述支护强度选择支柱材料及所述支柱材料中的各组分配比；
依据所述支护强度和选择的支柱材料确定所述超前支护支柱的支柱半径。
可选地，在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱，包括：
确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局；
在待设置超前支护支柱的位置上设置符合所述支柱规格的超前支护支柱。
可选地，确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局，包括：
基于所述工作面超前巷道的巷道宽度确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置间距和排距。
可选地，在待设置超前支护支柱的位置上设置符合所述支柱规格的超前支护支柱，包括：
选取与所述支柱半径相应半径的约束套管；
在待设置超前支护支柱的位置对应的巷道顶板上挂接所述约束套管，且所述约束套管面向巷道底板的一端接触所述巷道底板；
向所述约束套管内注入所述支柱材料，使所述支柱材料与所述巷道顶板相接，由所述约束套管对所述支柱材料约束成型得到符合所述支柱规格的超前支护支柱。
可选地，向所述约束套管内注入所述支柱材料，包括：
将与支柱半径相应半径的柔模套筒挂接于所述巷道顶板，且设置于所述约束套管内侧；
向所述约束套管内的柔模套筒中注入所述支柱材料。
可选地，所述约束套管包括波纹套管。
本发明实施例通过分析工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值，以基于支承压力峰值确定超前支护支柱的支护强度，并依据支护强度确定超前支护支柱的支柱规格，从而在支承压力范围内设置符合支柱规格的超前支护支柱。由此，本发明实施例采用超前支护支柱对工作面超前巷道进行超前支护，支护后的超前支护支柱无需工作人员维护和管理，减少了维护修理工作量。由于工作面超前巷道属于强冲击危险区域，因此，采用超前支护支柱进行支护，保证了对冲击危险区域的人员严格管理，显著提高了冲击地压防治管理的有效性，还满足了防冲要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的冲击地压巷道超前支护防冲方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的设置有超前支护支柱的工作面超前巷道的结构示意图；
图3示出了根据图2所示的设置有超前支护支柱的工作面超前巷道的剖视图；
图4示出了根据本发明一实施例的工作面超前巷道中超前支护支柱的结构示意图；
附图2-4中，工作面超前巷道1；超前支护支柱2；锚杆3；锚索4；约束套管5；巷道顶板6；巷道底板7；注料口8；找平卧底9；巷道中心线10。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种冲击地压巷道超前支护防冲方法。图1示出了根据本发明一实施例的冲击地压巷道超前支护防冲方法的流程示意图。参见图1，该方法包括步骤s102至步骤s106。
步骤s102，采集工作面超前巷道的应力数据，依据应力数据分析工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值。
在本发明实施例中，工作面超前巷道是指超前于采煤工作面一定距离的回采巷道。对于冲击地压巷道而言，工作面临空回风巷道超前区域为冲击危险性较强的区域，因此，本发明实施例的工作面超前巷道可以是工作面临空回风巷道超前区域。
步骤s104，基于支承压力峰值确定超前支护支柱的支护强度，依据支护强度确定超前支护支柱的支柱规格。
步骤s106，在支承压力范围内设置符合支柱规格的超前支护支柱。
本发明实施例采用超前支护支柱对工作面超前巷道进行超前支护，支护后的超前支护支柱无需工作人员维护和管理，减少了维护修理工作量。由于工作面超前巷道属于强冲击危险区域，因此，采用超前支护支柱进行支护，保证了对冲击危险区域的人员严格管理，显著提高了冲击地压防治管理的有效性，还满足了防冲要求。
在本发明一实施例中，在支承压力范围内设置符合支柱规格的超前支护支柱之后，当工作面推采至所述工作面超前巷道后，可以通过采煤机自截割工作面超前巷道端头的超前支护支柱。
在本发明实施例中，工作面推采过程中可以采用采煤机及时对工作面超前巷道端头的超前支护支柱进行截割，以卸除高强度超前支护支柱对巷道顶板的支撑作用，截割破碎后的支柱部分可直接由刮板输送机运出，遗留部分可作为巷道采空区自然充填材料，以保证工作面遗留巷道后方顶板稳步垮落，实现工作面临空巷道超前支护无人管理。另外，利用采煤机截割超前支护支柱时不会产生火花，保证了推采过程的安全。
参见上文步骤s102，在本发明一实施例中，可以采用钻孔应力计来采集工作面超前巷道的应力数据。具体的，在工作面超前巷道两侧的煤柱帮和回采帮上分别布置多台钻孔应力计，从而通过多个钻孔应力计分别采集工作面超前巷道的应力数据。
例如，在切眼以外超前220m范围的临空回风巷道内安装多台钻孔应力计。利用钻孔应力计采集临空回风巷道的应力数据，可以根据采集到的应力数据分析临空回风巷道的支承压力分布规律，从而为临空回风巷道的支承压力影响范围和支承压力的峰值的确定提供依据。该实施例可以设置12组监测站，每组的组间距20m，共安装24台钻孔应力计，每组监测站包含2台钻孔应力计，一台布置于煤柱帮，另一台布置于回采帮。由此，煤柱帮布置12台孔应力计，回采帮布置12台孔应力计。每台钻孔应力计的安装深度可以在7～15m的范围内，安装孔径可以在45～48mm的范围内，钻孔应力计可实现煤层应力24小时的在线传输。本发明实施例对钻孔应力计的布局不作具体的限定。
继续参见上文步骤s102，在本发明一实施例中，在依据应力数据分析工作面超前巷道的支承压力范围时，可以将采集到的应力数据大于原岩应力的工作面超前巷道范围确定为支承压力范围。在依据应力数据分析工作面超前巷道的支承压力峰值时，可以选取应力数据中的最大值作为支承压力峰值。
结合上文实施例，若采用多台钻孔应力计采集工作面超前巷道的应力数据，那么可以从多台钻孔应力计采集的工作面超前巷道的应力数据中选取大于原岩应力的应力数据，将大于原岩应力的应力数据对应的钻孔应力计所在范围确定为支承压力范围。并且，可以从多台钻孔应力计采集的工作面超前巷道的应力数据中选取最大值作为支承压力峰值。
参见上文步骤s104，在本发明一实施例中，基于支承压力峰值确定超前支护支柱的支护强度时，除了考虑支承压力峰值，还可以考虑煤层倾角、顶板自重应力、顶板岩层容重等因素综合确定超前支护支柱的支护强度，本发明实施例对此不作具体限定。
在本发明一实施例中，超前支护支柱的支柱规格可以包含支柱选用的支柱材料、材料中的各组分配比、支柱半径等。因此，在依据支护强度确定超前支护支柱的支柱规格时，可以依据支护强度选择支柱材料及支柱材料中的各组分配比，并依据支护强度和选择的支柱材料确定超前支护支柱的支柱半径。
该实施例中，在确定超前支护支柱的支柱规格时，应保证超前支护支柱的实际承载强度略大于确定出的超前支护支柱的支护强度，通过留有一定的富余系数来保证超前支护支柱安全有效的支撑。
在本发明实施例中，支柱材料可以选用速凝材料，例如zkd高水材料，zkd高水材料属于速凝材料的一种，是高水灰比、可泵的新型无机水硬性凝结材料。通常由a组分和b组分组成，a组分包含铝盐酸或硫铝酸盐水泥烧结料、悬浮剂、缓凝剂和分散剂，b组分包含石膏、石灰复合速凝、早强剂和悬浮分散剂，本发明实施例可以依据支护强度确定高水材料中的各组分配比。
参见上文步骤s106，在本发明一实施例中，在支承压力范围内设置符合支柱规格的超前支护支柱的过程可以包含步骤a1和步骤a2。
步骤a1，确定支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局。
在本发明实施例中，为保证工作面超前巷道内的良好通风，在确定支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局时，需要考虑工作面超前巷道的宽度，以基于工作面超前巷道的巷道宽度确定支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置间距和排距。对于宽度较窄的工作面超前巷道，可以在工作面超前巷道的宽度方向上少布局几排超前支护支柱，如布局两排超前支护支柱。对于宽度较宽的工作面超前巷道，可以在工作面超前巷道的宽度方向上多布局几排超前支护支柱，如布局三排超前支护支柱。对于超前支护支柱的间距布局，可以根据工作面超前巷道的应力布局来确定，本发明实施例对支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局不作具体的限定。
例如，参见图2和图3，该实施例中，工作面超前巷道1的净宽为5000mm，净高3800mm，在工作面超前巷道1中布局两排超前支护支柱2，超前支护支柱2的支柱直径为600mm，高度为3800mm，且超前支护支柱2的间距为1.6m。并且，两排超前支护支柱2还可以相对于工作面超前巷道1的巷道中心线10对称。
本发明实施例中，为了对工作面超前巷道1的表面进行加护，工作面超前巷道1中还预先设置有锚杆3和锚索4，该实施例中，锚杆3的间排距为0.85*0.8m，尺寸为φ22-2400，即锚杆3直径为22mm，长度为2400mm。锚索4的间排距为1.2*1.6m，尺寸为φ21.8-7500，即锚索4直径为21.8mm，长度为7500mm。
步骤a2，在待设置超前支护支柱的位置上设置符合支柱规格的超前支护支柱。
结合图4所示，在该实施例中，可以通过在约束套管5中注入支柱材料的方式设置符合支柱规格的超前支护支柱2。
首先，选取与支柱半径相应半径的约束套管5。
本发明实施例中，约束套管5的半径可以略大于支柱半径，以保证后续注入支柱材料至约束套管5后，由约束套管5将支柱材料约束成型得到符合支柱半径的超前支护支柱2。约束套管5可以包括波纹套管，例如钢带波纹套管。当然，还可以采用其他类型的约束套管5，本发明实施例对此不作具体的限定。
然后，在待设置超前支护支柱2的位置对应的巷道顶板6上挂接约束套管5，且约束套管5面向巷道底板7的一端接触巷道底板7。
本发明实施例通过将约束套管5挂接于巷道顶板6，可以确保后续成型的超前支护支柱2充分接顶以及保证超前支护支柱2的垂直度，超前支护支柱2即使在受到偏载冲击力的作用下也不容易发生倾倒，采煤机截割超前支护支柱2时更加安全。
进而，向约束套管5内注入支柱材料，使支柱材料与巷道顶板6相接，由约束套管5对支柱材料约束成型得到符合支柱规格的超前支护支柱2。
本发明实施例中，还可以在约束套管5上设置注料口8，利用注浆泵站从井下注浆点中经注料口8向约束套管5内注入支柱材料，使支柱材料中各组分的材料在约束套管5的约束力下相互作用，通过给支柱材料施加围压可提高支柱材料的强度和可塑性，并确保成型良好。并且，需要保证支柱材料与工作面超前巷道顶板6相接，以使支柱材料形成超前支护支柱2后对工作面超前巷道顶板6形成支撑。
在本发明一可选实施例中，还可以将与支柱半径相应半径的柔模套筒(图中未示出)挂接于巷道顶板6，且柔模套筒设置于约束套管5内侧。注料口8与柔模套筒的筒内接通，利用注浆泵站从井下注浆点中经注料口8向柔模套筒中注入支柱材料，约束套管5在柔模套筒外侧对支柱材料约束成型。
在本发明一可选实施例中，为了保证超前支护支柱2在巷道底板7上更为牢固，还可以在待设置超前支护支柱2的位置对于的巷道底板7上设置找平卧底9，从而在向柔模套筒中注入支柱材料时，支柱材料一部分进入找平卧底9，保证了超前支护支柱2的底部更加平稳，超前支护支柱2更加牢固。
实现前述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件(诸如个人计算机，服务器，或者网络设备等的计算设备)来完成，所述程序指令可以存储于一计算机可读取存储介质中，当所述程序指令被计算设备的处理器执行时，所述计算设备执行本发明各实施例所述方法的全部或部分步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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脱离本发明的保护范围。
1.冲击地压巷道超前支护防冲方法，其特征在于，包括：
采集工作面超前巷道的应力数据，依据所述应力数据分析所述工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值；
基于所述支承压力峰值确定超前支护支柱的支护强度，依据所述支护强度确定所述超前支护支柱的支柱规格；
在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱之后，还包括：
在工作面推采至所述工作面超前巷道后，通过采煤机自截割工作面超前巷道端头的超前支护支柱。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采集工作面超前巷道的应力数据，包括：
在工作面超前巷道两侧的煤柱帮和回采帮上分别布置多台钻孔应力计；
通过多个所述钻孔应力计分别采集工作面超前巷道的应力数据。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依据所述应力数据分析所述工作面超前巷道的支承压力范围及支承压力峰值，包括：
将采集到的应力数据大于原岩应力的工作面超前巷道范围确定为支承压力范围；
选取应力数据中的最大值作为支承压力峰值。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依据所述支护强度确定所述超前支护支柱的支柱规格，包括：
依据所述支护强度选择支柱材料及所述支柱材料中的各组分配比；
依据所述支护强度和选择的支柱材料确定所述超前支护支柱的支柱半径。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述支承压力范围内设置符合所述支柱规格的超前支护支柱，包括：
确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局；
在待设置超前支护支柱的位置上设置符合所述支柱规格的超前支护支柱。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置布局，包括：
基于所述工作面超前巷道的巷道宽度确定所述支承压力范围内待设置超前支护支柱的位置间距和排距。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在待设置超前支护支柱的位置上设置符合所述支柱规格的超前支护支柱，包括：
选取与所述支柱半径相应半径的约束套管；
在待设置超前支护支柱的位置对应的巷道顶板上挂接所述约束套管，且所述约束套管面向巷道底板的一端接触所述巷道底板；
向所述约束套管内注入所述支柱材料，使所述支柱材料与所述巷道顶板相接，由所述约束套管对所述支柱材料约束成型得到符合所述支柱规格的超前支护支柱。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，向所述约束套管内注入所述支柱材料，包括：
将与支柱半径相应半径的柔模套筒挂接于所述巷道顶板，且设置于所述约束套管内侧；
向所述约束套管内的柔模套筒中注入所述支柱材料。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述约束套管包括波纹套管。
技术总结