一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，属于巷道围岩控制技术领域，包括：根据巷道高度、支护和施工要求，设计最大允许底臌量；根据底臌量与水平力之间的关系，确定最大允许底臌量所对应的底板最大允许水平应力；确定目标水平力的大小，从水平力的产生与传递两个方面，确定底臌控制措施并设计施工参数。本发明专利技术通过以最大允许底臌量为落脚点，根据巷道底臌与底板水平力之间的关系，得到最大允许底臌量所对应的最大允许水平力，进而从水平力的产生和传递两个方面提出相应的控制措施，达到有效控制巷道底臌的目的。达到有效控制巷道底臌的目的。达到有效控制巷道底臌的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，属于巷道围岩控制


技术介绍

[0002]随着我国浅部煤炭资源日益减少，国内大多数煤矿相继进入深部开采，巷道埋深逐渐增加，地质条件日趋复杂，深部巷道围岩稳定性成为现今亟需解决的关键性问题。特别是在深部软岩破碎巷道中，底板水平应力较大，巷道大变形现象非常严重，巷道维护十分困难。底臌是在深部煤矿巷道中受底板水平力影响的一种常见的一种破坏形式，而且占据巷道变形量的主要部分，严重影响矿井安全生产。目前公认的有效控制底鼓的方法大致分为两类：一类是防止，即采取措施将底鼓量减少到允许的范围内；二是清除底鼓，将巷道已发生底鼓的部分岩石清除，恢复巷道断面积。
[0003]现有技术中，中国专利文献CN2016108944617公开了一种用于治理巷道底臌的钢混反拱与锚杆的组合结构及该组合结构的施工方法，该方法通过在工字钢梁两端穿设锚杆并与巷道底板围岩固连形成钢拱结构，最后浇筑混凝土形成钢混反拱与锚杆的组合结构，实现对底臌的控制目的。但在形成钢拱结构的过程中，施工工艺较为繁琐，工字钢梁需要与底板弧形走势大致相当，材料加工存在一定的困难。同时钢混反拱与锚杆的组合结构仅对底板岩层的移动起到了限制作用，没有从力源的角度对底臌问题进行考虑，且施工参数设计无具体的依据，无法实现对底臌的有效控制。
[0004]中国专利文献CN108194097A公开了一种防治巷道底臌的凸型吸能承载结构，该结构能够有效释放和转移两帮传递的高垂直应力和深部底板高水平应力，从根本上切断了底臌变形的发生“力源”，实现了对底臌的控制。但该方法需要对巷道底板进行大范围开挖，施工工程量较大，施工工艺复杂，同时未给出凸型吸能承载结构的具体设计参数，底板锚杆、帮锚杆的施工参数选取无依据，不能针对巷道底臌问题起到良好有效的控制效果。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，通过以最大允许底臌量为落脚点，根据巷道底臌与底板水平力之间的关系，得到最大允许底臌量所对应的最大允许水平力，进而从水平力的产生和传递两个方面提出相应的控制措施，达到有效控制巷道底臌的目的。
[0006]术语解释：
[0007]塑性区：是指在巷道开挖后，在巷道帮部上，距离巷道一定范围内的煤体呈现塑性破坏，这一范围或区域被称为塑性区。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，包括：
[0010]步骤1、根据巷道高度、支护和施工等方面的要求，设计最大允许底臌量w
max
；
[0011]最大允许底臌量w
max
的确定过程为现有技术，可参考现有技术设计。
[0012]步骤2、根据底臌量与水平力之间的关系，确定最大允许底臌量所对应的底板最大允许水平应力；
[0013]步骤3、确定目标水平力的大小，从水平力的产生与传递两个方面，确定底臌控制措施并设计施工参数。
[0014]优选的，所述步骤2具体为：
[0015]巷道底板岩梁受到底板水平力P的挤压作用发生弯曲变形，在底板水平力P的作用下，底板岩梁(底板岩梁在未发生弯曲变形时，认为是水平的，也可称为水平梁)弯曲变形方程为式(Ⅰ)：
[0016][0017]式中：w为底臌量，m；x为巷道底板岩梁距巷道左帮部的水平距离，m；E为底板岩梁弹性模量，GPa；I为底板岩梁横截面惯性矩，m4；
[0018]根据材料力学可知，巷道底板岩梁弯矩方程为式(Ⅱ)
[0019]M(x)＝
‑
Phω
ꢀꢀꢀ
(Ⅱ)
[0020]式中：P为底板水平力，N；h为底板岩梁厚度，m；
[0021]联立式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可知，当巷道底板达到最大允许底臌量时，底板最大允许水平应力P
max
为：
[0022][0023]式中：C为待定系数，可根据梁的弹性曲面微分方程求解，待入边界条件后获得。
[0024]优选的，所述步骤3包括：
[0025]步骤3.1、根据现场实际地质情况，确定控制目标，目标水平力P1应满足：P1≤P
max
；
[0026]步骤3.2、从水平力的产生与传递两个方面底臌控制措施，包括设置大直径卸压钻孔和钢管斜桩。
[0027]优选的，大直径卸压钻孔的设计步骤如下：
[0028](1)确定目标垂直应力：
[0029]根据目标水平力的大小，得到目标垂直应力的大小σ
′
，其中σ
′
＝P1(1
‑
μ)/μ，μ为泊松比；
[0030](2)确定施工方式及设计参数：
[0031]在巷道帮部采用单排水平布置的方式，利用钻机施工大直径卸压钻孔，大直径卸压钻孔的钻孔方向与巷道走向方向垂直相交；
[0032]大直径卸压钻孔施工后，巷道帮部煤体塑性区范围扩大，煤体应力重新分布，根据弹塑性理论可知，在卸压钻孔轴向方向上，弹性区内煤体的径向应力(径向应力是指在钻孔轴向方向上作用于钻孔中心的力)为巷帮煤体在钻孔上方的卸载应力，即钻孔弹性区内煤体的径向应力与目标垂直应力(目标垂直应力是指作用在巷道帮部上的力，沿y轴方向垂直向下)大小相等，由此得到巷帮煤体在垂直方向上与钻孔中心的距离和目标水平力的关系为：
[0033][0034]式中，σ为钻孔在轴向方向煤体上方卸压前的侧向支承压力，MPa(可通过钻孔应力计获得)；r为在巷道帮部煤体的垂直方向上帮部煤体到钻孔中心的距离，m(只需要知道巷道帮部煤体的高度，即可得到该距离)；μ为泊松比；R为钻孔塑性区半径，其中，r0为钻孔半径，m，σ
c
为煤的单轴抗压强度，MPa，ξ为塑性系数；σ
rR
为钻孔弹塑性交界处径向应力，MPa(已知，可通过现有的理论公式计算得到)；
[0035]如图3所示，x轴为巷道走向，y轴为巷道垂直方向，z轴为巷道帮部的钻孔方向，即与巷道走向方向垂直相交；
[0036]由式(Ⅳ)，未知数为R，通过式(Ⅳ)计算得出R，从而得到钻孔半径r0，即当目标水平力P1确定后，能够得到钻孔半径r0的取值，同时根据钻孔塑性半径的概念，得知钻孔间距S＝2R，大直径卸压钻孔深度L超过支承压力峰值位置，一般取1～3的安全系数，即L＝(1～3)M，M为超前支承压力峰值与煤帮的距离，m；M的值可通过在钻孔内部安装钻孔应力计，对巷道侧向超前支承压力进行实时监测取值；
[0037]本专利技术中，钻孔间距为一排钻孔中相邻两钻孔中心之间的距离，巷道帮部采用单排水平布置的方式，钻孔布置在巷道帮部中间位置即可，只需要在巷道帮部打设钻孔，另一侧为巷旁支护体或小煤柱，不需要设置卸压钻孔。
[0038]优选的，钢管斜桩的设计步骤如下：
[0039](1)钢管斜桩的制作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，包括：步骤1、根据巷道高度、支护和施工要求，设计最大允许底臌量w
max
；步骤2、根据底臌量与水平力之间的关系，确定最大允许底臌量所对应的底板最大允许水平应力；步骤3、确定目标水平力的大小，从水平力的产生与传递两个方面，确定底臌控制措施并设计施工参数。2.根据权利要求1所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：巷道底板岩梁受到底板水平力P的挤压作用发生弯曲变形，在底板水平力P的作用下，底板岩梁弯曲变形方程为式(Ⅰ)：式中：w为底臌量，m；x为巷道底板岩梁距巷道左帮部的水平距离，m；E为底板岩梁弹性模量，GPa；I为底板岩梁横截面惯性矩，m4；根据材料力学可知，巷道底板岩梁弯矩方程为式(Ⅱ)M(x)＝
‑
Phω
ꢀꢀꢀ
(Ⅱ)式中：P为底板水平力，N；h为底板岩梁厚度，m；联立式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可知，当巷道底板达到最大允许底臌量时，底板最大允许水平应力P
max
为：式中：C为待定系数，由边界条件获得。3.根据权利要求1所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1、根据现场实际地质情况，确定控制目标，目标水平力P1应满足：P1≤P
max
；步骤3.2、从水平力的产生与传递两个方面底臌控制措施，包括设置大直径卸压钻孔和钢管斜桩。4.根据权利要求3所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，大直径卸压钻孔的设计步骤如下：(1)确定目标垂直应力：根据目标水平力的大小，得到目标垂直应力的大小σ
′
，其中σ
′
＝P1(1
‑
μ)/μ，μ为泊松比；(2)确定施工方式及设计参数：在巷道帮部采用单排水平布置的方式，利用钻机施工大直径卸压钻孔，大直径卸压钻孔的钻孔方向与巷道走向方向垂直相交；大直径卸压钻孔施工后，巷道帮部煤体塑性区范围扩大，煤体应力重新分布，根据弹塑性理论可知，在卸压钻孔轴向方向上，弹性区内煤体的径向应力为巷帮煤体在钻孔上方的卸载应力，即钻孔弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学生，李学斌，谭云亮，解成成，李国庆，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：