CN108509746A - 一种巷道围岩松动圈范围的确定方法 - Google Patents

一种巷道围岩松动圈范围的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种巷道围岩松动圈范围的确定方法，该方法定性分析待测试的煤矿巷道收缩变形的影响因素；对煤矿巷道围岩进行力学实验，得到煤矿巷道围岩及岩层的物理力学指标；根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径；根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr‑Coulomb准则，确定巷道松动圈半径；利用声波探测仪对巷道松动圈范围进行测定，确定不同岩性和不同层位的巷道的松动圈深度；该方法通过对测量的参数进行优化，能够更准确地确定松动圈的范围，为巷道的安全生产提供了保证。

Description

一种巷道围岩松动圈范围的确定方法
技术领域
本发明属于井工开采技术领域，具体涉及一种巷道围岩松动圈范围的确定方法。
背景技术
在岩体中掘进巷道时，破坏了原岩应力平衡状态，使巷道围岩应力重新分布。掘进工作面岩体由三向受力转化为二向受力，岩体强度降低，承载能力下降。如果此时的围岩应力仍小于岩体强度，围岩将依然处于弹性状态；如果围岩局部区域的应力超过岩体强度，则岩体物性状态就要改变，巷道周边围岩就会产生塑性变形，粘结力和内摩擦角降低，后产生裂隙，同时引起应力向围岩深部转移，严重影响巷道的安全。
近几年不断发展完善的巷道围岩松动圈理论已经成为巷道支护和维修的主要依据。围岩松动是应力对围岩作用的结果，是在巷道周围一定范围内形成的围岩裂隙带。松动圈的大小与井巷的稳定性和支护的难易程度密切相关，松动圈越大，围岩稳定性就越差，支护也越困难。因此迫切需要提出一种即经济又实用的围岩松动圈范围的确定方法，从而保证煤矿巷道的安全生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种巷道围岩松动圈范围的确定方法，包括以下步骤：
步骤1：定性分析待测试的煤矿巷道收缩变形的影响因素；
所述影响因素包括：围岩状态、岩层应力和水理作用；
步骤2：对煤矿巷道围岩进行力学实验，得到煤矿巷道围岩及岩层的物理力学指标；
所述物理力学指标包括：岩石的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力；
步骤3：根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径；
步骤4：根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径；
步骤5：利用声波探测仪对巷道松动圈范围进行测定，确定不同岩性和不同层位的巷道的松动圈深度。
所述根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径的具体内容包括以下内容：
若岩体裂隙中无充填物，则采用内摩擦角的90％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若岩体裂隙中有泥质充填物，则采用内摩擦角的70％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内干燥条件下，并且开挖后及时衬砌或喷锚处理，回填密实，采用粘聚力的20％-25％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内有水或衬砌不及时，回填不密实，应不考虑粘聚力的作用，即计算值计算松动压力时令粘聚力＝0。
所述根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径的具体公式如下所示：
其中，R为巷道松动圈半径,r0为巷道宽度,为摩擦角，c为粘聚力，p0为地应力,p为内应力。
本发明的有益效果：
本发明提出一种巷道围岩松动圈范围的确定方法，该方法通过对测量的参数进行优化，能够更准确地确定松动圈的范围，为巷道的安全生产提供了保证。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中巷道围岩松动圈范围的确定方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中采用静态探测法非金属超声探测仪主机布置方案图；
图3为本实施方式中采用声波探测方法得到的波速(v)-孔深(l)曲线和时间(t)-孔深(l)曲线；
其中，(a)为波速(v)-孔深(l)曲线；
(b)为时间(t)-孔深(l)曲线；
图4为本实施方式中310轨道巷左帮测点1的声时随着孔深的变化曲线；
图5为本实施方式中310轨道巷左帮测点2的声时随着孔深的变化曲线；
图6为本实施方式中310轨道巷右帮测点1的声时随着孔深的变化曲线；
图7为本实施方式中310轨道巷右帮测点2的声时随着孔深的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施方式中，以辛置矿2-106轨道巷为例，巷道断面为矩形：巷道掘宽4.2m，净宽4.0m，巷道掘高3.8m，净高3.7m；巷道掘面积S掘＝15.96m2，巷道净面积S净＝14.8m2；巷道采用锚网梁锚索复合支护。
辛置矿2-106工作面掘出后巷道变形情况：巷道变形最严重处净宽2.0m，净高2.9m。巷道两帮每帮回缩700-1000mm(锚杆中间形成帮鼓)，底鼓700-800mm，巷道需要二次刷扩后才能具备安装条件。
一种巷道围岩松动圈范围的确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：定性分析待测试的煤矿巷道收缩变形的影响因素。
所述影响因素包括：围岩状态、岩层应力和水理作用。
步骤2：对煤矿巷道围岩进行力学实验，得到煤矿巷道围岩及岩层的物理力学指标。
所述物理力学指标包括：岩石的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力。
本实施方式中，通过岩石物理力学性质测定该巷道围岩主要为泥岩。物理力学指标如表1所示：
表1岩石物理力学指标测定成果
步骤3：根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径。
所述根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径的具体内容包括以下内容：
若岩体裂隙中无充填物，则采用内摩擦角的90％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若岩体裂隙中有泥质充填物，则采用内摩擦角的70％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内干燥条件下，并且开挖后及时衬砌或喷锚处理，回填密实，采用粘聚力的20％-25％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内有水或衬砌不及时，回填不密实，应不考虑粘聚力的作用，即计算值计算松动压力时令粘聚力＝0。
本实施方式中，在选用塑性圈内岩体粘聚力及内摩擦角时，经实验测试岩体裂隙中有泥质充填物，内摩擦角取实验值的70％，即31.5；因为要计算松动圈半径的最大值，故粘聚力取值为0.85Mpa。
步骤4：根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径。
本实施方式中，根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径的具体公式如式(1)所示：
其中，R为巷道松动圈半径,r0为巷道宽度,为摩擦角，c为粘聚力，p0为地应力,p为内应力。
本实施方式中，因为目前该巷道大部分地区未支护，所以内应力为p＝0Mpa,经松动圈半径计算公式得巷道松动圈半径的半径R为2.85m。
步骤5：利用声波探测仪对巷道松动圈范围进行测定，确定不同岩性和不同层位的巷道的松动圈深度。
本实施方式中，声波探测法包括动态探测法和静态探测法，动态探测法主要测试巷道开挖时间对松动圈大小的影响。静态探测法则测试不同的围岩性质对松动圈大小的影响。对于310轨道巷而言，巷道已经开掘很长时间，动态探测法没有意义，为此选择静态测试方法，确定不同岩性和不同层位的巷道的松动圈深度。
本实施方式中，静态探测法结合矿下供水条件，测点布置在正在维修的310轨道巷中，在适宜钻孔并受到扰动较小的区域靠近实体煤一侧布置测点，每个测点由两个钻孔组成，两测点之间的距离为10m，布置初步方案如图2所示。
声波探测方法是通过岩石钻孔测出声波纵波速度在围岩钻孔中的分布变化，得到的波速(v)-孔深(l)曲线如图3(a)所示，时间(t)-孔深(l)曲线如图3(b)所示，由此判定围岩松动圈范围。
通过对辛置煤矿310轨道巷测点数据进行筛选分析处理，绘出声时随孔深的变化关系曲线。310轨道巷左帮测点1的声时随着孔深的变化曲线如图4所示，310轨道巷左帮测点2的声时随着孔深的变化曲线如图5所示，可以看出，2个测点测得的310轨道巷左帮的松动圈大小分别约为2.8m、3.4m。
310轨道巷右帮测点1的声时随着孔深的变化曲线如图6所示，310轨道巷右帮测点2的声时随着孔深的变化曲线如图7所示，可以看出，2个测点测得的310轨道巷右帮的松动圈大小分别约为2.4m、2.0m。
通过现场松动圈测试，得出辛置煤矿310轨道巷道松动圈情况统计如表1所示。
表1辛置煤矿310轨道巷道松动圈情况统计
经分析可知，通过现场测定松动圈的平均最大半径为：2.9m。

Claims (3)

1.一种巷道围岩松动圈范围的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：定性分析待测试的煤矿巷道收缩变形的影响因素；
所述影响因素包括：围岩状态、岩层应力和水理作用；
步骤2：对煤矿巷道围岩进行力学实验，得到煤矿巷道围岩及岩层的物理力学指标；
所述物理力学指标包括：岩石的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力；
步骤3：根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径；
步骤4：根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径；
步骤5：利用声波探测仪对巷道松动圈范围进行测定，确定不同岩性和不同层位的巷道的松动圈深度。
2.根据权利要求1所述的巷道围岩松动圈范围的确定方法，其特征在于，所述根据优化后的塑性圈内岩体因松动破碎导致物理力学指标中的粘聚力和内摩擦角确定煤矿巷道松动圈半径的具体内容包括以下内容：
若岩体裂隙中无充填物，则采用内摩擦角的90％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若岩体裂隙中有泥质充填物，则采用内摩擦角的70％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内干燥条件下，并且开挖后及时衬砌或喷锚处理，回填密实，采用粘聚力的20％-25％作为计算值确定煤矿巷道松动圈半径；
若煤矿巷道洞室内有水或衬砌不及时，回填不密实，应不考虑粘聚力的作用，即计算值计算松动压力时令粘聚力＝0。
3.根据权利要求1所述的巷道围岩松动圈范围的确定方法，其特征在于，所述根据弹塑性力学理论和环形塑性区内的屈服条件Mohr-Coulomb准则，确定巷道松动圈半径的具体公式如下所示：
其中，R为巷道松动圈半径,r0为巷道宽度,为摩擦角，c为粘聚力，p0为地应力,p为内应力。
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