CN109812276B - 一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，包括：（1）分析邻空巷道所处地质环境，建立动静载叠加作用下的数值分析模型；（2）基于动静载作用下巷道围岩响应的数值分析方法，以工程允许的极限位移为标准，反演特定静载应力下动载应力的阈值；（3）改变静载应力的大小，重复步骤（1）和步骤（2），拟合确定采空区侧向支承应力对应的动载阈值分布函数；（4）用动载阈值与实测区域内动载应力的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内；本发明考虑了静载和动载的叠加作用，能避免邻空巷道承受较大的动载扰动作用，减少支护及维护费用。
Description
技术领域
本发明涉及井下邻空巷道布置领域，尤其是一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法。
背景技术
邻空巷道是沿采空区边缘留设煤柱或不留煤柱掘进的或保留的巷道，用于服务长壁工作面回采，其合理的布置方式是实现工作面安全、高效、智能、绿色开采的关键；采动覆岩运动产生的动载应力以应力波的形式向下位煤岩层传播，作用于邻空巷道，围岩从静力加载产生的累积应变过渡到瞬时高应变率状态，随着开采深度（强度）的增加，围岩承受静载应力逐渐增加，受同样动载扰动产生的动力灾害逐渐凸显，邻空巷道冒顶、片帮、底鼓、非对称大变形以及冲击矿压等发生的几率被大大提高，严重影响邻空巷道的安全使用；如何预防此类动力灾害的发生成为该领域工程技术人员急需解决的技术难题。
发明内容
本发明目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种经济成本低、劳动强度小、操作简单、考虑动载扰动的邻空巷道合理位置的预测方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，第一步，分析邻空巷道所处地质环境，建立动静载叠加作用下的数值分析模型；第二步，基于动静载作用下巷道围岩响应的数值分析方法，以工程允许的极限位移为标准，反演特定静载应力下动载应力的阈值；第三步，改变静载应力的大小，重复步骤一和步骤二，拟合确定采空区侧向支承应力对应的动载阈值分布函数；第四步，用动载阈值与实测区域内动载应力的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内。
进一步，所述第一步具体为，分析邻空巷道所处地质环境，建立动静载叠加作用下的数值分析模型，模拟邻空巷道围岩的静载应力环境。
进一步，所述第二步具体为，基于动静载叠加作用下的数值分析模型，以工程允许的极限位移作为动载阈值的判定条件，选择合适的动载强度开展动力计算，用计算的邻空巷道围岩表面位移与工程允许值作比较，反演特定静载应力下动载应力的阈值。
进一步，所述第三步具体为，获取特定工程地质条件下采空区一侧煤体内的侧向支承应力，确定支承应力大小的变化区间，将该区间划分为若干等份，重复第二步的内容，计算该变化区间内每一等分点对应的动载阈值，拟合确定该类条件下侧向支承应力对应的动载阈值分布规律。
进一步，所述第四步具体为，用计算的动载阈值与实测区域内动载应力的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
（1）经济成本低、劳动强度小、可重复性强、操作简单；
（2）减少原位试验所需的设备费、人工费，缩短确定邻空巷道位置的时间；
（3）由于采用了上述技术方案，邻空巷道发生极限位移时，本发明确定了采空区侧向支承应力对应动载应力的阈值函数，并将该阈值函数与实测动载应力之比作为确定邻空巷道位置的依据，多考率了动载扰动这一重要因素，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的实例物理结构示意图：图中：1-冒落岩块，2-冒落矸石，3-断裂回转岩块，4-采空区，5-一维坐标轴，6-邻空巷道，7-煤层，8-直接顶板，9-软弱顶板，10-基本顶板，11-实测动载应力分布曲线，12-实测采空区侧向支承应力分布曲线，13-采空区上方断裂岩块；
图2为本发明的采空区一侧煤体内侧向支承应力分布曲线；
图3为本发明的巷道位置求解方法。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，具体步骤如下：
第一步，分析邻空巷道6所处地质环境，建立动静载叠加作用下的数值分析模型，模拟邻空巷道6围岩的静载应力环境，具体为，某邻空巷道所处煤层平均埋深为800m，平均厚度为7.2m，平均倾角为2°，平均密度为1400kg/m3，体积模量为2.0GPa，剪切模量为1.0GPa，内摩擦角为30°，内聚力为0.8MPa，抗拉强度为0.5MPa，邻空巷道采用留煤柱沿空掘巷布置，为矩形断面，尺寸为5m×4m，需要确定邻空巷道距采空区边缘的距离；基于以上条件，建立邻空巷道地质力学数值分析模型，模型的三维几何尺寸为65m×5m×65m，每个单元体网格大小为1m×1m×1m，模型两侧边界、前后边界、底边界采用固定法向位移的约束方式，上部边界加载均布载荷，均布载荷大小根据实测应力场确定，采用Mohr-Coulomb强度准则模拟邻空巷道围岩的变形行为；将上述煤层材料参数带入到数值模型当中，模拟计算邻空巷道所处地质环境及静载应力环境。
第二步，基于动静载叠加作用下的数值分析模型，以工程允许的极限位移作为动载阈值的判定条件，选择合适的动载强度开展动力计算，用计算的邻空巷道围岩6表面位移与工程允许值作比较，反演特定静载应力下动载应力的阈值；具体为，静载应力取为原岩应力20MPa，开展静力计算至应力平衡，开挖邻空巷道重新计算至应力平衡状态，以顶板下沉1000mm作为工程允许的极限位移，改变动载应力的大小，直至满足动载阈值计算精度为止，当动载阈值计算精度选为0.5MPa时，记录的动载阈值为66.0MPa。
第三步，获取特定工程地质条件下采空区4一侧煤体7内的侧向支承应力12，确定支承应力大小的变化区间，将该区间划分为若干等份，重复第二步的内容，计算该变化区间内每一等分点对应的动载阈值，拟合确定该类条件下侧向支承应力12对应的动载阈值分布规律；具体为，通过实测的方法获得了该煤层采空区一侧煤体内的侧向支承应力如图2所示，据图2可确定静载应力的变化区间为15MPa至45MPa，将该区间进行6等分，确定静载应力的等分点分别为15MPa、20.0MPa、25.0MPa、30.0MPa、35MPa、40MPa、45MPa，将等分点对应的静载应力带入数值计算模型，重复第二步的内容，求解的动载阈值分别为92.0MPa、66.0MPa、46.0MPa、30.0MPa、19.0MPa、16MPa和14MPa，通过MATLABR2012b拟合可确定该类条件下动载阈值关于距离的分布规律。
第四步，用计算的动载阈值与实测区域内动载应力11的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内；具体为，通过实测的方法获得了该煤层采空区一侧煤体内的动载应力，通过MATLABR2012b拟合确定该类条件下动载应力关于距离的分布规律，绘制动载阈值以及动载应力关于距离的分布规律如图3所示，邻空巷道应布置在比值大于1的位置，从图3可知，邻空巷道应布置在距采空区边缘小于6m或者大于12m的位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，分析邻空巷道所处地质环境，建立动静载叠加作用下的数值分析模型，模拟邻空巷道围岩的静载应力环境；第二步，基于动静载叠加作用下的数值分析模型，以工程允许的极限位移作为动载阈值的判定条件，选择合适的动载强度开展动力计算，用计算的邻空巷道围岩表面位移与工程允许值作比较，反演特定静载应力下动载应力的阈值；第三步，改变静载应力的大小，重复步骤一和步骤二，拟合确定采空区侧向支承应力对应的动载阈值分布函数；第四步，用动载阈值与实测区域内动载应力的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内。
2.根据权利要求1所述一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，其特征在于，所述第三步具体为，获取特定工程地质条件下采空区一侧煤体内的侧向支承应力，确定支承应力大小的变化区间，将该区间划分为若干等份，重复第二步的内容，计算该变化区间内每一等分点对应的动载阈值，拟合确定该类条件下侧向支承应力对应的动载阈值分布规律。
3.根据权利要求1所述一种基于动载应力场确定邻空巷道合理位置的方法，其特征在于，所述第四步具体为，用计算的动载阈值与实测区域内动载应力的比值作为衡量巷道布置的标准，将巷道布置在比值大于1的区域，以保证巷道围岩处于较小的动载应力环境内。
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