CN111220449A - 一种巷道稳定性的分析方法 - Google Patents

一种巷道稳定性的分析方法 Download PDF

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CN111220449A CN202010138706.XA CN202010138706A CN111220449A CN 111220449 A CN111220449 A CN 111220449A CN 202010138706 A CN202010138706 A CN 202010138706A CN 111220449 A CN111220449 A CN 111220449A
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王�琦
何满潮
杨军
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Abstract

本发明提供了一种巷道稳定性的分析方法，包括以下步骤：获得巷道围岩中岩体的强度曲线；获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆；其中，一个检测点对应一个应力圆；在同一坐标系下绘制强度曲线和至少一应力圆；判断至少一应力圆与强度曲线的相对位置。本发明通过获得岩体的应力状态，并将其与岩体的强度相比较，进而判断岩体是否发生破坏，相比于以往通过宏观结构受力平衡和变形来判断巷道的稳定性，本发明能够更加及时、准确的判断巷道的稳定性，有利于尽早采取相应的控制措施，降低安全事故发生的风险。

Description

一种巷道稳定性的分析方法
技术领域
本发明总体来说涉及采矿技术领域，具体而言，涉及一种巷道稳定性的分析方法。
背景技术
目前采矿工程中岩体稳定性的监测和评价，主要通过分析宏观上的变形程度来实现。然而，宏观分析变形程度的方法，只有当巷道产生变形或破坏至一定程度后才能应用，导致稳定性判断的结果不够及时和准确。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种巷道稳定性的分析方法，其通过分析巷道围岩中岩体的应力圆与巷道围岩中岩体的强度曲线之间的位置关系，提前预知巷道的稳定性，进而及时准确地进行支护。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种巷道稳定性的分析方法，包括以下步骤：
获得巷道围岩中岩体的强度曲线；
获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆；其中，一个所述检测点对应一个所述应力圆；
在同一坐标系下绘制所述强度曲线和所述至少一应力圆；
判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置。
根据本发明一实施方式，还包括以下步骤：
若所述至少一应力圆中的其中一个与所述强度曲线相交或相切，则对该应力圆对应的所述检测点的所述巷道进行支护，直到所述支护的强度能够使所述应力圆远离所述强度曲线，不再继续增加支护强度。
根据本发明的一实施方式，还包括以下步骤：
若所述至少一应力圆均位于所述强度曲线以内，则不对所述巷道进行支护。
根据本发明的一实施方式，所述判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置，包括：
所述至少一应力圆的其中一个与所述强度曲线之间界定一最短距离，当所述最短距离大于等于一第一预设距离时，所述巷道为第一稳定状态；
当所述最短距离小于所述第一预设距离且大于等于一第二预设距离时，所述巷道为第二稳定状态；
当所述最短距离小于所述第二预设距离时，所述巷道为第三稳定状态；
其中，所述第一预设距离大于所述第二预设距离，所述第一稳定状态、所述第二稳定状态和所述第三稳定状态的稳定性逐渐降低。
根据本发明的一实施方式，所述获得巷道围岩中岩体的强度曲线，包括：
采集所述巷道围岩中岩体做成试件，通过三向压缩实验获得所述强度曲线。
根据本发明的一实施方式，所述采集所述巷道围岩中岩体做成试件，通过三向压缩实验获得所述强度曲线，包括：
根据公式
Figure BDA0002398254300000021
绘制所述强度曲线，
其中，τ表示曲线上任意一点的剪应力，σ表示该点对应的正应力，c表示岩体的内聚力，
Figure BDA0002398254300000022
表示内摩擦角。
根据本发明的一实施方式，所述获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆，包括：
获得每个所述检测点的一最大主应力和一最小主应力；
在σ-τ直角坐标系内，根据每个所述检测点的所述最大主应力和所述最小主应力绘制至少一所述应力圆。
根据本发明的一实施方式，所述获得所述每个检测点的一最大主应力和一最小主应力，包括：
在所述检测点处布置一应力传感器，所述应力传感器用于监测所述检测点处的水平应力和垂直应力；
所述水平应力即为所述最大主应力，所述垂直应力即为所述最小主应力。
根据本发明的一实施方式，所述至少一检测点为多个，多个所述检测点均匀布置在所述巷道四周的岩体中。
根据本发明的一实施方式，所述方法应用于以下一个或多个煤矿开采过程：
巷道开挖后、巷道支护后、工作面开采过程中和定向切顶后。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
本发明通过获得岩体的应力状态，并将其与岩体的强度相比较，进而判断岩体是否发生破坏，相比于以往通过宏观结构受力平衡和变形来判断巷道的稳定性，本发明能够更加及时、准确的判断巷道的稳定性，有利于尽早采取相应的控制措施，降低安全事故发生的风险。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据本发明一示例性实施方式示出的巷道稳定性的分析方法的流程图。
图2是根据本发明一示例性实施方式示出的多个应力传感器布置在巷道围岩中岩体四周的示意图。
图3是根据本发明一示例性实施方式示出的在原始应力状态下的应力圆与强度曲线的相对位置的对比图。
图4是根据本发明一示例性实施方式示出的巷道开挖后的应力圆与强度曲线的相对位置的对比图。
图5是根据本发明一示例性实施方式示出的巷道支护后的应力圆与强度曲线的相对位置的对比图。
图6是根据本发明一示例性实施方式示出的工作面开采后的应力圆与强度曲线的相对位置的对比图。
图7是根据本发明一示例性实施方式示出的强度曲线的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、巷道
2、应力传感器
3、强度曲线
4、应力圆
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“顶”、“底”等也作具有类似含义。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
本发明的发明人在研究中发现，煤岩体之所以产生变形或破坏，围岩中的应力起到至关重要的作用，即当围岩的应力大于煤岩体的强度时，变形或破坏就会发生；反之，就不会发生。
另外，现有技术中主要通过分析岩体的宏观变形程度来判断煤岩体是否发生破坏，但这种宏观分析方法只有在变形或破坏发生至一定程度后，才能够被发现，判断结果存在一定的滞后性，不利于及时准确地作出应对措施。相反地，本发明的发明人提出的通过研究岩体的应力变化，其属于微观分析，也就是说，在一定程度上，岩体宏观上未发生变形或破坏时，岩体的微观上的应力已经发生变化，则通过应力变化即可提前预知岩体的稳定性，最终提前做出应对措施。
基于此，本发明提供一种巷道稳定性的分析方法，包括以下步骤：获得巷道围岩中岩体的强度曲线；获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆；其中，一个所述检测点对应一个所述应力圆；在同一坐标系下绘制所述强度曲线和所述至少一应力圆；判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置。
本发明通过获得岩体的应力状态，并将其与岩体的强度相比较，进而判断岩体是否发生破坏，相比于以往通过宏观结构受力平衡和变形来判断巷道的稳定性，本发明能够更加及时、准确的判断巷道的稳定性，有利于尽早采取相应的控制措施，降低安全事故发生的风险。
下面先介绍获得巷道围岩中岩体的强度曲线的理论和方法。
通过采集巷道围岩中岩体做成试件，进行三向压缩实验而获得强度曲线。根据莫尔-库仑理论，当压力不大(一般σ1＜10MPa)时，可根据公式
Figure BDA0002398254300000051
绘制斜直线表示岩体的强度包络线。式中，τ为包络线任意一点的剪应力，σ为该点对应的正应力，c为岩石的内聚力，
Figure BDA0002398254300000052
为内摩擦角。根据上述公式即可得出如图7所示的强度曲线，即莫尔包络线。
下面再介绍获得应力圆的理论和方法。
本发明的发明人假定岩体为均匀连续介质，各向同性，无蠕变和粘性行为。为了获得岩体内某一点的应力状态，围绕该点取一个微小的六面体进行分析。同时，本发明的发明人通过大量实验研究发现，在浅层地壳中平均水平应力大于垂直应力，由于平均水平应力大于垂直应力，则可以假设垂直应力即为最小主应力，水平应力为最大主应力。另外，为了下述说明采矿的全过程，特定义平行于工作面长度方向的水平应力为最大主应力。
令σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，以σ1和σ3之间的差值为圆的直径，那么在一σ-τ直角坐标系内，该应力圆为如图3所示。
下面再介绍本发明的巷道稳定性的分析方法。
如图1所示，图1是根据本发明一示例性实施方式示出的巷道稳定性的分析方法的流程图。
在步骤S110中，获得巷道围岩中岩体的强度曲线。
依据上述介绍的三向压缩实验，并根据公式
Figure BDA0002398254300000061
得岩体的强度曲线，即莫尔包络线，如图7所示。
在步骤S120中，获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆；其中，一个所述检测点对应一个所述应力圆。
在一示例实施方式中，如图2所示，图2是根据本发明一示例性实施方式示出的多个应力传感器布置在巷道四周的岩体中的示意图。如图所示，多个传感器2布置在巷道1四周的岩体中，每个传感器均能检测该检测点处的应力。在一实施方式中，应力传感器为三向应力传感器，用以分别获得垂直应力和两个水平应力，其中一个水平应力的方向为平行于工作面的长度方向，其中另一个水平应力的方向为平行于工作面推进方向。根据上述关于最大主应力和最小主应力的介绍可知，每个三向应力传感器均能获得该检测点的平行于工作面长度方向的水平应力以及垂直应力，那么，该水平应力即为最大主应力，该垂直应力即为最小主应力。
根据该最大主应力和该最小主应力即可绘制出该检测点的应力圆，以此类推，可获得巷道围岩中岩体四周的多个检测点对应的多个应力圆。
在步骤S130中，在同一坐标系下绘制所述强度曲线和所述至少一应力圆。
在一示例实施方式中，根据上述获得强度曲线和应力圆在同一坐标系下绘出。例如，可先将该巷道围岩中岩体的强度曲线输入一数据分析模块，数据分析模块在获取每一检测点的最大主应力和最小主应力，根据最大主应力和最小主应力的实时数据在同一坐标系下转化出多个应力圆。
在步骤S140中，判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置。
在一示例实施方式中，若应力圆在莫尔包络线以内，则说明该检测点处的岩体未发生破坏，其应力状态是安全的。如果应力圆与莫尔包络线相交，则该检测点处的岩体可能产生了破坏，则该位置的应力状态是危险的。如果应力圆恰好与莫尔包络线相接触，则检测点处的岩体刚好处于极限状态。
在一实施方式中，如果应力圆在莫尔包络线以内，本发明的方法进一步包括：至少一应力圆的其中一个与强度曲线之间界定一最短距离(应力圆上的点至强度曲线的最短长度即为该最短距离)，当最短距离大于等于一第一预设距离时，巷道为第一稳定状态；当最短距离小于第一预设距离且大于等于一第二预设距离时，巷道为第二稳定状态；当最短距离小于第二预设距离时，巷道为第三稳定状态；其中，第一预设距离大于第二预设距离，第一稳定状态、第二稳定状态和第三稳定状态的稳定性逐渐降低。
在一实施方式中，举例来说，第一预设距离可以介于(σ1-σ3)/2～(σ1-σ3)，即第一预设距离可以介于应力圆的半径至直径之间，第二预设距离可以介于(σ1-σ3)/3～(σ1-σ3)/2，即第二预设距离可以介于三分之一直径至二分之一直径之间。当然，在其他实施方式中，本领域技术人员可以根据岩体的性质对第一和第二预设距离作出相应的调整。
在本实施方式中，在应力圆与强度曲线之间界定一最短距离，并根据该最短距离划分为不同等级。例如，当最短距离大于上述的第一预设距离时，则表明巷道围岩中岩体为安全状态；当最短距离介于第二预设距离和第一预设距离之间时，则表明巷道围岩中岩体为较安全状态；当最短距离小于第二预设距离时，则表明巷道围岩中岩体为易破坏状态。
进一步地，还可以根据不同等级发出不同警报。例如，当最短距离大于上述的第一预设距离时，报警系统不发出警报；当最短距离介于第二预设距离和第一预设距离之间时，报警系统发出黄色警报；当最短距离小于第二预设距离时，报警系统发出红色警报。
当然，在其他实施方式中，报警系统也可根据不同危险程度而发出不同的声音，此处不再详细说明。
下面结合附图介绍煤矿开采的各阶段中巷道围岩中岩体的稳定性分析。
a.原始应力状态
在距地面深度为H处的煤层与顶板岩层交界面上取一个单元体P(图未示)进行分析。煤层未被开采之前，P点处于原岩应力状态。P点处的最大主应力为平行于工作面长度方向，P点处的最小主应力为垂直应力，令最大主应力和最小主应力分别为σ1 0和σ3 0，则在原始应力状态下P点的应力状态如图3所示。如图所示，其应力圆全部位于莫尔包络线的内侧，则在此阶段，岩体中应力状态是安全的，岩体不会发生破坏，岩体变形几乎察觉不到。
b.巷道开挖后应力状态
当巷道开挖后，巷道表面的围岩暴露出来，P点的垂直应力变为0，即最小主应力变为0，而最大主应力为水平方向的，故应力值没有明显变化。令最大主应力和最小主应力分别为σ1 1和σ3 1，则巷道开挖后P点的应力状态如图4所示。如图所示，在煤层开挖以后，由于最小主应力减小，而最大主应力无明显变化，则最大主应力和最小主应力之间的差值变大，导致P点最大应力圆直径明显变大，就会出现应力圆与莫尔包络线相交的情况发生，即应力圆超出了包络线的范围。如果这种状态得不到及时有效的控制，巷道可能很快产生破坏和大变形。因此，巷道围岩暴露出来以后，锚杆和锚索等支护措施应该尽可能快的被采取，使围岩恢复受力平衡状态。
c.巷道支护后应力状态
巷道支护的主要作用之一是给巷道开挖后暴露的自由面施加支护力，从而使P点的最小主应力从0增加到一数值。当然，如果巷道支护能够使P点的最小主应力重新回到原始应力状态对应的最小主应力σ3 0才是最好的，但这是理想状态，现实是很难实现的。在最大主应力未产生明显变化的情况下，令最大主应力和最小主应力分别为σ1 2和σ3 2，σ3 2介于0和原始应力状态对应的最小主应力σ3 0之间，σ1 2与σ1 1几乎相等，那么巷道支护后P点的应力状态可以如图5所示。由图可知，应力圆与莫尔包络线相切，由此可知，σ3 2即为巷道支护力的临界值，当支护力大于该临界值时，那么σ3 2与σ1 2之间的差值变小，则应力圆直径变小，应力圆就会位于包络线以内；相反，应力圆就会超出包络线，巷道便会产生破坏。
通过本发明的分析方法即可获得巷道支护的临界值，从而使支护强度设计合理，避免支护力过大造成浪费，或支护力不够导致的巷道破坏。
另外，本发明的分析方法通过应力圆的大小的变化，还可实时监测巷道支护后的支护力的变化，为后续相关措施提供支撑。
d.工作面前方采动压力影响下应力状态
巷道形成并完成支护以后，会进入很长时间的稳定期。直到工作面开采期间，工作面前方一定范围内会受到剧烈的采动压力影响。P点位置竖直方向上的应力主要受支护强度影响，故最小主应力的大小无明显变化。采动压力主要对最大主应力产生影响，即采动压力越大，最大主应力就越大。令最大主应力和最小主应力分别为σ1 3和σ3 3，则工作面前方采动压力影响下P点的应力状态如图6所示。在这一状态下，工作面前方采动压力越大，σ1 3就越大，最大应力圆的直径就越大，巷道围岩产生破坏的风险以及巷道变形就越大。
综上所述，本发明的巷道稳定性的分析方法的优点和有益效果在于：
本发明通过获得岩体的应力状态，并将其与岩体的强度相比较，进而判断岩体是否发生破坏，相比于以往通过宏观结构受力平衡和变形来判断巷道的稳定性，本发明能够更加及时、准确的判断巷道的稳定性，有利于尽早采取相应的控制措施，降低安全事故发生的风险。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的巷道稳定性的分析方法仅仅是采用本发明的原理的一个示例。本领域的普通技术人员应当清楚地理解，本发明的原理并非仅限于附图中示出或说明书中描述的装置的任何细节或任何部件。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种巷道稳定性的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获得巷道围岩中岩体的强度曲线；
获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆；其中，一个所述检测点对应一个所述应力圆；
在同一坐标系下绘制所述强度曲线和所述至少一应力圆；
判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置。
2.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
若所述至少一应力圆中的其中一个与所述强度曲线相交或相切，则对该应力圆对应的所述检测点的所述巷道进行支护，直到所述支护的强度能够使所述应力圆远离所述强度曲线，不再继续增加支护强度。
3.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
若所述至少一应力圆均位于所述强度曲线以内，则不对所述巷道进行支护。
4.根据权利要求3所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述判断所述至少一应力圆与所述强度曲线的相对位置，包括：
所述至少一应力圆的其中一个与所述强度曲线之间界定一最短距离，当所述最短距离大于等于一第一预设距离时，所述巷道为第一稳定状态；
当所述最短距离小于所述第一预设距离且大于等于一第二预设距离时，所述巷道为第二稳定状态；
当所述最短距离小于所述第二预设距离时，所述巷道为第三稳定状态；
其中，所述第一预设距离大于所述第二预设距离，所述第一稳定状态、所述第二稳定状态和所述第三稳定状态的稳定性逐渐降低。
5.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述获得巷道围岩中岩体的强度曲线，包括：
采集所述巷道围岩中岩体做成试件，通过三向压缩实验获得所述强度曲线。
6.根据权利要求5所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述采集所述巷道围岩中岩体做成试件，通过三向压缩实验获得所述强度曲线，包括：
根据公式
Figure FDA0002398254290000021
绘制所述强度曲线，
其中，τ表示曲线上任意一点的剪应力，σ表示该点对应的正应力，c表示岩体的内聚力，
Figure FDA0002398254290000022
表示内摩擦角。
7.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述获得巷道围岩中岩体至少一检测点的至少一应力圆，包括：
获得每个所述检测点的一最大主应力和一最小主应力；
在σ-τ直角坐标系内，根据每个所述检测点的所述最大主应力和所述最小主应力绘制至少一所述应力圆。
8.根据权利要求7所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述获得每个所述检测点的一最大主应力和一最小主应力，包括：
在所述检测点处布置一应力传感器，所述应力传感器用于监测所述检测点处的水平应力和垂直应力；
所述水平应力即为所述最大主应力，所述垂直应力即为所述最小主应力。
9.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述至少一检测点为多个，多个所述检测点均匀布置在所述巷道四周的岩体中。
10.根据权利要求1所述的巷道稳定性的分析方法，其特征在于，所述方法应用于以下一个或多个煤矿开采过程：
巷道开挖后、巷道支护后、工作面开采过程中和定向切顶后。
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