一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法
【專利說明】一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及了一種確定破碎巷道支護(hù)長度的方法，尤其涉及一種確定臨近陷落柱 破碎巷道支護(hù)長度的方法，屬于采礦工程安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 陷落柱是中國華北地區(qū)獨(dú)有的一種地質(zhì)現(xiàn)象。在陷落柱發(fā)育的地區(qū)，它一直是影 響煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的主要因素之一，陷落柱對(duì)開采的嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在：破壞了可采煤 層，由于陷落區(qū)的煤層遭到破壞而失去可采價(jià)值，使井田內(nèi)的儲(chǔ)量大大減少。造成縮短礦井 服務(wù)年限和巷道提前報(bào)廢的嚴(yán)重后果，并且陷落區(qū)導(dǎo)致采掘率大幅度減低，提高了生產(chǎn)成 本，同時(shí)也增加了巷道的維護(hù)費(fèi)用，最嚴(yán)重的是導(dǎo)水陷落柱的危害巨大。
[0003] 但是，在煤礦生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)及安全的需要，不可避免的會(huì)產(chǎn)生臨近陷落柱或穿 越陷落柱開完的巷道。對(duì)于臨近陷落柱開挖巷道，一般采取增加臨近開挖段巷道錨桿錨索 的數(shù)量、長度，增加剛性支護(hù)等加固措施。然而支護(hù)長度過短，會(huì)導(dǎo)致巷道變形超標(biāo)，支護(hù)長 度過長，又會(huì)產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此分析臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度顯得尤為重 要。
[0004] 所以，有必要研究一種能夠分析確定臨近陷落柱施工巷道施工段的支護(hù)長度的方 法技術(shù)。要分析這些問題，就必須建立陷落柱形成的力學(xué)模型，判定其形成的條件，建立陷 落柱導(dǎo)水的力學(xué)模型，分析受陷落柱影響區(qū)域的大小。本發(fā)明以此機(jī)理為指導(dǎo)研究確定臨 近陷落柱施工巷道施工段的支護(hù)長度。根據(jù)此方法技術(shù)可以大幅度提高工作進(jìn)度，減少耗 材和工程成本，增加了臨近陷落柱破碎巷道的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了研究采礦安全工程領(lǐng)域臨近陷落柱破碎巷道，所提供的一種 全面確定臨近陷落柱破碎巷道施工段的支護(hù)長度的方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法，其特征 在于：在測(cè)定陷落柱周圍圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)后，根據(jù)初始應(yīng)力、陷落半徑（可取其長軸距 離的一半）、計(jì)算平面至柱頂距離等參數(shù)，精確的計(jì)算出陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的半徑，從 而可以正確估算出臨近陷落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度。
[0008] 所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法中，其中陷落柱的形成實(shí) 際上是一個(gè)溶蝕形成溶洞-溶洞頂板塌陷-柱頂產(chǎn)生空洞-柱頂空洞頂板塌陷的過程。
[0009] 所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法中，其中在溶蝕作用發(fā)生 形成溶洞后，溶洞頂板將會(huì)發(fā)生破壞，由于陷落柱平面多為原型或者橢圓形，所以將溶洞頂 板看做一個(gè)受到均布荷載的周邊固支的薄板。
[0010] 所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法中，其中為了分析陷落柱 周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的大小，取柱體中間某一水平截面。 toon] 所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法中，其中上述平面上，各 方向水平應(yīng)力相同，可看做受靜水壓力。
[0012] -種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)段長度的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于，第一，此方法較為 精確的確定了臨近陷落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度；第二，此方法通過確定加固段 長度直接有效的減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，大幅度提高工作進(jìn)度，減少耗材；第三，此方法 增加了臨近陷落柱破碎巷道的安全性；第四，此方法阻止巷道提前報(bào)廢和延長礦井服務(wù)年 限。
【附圖說明】
[0013] 圖1陷落柱形成示意圖
[0014] 圖2溶洞頂板破壞力學(xué)模型
[0015] 圖3陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶力學(xué)模型
[0016] 圖4陷落柱高度與分析平面埋深對(duì)塑性區(qū)半徑R的影響 圖5臨近陷落柱巷道加固段長度
[0017] 圖中：P.為柱體巖石的密度；H.為陷落柱的高度；r.為分析點(diǎn)至圓心的距離； z.為分析點(diǎn)至中面的距離；Ah.距離陷落柱頂?shù)木嚯x；r。.陷落柱半徑；R.陷落柱周邊裂隙 帶半徑；1.塑性區(qū)；2.彈性區(qū)；3.臨近陷落柱開挖巷道；4.加固段長度L ;5.陷落柱距巷道 距離D ;
【具體實(shí)施方式】
[0018] 1.陷落柱形成的力學(xué)模型
[0019] 在溶蝕作用發(fā)生形成溶洞后，溶洞頂板將會(huì)發(fā)生破壞如圖1所示，由于陷落柱平 面多為圓形或橢圓形，那么可以將溶洞頂板看做一個(gè)受到均布荷載P gH的周邊固支的薄 板如圖2所示，P為柱體巖石的密度，H為陷落柱的高度，得到圓形薄板的各主要應(yīng)力值 為：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 式中，〇 rr為徑向應(yīng)力；σ e e為切向應(yīng)力；τ rz為剪應(yīng)力；h為薄板厚度；d為薄板 直徑；r為分析點(diǎn)至圓心的距離；z為分析點(diǎn)至中面的距離；V為泊松比；2為彈性區(qū)；1為 塑性區(qū)
[0024] 從上式可以得出以下結(jié)論：
[0025] r越大則τ n越大，當(dāng)r = r。時(shí)，也就是薄板邊緣位置，剪應(yīng)力為最大值；
[0026] 當(dāng)r逐漸增大時(shí)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力σ ee，逐漸減小，由受壓轉(zhuǎn)為受拉，在 r = r。時(shí)，也就是薄板邊緣位置，拉應(yīng)力為最大時(shí)。
[0027] 故可以看出，無論是利用最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則還是利用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則分析薄板的破 壞，破壞都是從薄板的邊緣開始的。
[0028] 陷落柱大多存在于構(gòu)造應(yīng)力集中的區(qū)域，而這些區(qū)域正是節(jié)理較發(fā)育的區(qū)域，故 在分析溶洞頂板破壞時(shí)，必須考慮節(jié)理的影響，分析節(jié)理發(fā)育的圓形薄板可以用斷裂力學(xué) 的方法進(jìn)行分析。在圓形薄板最容易破壞的地方，也就是薄板的邊緣，沿圓周切線方向的裂 紋受到的徑向應(yīng)力最大，可以設(shè)該裂紋受到均勻的拉應(yīng)力σ "，裂紋的長度為2a，可以 算出該裂紋的能量釋放率
[0032] 當(dāng)巖石的能量釋放率大于臨界能量釋放率時(shí)，BP
[0029]
[0030]
[0031]
[0033] (1.5)
[0034] 此時(shí)裂紋開始擴(kuò)展，即溶洞的頂板開始破壞，可以看出溶洞頂板的直徑d越大、厚 度h越小，頂板邊緣裂紋越容易擴(kuò)展。
[0035] 2.陷落柱導(dǎo)水機(jī)理
[0036] 目前發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水陷落柱絕大部分為頂空型陷落柱，對(duì)于頂空型陷落柱，柱頂巖石 不向陷落柱傳遞重力，又由于陷落柱的形狀大部分呈橢圓形或圓形，故這里把頂空型陷落 柱看作一個(gè)只受自重影響的圓柱體，如圖所示。在距離陷落柱頂Ah的位置，柱體的應(yīng)力 為：
[0037]
[0038]
[0039] 式中〇r、σ θ、σ 2分別為徑向、切向、垂直應(yīng)力，1 = +是側(cè)壓力系數(shù)，V是柱 I -F 體巖石的泊松比，ρ為柱體巖石的密度。
[0040] 為了分析陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的大小，取柱體中間某一水平截面，這是一個(gè)平 面應(yīng)變問題，如圖3所示。
[0041] 在這個(gè)平面上，假設(shè)各水平方向上應(yīng)力相等，那么這個(gè)平面上，各方向水平應(yīng)力相 同，可看做受靜水壓力，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則分析，則在塑性區(qū)1內(nèi)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力 σ^ σ e要滿足破壞準(zhǔn)則和平衡方程：
[0042] (3,8)
[0043] (3.9) CN 105160188 A IX m "ti 4/5 頁
[0044] 解得
（3 10)
[0045] 塑性區(qū)1內(nèi)邊界上r = r。，〇 r= λ p gAh
[0046] 將帶入得到
[0050] 在塑性區(qū)1邊界上，彈性區(qū)2受到天然水平應(yīng)力〇。，則有σ，〇 e = 2 〇。，可以求 得塑性區(qū)2半徑R。
[0051] (3.13j
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 由于塑性區(qū)1半徑R的精確解形式較復(fù)雜，這里在相同圍巖條件下分析陷落柱高 度與分析平面埋深對(duì)塑性區(qū)1半徑R的影響，取m = 2. 4, s = 0. 082, σ。= lOMPa，可以得 到如下結(jié)果，如圖4所示。
[0063] 3.臨近陷落柱巷道加固段長的確定
[0064] 研究了計(jì)算陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的半徑R的方法，在測(cè)定陷落柱周圍圍巖的巖 石力學(xué)參數(shù)后，可以根據(jù)初始應(yīng)力、陷落柱半徑（可取其長軸距離的一半）、計(jì)算平面至柱 頂距離等參數(shù)，精確的計(jì)算出陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的半徑，從而可以正確估算出臨近陷 落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度，如圖5所示。
[0065] 可以得出最合理加固段長度
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法，其特征在于：在測(cè)定陷落柱周圍圍 巖的巖石力學(xué)參數(shù)后，根據(jù)初始應(yīng)力、陷落半徑（可取其長軸距離的一半）、計(jì)算平面至柱 頂距離等參數(shù)，精確的計(jì)算出陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的半徑，從而可以正確估算出臨近陷 落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法，其中為了分 析陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的大小，取柱體中間某一水平截面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法，其中上述平 面上，各方向水平應(yīng)力相同，可看做受靜水壓力。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法，其中最合理 的加固長虔其中
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定臨近陷落柱破碎巷道支護(hù)長度的方法。其特征在于：在測(cè)定陷落柱周圍圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)后，根據(jù)初始應(yīng)力、陷落半徑(可取其長軸距離的一半)、計(jì)算平面至柱頂距離等參數(shù)，精確的計(jì)算出陷落柱周邊優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水帶的半徑，從而可以正確估算出臨近陷落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度。其優(yōu)點(diǎn)在于，第一，此方法相比以往傳統(tǒng)工程類比法或經(jīng)驗(yàn)法，能定量的確定臨近陷落柱施工巷道需要加固支護(hù)段的長度；第二，此方法通過確定加固段長度直接有效的減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，大幅度提高工作進(jìn)度，減少支護(hù)耗材；第三，此方法增加了臨近陷落柱破碎巷道的安全性；第四，此方法能有效減緩巷道提前報(bào)廢和延長礦井服務(wù)年限。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號(hào)】CN105160188
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510589396
【發(fā)明人】左建平, 吳迪, 王廷征, 李楷
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年9月16日