CN104008290A - 考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，该方法根据巷道埋深、围岩容重、双向压力比值、围岩内聚力和内摩擦角得出塑性区径向深度，由塑性区径向深度获得冒顶隐患高度，通过冒顶隐患高度来进行冒顶隐患级别划分，此种巷道冒顶隐患分级方法依据的计算公式均由理论分析获得，保证了冒顶隐患分级的科学合理性，同时充分考虑了地应力的作用，并克服了常规围岩分类法仅适用于双向等压应力环境的缺陷，具有更好的适用范围。

Description

考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法

技术领域

本发明属于巷道冒顶分级领域，具体的说涉及一种考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，具有更广的适用范围和更高的准确性。 

背景技术

由于锚杆支护煤巷冒顶隐患的隐蔽性、冒顶的突发性和高度危险性，不得不采用过度支护来预防冒顶事故，很多煤矿每年的支护浪费高达数百至上千万元，即便如此，仍不能有效杜绝冒顶事故的发生，因此，有必要对巷道进行冒顶隐患分级，对不同冒顶隐患程度巷道进行差别化支护，确保巷道安全，降低支护成本。目前巷道冒顶隐患分级方法主要有两种，一种是认为顶板深部存在稳定岩层，稳定岩层位置决定了顶板冒顶隐患程度，此种方法对于低应力条件下的层状复合顶板针对性控制起到了很好的效果，但是由于没有直接引入地应力这一重要指标，对于高应力巷道冒顶隐患分级有一定的局限；另一种分类方法是根据巷道松动范围进行围岩稳定性分类，此种方法虽然考虑了地应力，但仅适用于双向等压条条件下的巷道，而绝大多数高应力巷道为双向不等压应力环境。考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法具有更广泛的适用范围，对于巷道冒顶的控制和防止具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，该方法通过计算冒顶隐患高度来进行冒顶隐患级别划分，冒顶隐患高度可由塑性区径向深度得出。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

首先根据巷道埋深H、围岩容重γ、双向压力比值λ、围岩内聚力C和内摩擦角φ等指标，利用式(1)获得巷道围岩不同θ时的塑性区径向深度r。 

其中： 

f₁(λ)＝9(1-λ)²； 

f₂(λ,θ)＝-12(1-λ)²-6(1-λ²)cos2θ； 

式中均为巷道埋深H、围岩容重γ、双向压力比值λ、巷道半径R₀、围岩内聚力C和内摩擦角φ的简单函数。 

然后由式(2)根据塑性区径向深度r与所对应的极角θ求出巷道冒顶隐患高度。最后通过冒顶隐患高度来进行冒顶隐患级别划分，一般将顶板分为四级，I级顶板最为稳定，IV级顶板冒顶隐患程度最大。当对拟开拓巷道的区域进行冒顶隐患分级时，选取一定数量的测点进行冒顶隐患高度计算，划分为相应的冒顶隐患级别，利用绘图软件即可绘制出巷道冒顶隐患级别分级图，指导巷道支护设计。 

$h=\underset{\mathrm{\θ}\∈[0,\mathrm{\π}]}{\mathrm{Max}}(r\×\sin \mathrm{\θ})-R_0---\left(2\right)$

式中h为巷道冒顶隐患高度，r为塑性区径向深度，θ为极坐标极角，R₀为巷道半径。 

本发明的有益效果： 

此种巷道冒顶隐患分级方法所计算冒顶隐患高度时充分考虑了地应力的作用，更符合高应力条件下巷道冒顶的实际，所依据的计算公式均由理论分析获得，同时克服了常规松动圈围岩分类法仅适用于双向等压应力环境的缺陷，因此该方法具有更好的适用范围，保证了冒顶隐患级别划分的科学合理性，从而根据不同冒顶隐患级别巷道进行差别化支护，确保巷道安全，降低支护成本。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但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，其中： 

图1是蝶形塑性区巷道冒顶隐患高度计算示意图；

图2是椭圆形塑性区巷道冒顶隐患高度计算示意图；

图3是圆形塑性区巷道冒顶隐患高度计算示意图；

图4是巷道冒顶隐患分级结果图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4对本发明进行说明，考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，根据巷道1埋深H、围岩容重γ、双向压力比值λ、围岩内聚力C和内摩擦角φ等指标，利用式（1）获得巷道1围岩不同θ时的塑性区径向深度r。然后由式（2）根据塑性区径向深度r与所对应的极角θ求出巷道1冒顶隐患高度。对于双向不等压应力场，当双向压力比值λ（最大主应力σ₁/最小主应力σ₃）小于0.5或大于2.5时，巷道1塑性区计算结果为蝶形塑性区3，当双向压力比值λ在0.5与2.5之间时，巷道1塑性区计算结果为椭圆形塑性区4，在双向等压应力场条件下，即双向压力比值λ为1时，巷道1塑性区计算结果为圆形塑性区5，由于式（1）所采用的理论计算是针对于圆形巷道，因此需引入等效圆断面2，巷道1内接于等效圆断面2。 

通过冒顶隐患高度来进行冒顶隐患级别划分，一般将顶板分为四级，对于5m左右宽度的巷道，当巷道冒顶隐患高度小于0.5m时为I级顶板，当巷道冒顶隐患高度在0.5m至1.5m之间时为II级顶板，当巷道冒顶隐患高度在1.5m至3.5m之间时为III级顶板，当巷道冒顶隐患高度在大于3.5m时为IV级顶板。当对拟开拓巷道的区域进行冒顶隐患分级时，选取一定数量的测点进行冒顶隐患高度计算，划分为相应的冒顶隐患级别，利用suffer绘图软件即可绘制出巷道冒顶隐患级别分级结果6，指导巷道支护设计，确保巷道安全，降低支护成本。 

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。 

Claims (2)

1.考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，其特征在于通过计算冒顶隐患高度来进行冒顶隐患级别划分，冒顶隐患高度可由塑性区径向深度与所对应的极角得出，即： 

式中h为巷道冒顶隐患高度，r为塑性区径向深度，θ为极坐标极角，R₀为巷道半径。 

2.考虑双向不等压应力场的巷道冒顶隐患分级方法，其特征在于根据巷道埋深、围岩容重、双向压力比值、围岩内聚力和内摩擦角得出塑性区径向深度，其塑性区径向深度可由下式得出： 

其中： 

f₁(λ)＝9(1-λ)²； 

f₂(λ,θ)＝-12(1-λ)²-6(1-λ²)cos2θ； 

式中H为巷道埋深，γ为围岩容重，λ为双向压力比值，R₀为巷道半径，C为围岩内聚力，φ为内摩擦角。