CN108595807B - 一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本本发明公开了一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，包括以下步骤：步骤一、确定卸压槽的深度值h；步骤二、计算水平均布载荷p；步骤三、确定卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E；步骤四、确定卸压槽宽度l，卸压槽宽度l应满足公式：该公式中：k为富余系数、l为卸压槽宽度、υ为巷道上覆岩层的泊松比、γ为巷道上覆岩层的平均容重、H为巷道埋深、h为卸压槽深度、E为卸压槽深度范围内岩层的弹性模量。本发明计算方法简单，能够使得卸压槽宽度的选取不再盲目，确保了卸压槽治理巷道底鼓的科学性和合理性，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法。
背景技术
巷道掘出后，底板岩层会在应力作用下向巷道内压曲、扩容、膨胀，形成底鼓。底鼓是煤矿巷道常见的动力现象，现场实测数据表明，我国煤矿巷道顶底板移近量中约2/3是由底板的鼓起变形造成的，底鼓导致巷道断面变形，阻碍通风，妨碍正常运输和行人。治理底鼓的费用占到整个巷道维护总费用的一半以上，底鼓对矿井的生产造成严重影响。如何治理巷道底鼓成为很多煤矿面临的主要难题。
汇总目前国内外各种底鼓控制技术，按照控制机理的不同可分为三大类型，即：支护加固法、卸压法及联合支护法。
卸压槽控制巷道底鼓法是卸压法中的一种，其机理是通过对巷道底板2开设卸压槽6，使得原本作用于巷道底板2的高应力转移至深部较硬的岩层，使底板形成“强弱强”的稳定受力结构，用卸压槽6的变形量来减轻或抵消巷道底板2向巷道1空间内的变形量，保持巷道底板2的稳定，如图2所示。
当对巷道底板2采取开设卸压槽6处理时，卸压槽6参数(深度和宽度)的选取一直是当前研究的热门课题。参数选取过大，浪费大量的人力、物力和财力，参数选取过小，不能有效治理巷道底鼓。在对卸压槽6深度的选取中，目前已形成较为成熟的理论。在卸压槽6宽度的确定上，由于以往学者们只侧重于研究卸压槽6深度对底鼓的治理效果，而忽视了对卸压槽6宽度确定方法的研究，导致目前卸压槽6宽度的选取只能依赖现场经验，这使得在卸压槽6宽度的选取上存在很大的盲目性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其根据现有的力学理论和矿山压力理论对卸压槽宽度的确定方法进行了研究，提出科学的卸压槽宽度计算方法，为卸压槽宽度的选取提供科学的理论依据；通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算，最终获得卸压槽宽度的合理取值，其计算方法简单；使得卸压槽宽度的选取不再盲目，确保了卸压槽治理巷道底鼓的科学性和合理性，实用性强。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定卸压槽的深度值h；
步骤二、计算巷道底板的水平均布载荷p；
步骤三、确定卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E；
步骤四、确定卸压槽宽度l，卸压槽宽度l应满足如下公式：
该公式中：k为富余系数、l为卸压槽宽度、υ为巷道上覆岩层的泊松比、γ为巷道上覆岩层的平均容重、H为巷道埋深、h为卸压槽深度、E为卸压槽深度范围内岩层的弹性模量。
上述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤二中所述的计算巷道底板的水平均布载荷p是按照如下步骤进行的：
第一步、通过测量或者计算获取巷道埋深值H，通过实验测得巷道上覆岩层的平均容重γ和巷道上覆岩层的泊松比υ，
第二步、通过公式一p＝σx＝(λγH×103)h和公式二来计算并确定巷道底板的水平均布载荷p，
公式一中，p为巷道底板的水平均布载荷、σx为巷道底板内部的水平应力、γ为巷道上覆岩层的平均容重、H为巷道埋深、h为卸压槽深度、λ为测压系数；
公式二中，λ为测压系数、υ为巷道上覆岩层的泊松比。
上述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤三中所述卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E是通过原位岩体力学试验测定或者实验室对岩样测试来得到的。
上述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤三中所述富余系数k的取值为1.2～1.6。
上述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤三中所述富余系数k的取值为1.4。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算，最终获得卸压槽宽度合理的准确值；使得卸压槽宽度的选取不再盲目，确保了卸压槽治理巷道底鼓的科学性。
2、本发明根据现有的力学理论和矿山压力理论对卸压槽宽度的确定方法进行研究，提出科学的卸压槽宽度计算公式方法，为卸压槽宽度的选取提供科学的理论依据。
3、本发明通过计算确定的卸压槽参数能够有效的防止了巷道底鼓的发生，降低了巷道维护费用，解决了由于底鼓引起的工期延误，工作面无法正常交接的问题，达到了安全、高效、低耗、低成本、高效益生产的目的。
4、本发明计算方法简单，实用性强。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为无卸压槽巷道形成底鼓的力学模型图。
图2为现有卸压槽控制巷道底鼓法中的底板“强弱强”的结构示意图。
图3为本发明将巷道卸压槽壁简化为悬臂梁的模型示意图。
图4为本发明卸压槽的左侧槽壁受力模型示意图。
附图标记说明:
1—巷道； 2—巷道底板； 3—底板岩层；
4—应力； 5—槽壁； 6—卸压槽。
具体实施方式
下面结合安山煤矿31煤四盘区胶运大巷巷道底板卸压槽的施工对本发明内容进行进一步说明。
安山煤矿31煤四盘区胶运大巷宽为4.7m，高为2.5m。直接顶为互层中粒砂岩，厚度为7.26m。直接底为泥质粉砂岩，厚度约为8.17m。顶板为锚网支护，帮部不支护，底板采用混凝土硬化。顶板锚杆采用Φ20×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距为1050×1000mm，钢托梁长度为4700mm，宽度为80mm，排距为1000mm，锚索孔深为5800mm三花布置，间排距为2000×3000mm。大巷掘进过程中，底板岩层3会在应力4的作用下向巷道1内压曲、扩容、膨胀，形成底鼓，如图1所示。使巷道无法正常使用，制约了矿井正常的接续。综合分析，决定在胶运大巷底板开凿卸压槽治理巷道底鼓。
步骤一、确定卸压槽的深度值h；通过已有的理论计算方法结合数值模拟软件得出切槽深度h为2m。
步骤二、计算巷道底板的水平均布载荷p；
第一步、根据该矿地质资料，通过测量或者计算获取巷道埋深值H为131m，巷道上覆岩层的平均容重γ为30KN/m3，巷道上覆岩层的泊松比υ为0.4。
第二步、通过公式p＝σx＝(λγH×103)h (公式一)
和公式
计算并获得巷道底板的水平均布载荷p，其中，σx为巷道底板内部的水平应力、λ为测压系数；
步骤三、确定卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E；根据该矿地质资料，通过原位岩体力学试验测定或者实验室对岩样测试来得到的巷道底板弹性模量E为304MPa。
步骤四、确定卸压槽宽度l，
如图3所示，如果切卸压槽6后，巷道底板2切槽范围内的垂直应力得到释放，槽壁5主要受巷道底板的水平载荷P的作用。因此，可将卸压槽壁5简化为长度为h，截面宽度为b(h/b≥5)的悬臂梁结构。以卸压槽6左侧槽壁5为例进行分析，卸压槽6的左侧槽壁5受力模型如图4所示。
在巷道底板的水平均布载荷p的作用下，悬臂梁的转角方程及挠曲线方程如下：
式中，E为卸压槽深度范围内岩层的弹性模量、w为悬臂梁产生的挠度、θ为左侧槽壁在巷道底板的水平均布载荷p的作用下形成的转角、p为巷道底板的水平均布载荷、z为z轴方向上任意一点的取值(本实施例中z＝h)、h为卸压槽深度、I为卸压槽深度范围内岩体截面惯性矩，
此时，在悬臂梁端部Z＝h处产生最大挠度wmax：
为防治切槽闭合后无法继续吸收底板变形，由卸压槽左右两侧对称性可得切槽宽度l应满足:
将p＝σx＝(λγH×103)h，hb≥5，代入式(4)得到切槽宽度l：
将步骤一中确定的卸压槽的深度值h；步骤二中获得的巷道埋深值H、巷道上覆岩层的平均容重γ、巷道上覆岩层的泊松比υ；步骤三中获取的卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E；最后再带入富余系数k的取值，最终得到切槽宽度l。
在安山煤矿31煤四盘区胶运大巷中，h＝2m，H＝131m，γ＝30KN/m3，υ＝0.4，E＝304MPa，k＝1.2～1.6，优选的k为1.4。将以上数据代入公式(5)，得到切槽宽度l＝0.4m。
将计算得出的切槽参数用于安山煤矿31煤四盘区胶运大巷底鼓治理过程中，根据现场实测数据，未切卸压槽巷道在0天～80天内变形剧烈；80天～100天内，变形趋于平缓；100天之后变形趋于稳定；平均底鼓量416mm。切卸压槽段巷道在0天～60天内出现较小变形；60～80天内，变形趋于平缓；80天之后，变形趋于稳定；平均底鼓量127mm。切卸压槽段巷道较未切卸压槽巷道底鼓量降低69.4％，巷道变形时间缩短约20天。切卸压槽后的底板表面平整，未发生底鼓现象。
由本发明确定的卸压槽参数有效的防止了巷道底鼓的发生，降低了巷道维护费用，解决了由于底鼓引起的工期延误，工作面无法正常交接的问题，达到了安全、高效、低耗、低成本、高效益生产的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定卸压槽的深度值h；
步骤二、计算巷道底板的水平均布载荷p；
步骤三、确定卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E；
步骤四、确定卸压槽宽度l，卸压槽宽度l应满足如下公式：
该公式中：k为富余系数、l为卸压槽宽度、υ为巷道上覆岩层的泊松比、γ为巷道上覆岩层的平均容重、H为巷道埋深、h为卸压槽深度、E为卸压槽深度范围内岩层的弹性模量；
所述富余系数k的取值为1.2～1.6。
2.按照权利要求1所述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤二中所述的计算巷道底板的水平均布载荷p是按照如下步骤进行的：
第一步、通过测量或者计算获取巷道埋深值H，通过实验测得巷道上覆岩层的平均容重γ和巷道上覆岩层的泊松比υ，
第二步、通过公式一p＝σx＝(λγH×103)h和公式二来计算并确定巷道底板的水平均布载荷p，
公式一中，p为巷道底板的水平均布载荷、σx为巷道底板内部的水平应力、γ为巷道上覆岩层的平均容重、H为巷道埋深、h为卸压槽深度、λ为测压系数；
公式二中，λ为测压系数、υ为巷道上覆岩层的泊松比。
3.按照权利要求1所述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤三中所述卸压槽深度范围内岩层的弹性模量E是通过原位岩体力学试验测定或者实验室对岩样测试来得到的。
4.按照权利要求1所述的一种巷道底板卸压槽宽度的计算方法，其特征在于：步骤三中所述富余系数k的取值为1.4。
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