CN112097724A - 一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法 - Google Patents

一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，通过每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形及分析不同表面变形速度；确定评价巷道表面变形速度减缓程度指标并量化确定临界容许值；比较评价巷道表面变形速度减缓程度指标实测值与临界容许值，早期及时判别软弱煤岩稳定性，本发明涉及巷道围岩“失稳”判别技术领域。该深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，解决了现有巷道煤岩稳定性判别过程中对于巷道煤岩变形量存在偏差，造成后期需要被动修复，降低巷道掘进速度、增加支护成本，提高安全隐患的问题。

Description

一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法
技术领域
本发明涉及巷道围岩失稳判别技术领域，具体为一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法。
背景技术
深部软岩煤岩巷道围岩变形失稳广泛存在，但围岩变形“失稳”有时间过程，一般围岩变形“失稳”需经过快速减速阶段、缓慢减速阶段以及加速阶段后才产生变形失稳。从巷道开挖到深部软弱煤岩产生明显变形失稳一般需150天～180天以上，有时更长甚至超过1年，目前工程中一般通过拉线法测量巷道表面变形并与确定的临界容许值比较来判断煤岩变形稳定性，但如果测点布置距离掘进工作面较近，即巷道掘进成形较短时间(一般不超过10d)，掘进工序如喷浆、装岩等对测点位置变形观测影响较大，巷道煤岩前期变形难以进行观测，工程测得的煤岩变形值比实际变形值明显减少，同时由于煤岩变形达到临界容许值所需时间较长，煤岩变形达到容许临界值时巷道已经“失稳”，只能采用返修才能保持煤岩变形稳定。煤岩变形快速减速阶段所需时间较短，一般不超过20天，如果能在快速减速阶段结束后较短时间即对煤岩变形“失稳”趋势进行及时判别，就可以提前选择合理支护保持煤岩变形稳定，避免软弱煤岩后期“失稳”形成前掘后修带来的支护成本显著增加、掘进效率显著降低以及安全问题。本发明通过实测巷道掘进初期(10～30)天不同时点深部软弱煤岩巷道重点部位巷道表面变形，通过分析相邻时点巷道表面变形速度比值并作为巷道表面变形速度减缓程度评价指标，确定其容许临界值，依此在巷道变形初期即对软弱煤岩稳定性进行判别并及时调整支护保持软弱煤岩稳定，保证了深部软弱煤岩巷道快速安全掘进。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，解决了现有巷道煤岩稳定性判别过程中对于巷道煤岩变形量存在偏差，造成后期需要被动修复，降低巷道掘进速度、增加支护成本，提高安全隐患的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，包括以下步骤：
(1)通过每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形及分析不同表面变形速度；
(2)确定评价巷道表面变形速度减缓程度指标并量化确定临界容许值；
(3)比较评价巷道表面变形速度减缓程度指标实测值与临界容许值，早期及时判别软弱煤岩稳定性。
优选的，所述步骤(1)主要是通过工程中常用的位移传感器在巷道掘进初期对关键部位巷道表面变形△u进行观测，分析不同时点关键部位巷道表面变形速度主要是按＝△u/2作为各时点关键部位巷道表面变形速度v。
根据权利要求2所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：采用每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形，主要考虑如果每天煤岩变形量较小(小于mm量级)而多点位移计测量精度为mm量级就会产生较大误差。
优选的，所述步骤(2)中对于巷道表面变形速度减缓程度在巷道开挖初期对软弱煤岩稳定性进行及时判别主要包括以第N个时点关键部位巷道表面变形速度VN与第N-1个时点关键部位巷道表面变形速度VN-1比值作为第N点巷道表面变形速度减缓程度评价指标，即以k值
Figure BDA0002502564410000021
作为评价指标。当k≥k容许时可判别巷道围岩变形有“失稳”趋势，k容许＝(0.9～0.95)，具体取值根据煤岩岩性确定，粘结力及内摩擦角较小时取大值，反之取小值。
优选的，所述步骤(3)中对于比较评价巷道表面变形速度减缓程度指标实测值与临界容许值主要包括深部软弱煤岩巷道关键部位表面变形速度减缓程度评价指标k值呈现k≥k容许的时点(一般满足10天≤t≤30天)，即在巷道开挖初期t≤30天即可对围岩变形稳定性趋势进行及时判别，同时也可不必在巷道开挖完成立即观测围岩表面变形，避免对巷道工程施工产生影响。
优选的，所述深部软弱煤岩包括巷道埋深H≥800m，围岩粘结力c＝(0.7～1.0)MPa、内摩擦角φ＝(18°～22°)。
有益效果
本发明提供了一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法。具备以下有益效果：
该深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，通过确定煤岩粘结力c、内摩擦角φ等力学参数以及巷道易于“失稳”关键部位基础上，通过多点位移计每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形△u，按照V＝△u/2分析各时点关键部位巷道表面变形速度V，以相邻时点软弱煤岩巷道表面变形速度VN-1、VN的比值作为第N点巷道表面变形速度减缓程度评价指标，即以k值
Figure BDA0002502564410000031
作为评价指标。当k≥k容许时可判别巷道围岩变形有“失稳”趋势，k容许＝(0.9～0.95)，具体取值根据煤岩粘结力c及内摩擦角φ确定。由于该方法主要是在巷道开挖初期t≤30天时段内进行，做到了早期对煤岩变形稳定性趋势进行及时判别，同时可在巷道开挖t≥10天后观测围岩表面变形，避免对巷道工程施工产生影响。
附图说明
图1为十字拉线法测量巷道表面变形测量装置；
图2为本发明测量巷道表面变形测量装置结构示意图。
图中：1.1多点位移计固定装置、1.2钢丝绳、1.32数据记录器、3数据分析仪。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，包括根据实验室及现场实测结合现场地质资料，确定煤岩粘结力c、内摩擦角φ等煤岩力学参数，根据理论分析及数值模拟，确定典型巷道断面易于“失稳”重点部位，如图2所示，在深部软岩巷道易于“失稳”重点部位钻孔，钻孔深度超过10m，接近钻孔底部布置多点位移计固定装置1.1并与钢丝绳1.2一端连接，钢丝绳1.2另一端与数据记录器2连接，数据记录器2与数据分析仪3连接。数据记录器2每2天记录1次多点位移计钢丝绳长度变化△L，该值即为重点部位巷道表面变形值△u，数据分析仪3按V＝△u/2作为各时点重点部位巷道表面变形速度V，记录不同时点V1，V2......VN-1,VN；数据分析仪3以第N时点重点部位巷道表面变形速度VN与第N-1时点巷道表面变形速度VN-1比值作为重点部位巷道表面变形速度变化减少快慢系数k值即
Figure BDA0002502564410000041
定义其容许临界值为k容许，当k≥k容许时可判别巷道软弱煤岩变形有“失稳”趋势。
以淮北矿区袁一矿东翼回风大巷为例，巷道埋深约750m，掘进长度约3400m，掘进过程中穿越一段软弱煤岩。巷道断面及支护如图1，设计支护形式为锚网索喷，巷道净宽×净高＝5200×4200mm。支护参数：支护锚杆采用GM22/2800-490螺纹钢高强锚杆，锚杆长度2800mm，锚杆间排距为800×800mm，锚杆预紧力60kN，每排15根，矩形布置；锚索规格YMS17.8/6300-1860，每排4根，锚索预紧力120kN。
原巷道煤岩稳定性判别方法：
采用十字拉线法测量巷道两帮及顶底表面变形，测点布置如图1，以巷道拱基线位置为巷道易于“失稳”关键部位，以巷道表面变形值作为煤岩稳定性判别标准，取临界容许值u容许＝200mm。由于巷道掘进初期前10天掘进喷浆、装岩等工序对测点位置变形测量影响较大，无法进行正常测量工作，从巷道掘进工作面形成11天开始进行巷道表面变形观测，待180天左右巷道表面变形才达到容许临界值，此时巷道表面已有明显开裂，锚杆已有明显拉断，二次修复工程量及难度较大，具有明显安全隐患，修复过程中不得不停止巷道正常掘进，影响巷道掘进速度及掘进工效。究其原因，主要是巷道掘进前期10天煤岩变形量并未实测，而该变形量较大不能忽略，实际巷道煤岩变形量已明显超过临界容许值u容许＝200mm，同时巷道表面变形达到临界容许值时实际已经产生显著松动破碎，煤岩变形“失稳”已经形成，后期只能“被动”修复，显著降低巷道掘进速度，增加了支护成本，安全隐患剧增。
本发明煤岩稳定性判别方法：
采用多点位移计测量巷道表面变形，如图2，以巷道拱基线位置为巷道易于“失稳”关键部位，关键部位钻孔并布置多点位移计，每隔2天记录钢丝绳长度变化并作为巷道表面变形值△u，按照V＝△u/2分析各时点关键部位巷道表面变形速度V，以相邻时点软弱煤岩巷道表面变形速度VN-1、VN的比值作为第N点巷道表面变形速度减缓程度评价指标，即定义
Figure BDA0002502564410000051
作为评价指标，通过工程实测该段巷道煤岩粘结力c≈1.0MPa、内摩擦角φ＝22°，取k容许＝0.9。巷道掘进10天后钻孔布置多点位移计，根据工程实测结果，观测12天后即巷道掘进22天后工程实测k值达到临界容许值k容许＝0.9，以此判别煤岩变形有“失稳”趋势，但巷道表面无明显征兆，对于已掘巷道及时在两根锚杆之间补打锚杆并增加锚杆预紧力F＝80kN，待掘巷道锚杆间排距调整为500×500mm并调整锚杆长度L＝1800mm、预紧力F＝80kN，后期观测结果表明巷道煤岩变形稳定，无需二次修复，保证巷道正常掘进，提高掘进速度和效率，降低巷道掘进成本，保证了安全掘进。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形及分析不同表面变形速度；
(2)确定评价巷道表面变形速度减缓程度指标并量化确定临界容许值；
(3)比较评价巷道表面变形速度减缓程度指标实测值与临界容许值，早期及时判别软弱煤岩稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：所述步骤(1)主要是通过工程中常用的位移传感器在巷道掘进初期对关键部位巷道表面变形Δu进行观测，分析不同时点关键部位巷道表面变形速度v,按
Figure FDA0002502564400000012
作为各时点关键部位巷道表面变形速度V。
3.根据权利要求2所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：采用每隔2天测量不同时点关键部位软弱煤岩巷道表面变形，主要考虑如果每天煤岩变形量较小(小于mm量级)而多点位移计测量精度为mm量级就会产生较大误差。
4.根据权利要求1所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：所述步骤(2)中对于巷道表面变形速度减缓程度在巷道开挖初期对软弱煤岩稳定性进行及时判别主要包括以第N个时点关键部位巷道表面变形速度VN与第N-1个时点关键部位巷道表面变形速度VN-1比值作为第N点巷道表面变形速度减缓程度评价指标，即以k值
Figure FDA0002502564400000011
作为评价指标，当k≥k容许时可判别巷道围岩变形有“失稳”趋势，k容许＝0.18～0.20，具体取值根据煤岩岩性确定，粘结力及内摩擦角较小时取大值，反之取小值。
5.根据权利要求1所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：所述步骤(3)中对于比较评价巷道表面变形速度减缓程度指标实测值与临界容许值主要包括深部软弱煤岩巷道关键部位表面变形速度减缓程度评价指标k值呈现k≥k容许的时点(一般满足10天≤t≤30天)，即在巷道开挖初期t≤30天即可对围岩变形稳定性趋势进行及时判别，同时也可不必在巷道开挖完成立即观测围岩表面变形，避免对巷道工程施工产生影响。
6.根据权利要求1所述的一种深部软弱煤岩稳定性早期判别方法，其特征在于：所述深部软弱煤岩包括巷道埋深H≥800m，围岩粘结力c＝(0.7～1.0)MPa、内摩擦角φ＝(18°～22°)。
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