CN114777729A - 一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法和系统。该方法包括：沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线‑弹簧装置；确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及绞线‑弹簧装置的初始位置、终止位置；根据预设监测点处的初始位置、预设监测点处的终止位置、以及绞线‑弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。籍此，能够对巷道的受扭剪曲面破坏进行预测，更贴近巷道开挖现场实际，得到巷道开挖后应力场偏转的真实情况，使得巷道开挖支护更加具有针对性，有助于判断出巷道受力集中或复杂的关键位置，提前预警，进行超前补强支护。

Description

一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法和系统
技术领域
本申请涉及煤矿巷道支护技术领域，特别涉及一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法和系统。
背景技术
煤矿等资源对经济的发展具有重要作用，但随着煤炭浅部资源的枯竭，煤炭开采深度、强度的不断增加，在巷道开挖后，表面易发生位移偏转、扭转破坏。
在现场进行巷道返修时，发现巷道中锚杆及锚杆索在使用过程中容易出现屈曲、扭剪变形等，这说明巷道开挖后出现的失稳破坏是一种扭剪破坏，但是，目前针对巷道开挖后的受力、变形的监测，主要集中在平面内，导致对巷道稳定性评价不足。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，包括：步骤S101、沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，所述绞线弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；步骤S102、确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；其中，所述预设监测点包括：拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱脚、右拱脚；步骤S103、根据所述预设监测点处的初始位置、所述预设监测点处的终止位置、以及所述绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
优选的，在步骤S102中，以巷道的监测断面的拱顶正下方底板处为基准点G，确定预设监测点处的初始位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置；其中，所述预设监测点处的初始位置包括：所述拱顶的初始位置H0、所述左拱肩的初始位置Z0、所述右拱肩的初始位置Y0、巷道的左拱脚的初始位置K0、巷道的右拱脚的初始位置V0，所述绞线-弹簧装置的初始位置包括：左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0。
优选的，在步骤S102中，响应于巷道开挖后，巷道的位移变化率小于预设位移阈值，确定所述预设监测点处的终止位置，以及所述绞线-弹簧装置的终止位置；其中，所述预设监测点处的终止位置包括：所述拱顶的终止位置H1、所述左拱肩的终止位置Z1、所述右拱肩的终止位置Y1、所述左拱脚的终止位置K1、所述右拱脚的终止位置V1；所述绞线-弹簧装置的终止位置包括：左端点的终止位置ZJ1、右端点的终止位置ZT1。
优选的，在步骤S103中，按照公式：
Figure BDA0003654890880000021
确定所述巷道的轴向位移偏转角θ0；其中，A表示所述绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0的距离；B表示所述绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、空间位置ZJ2的距离；C表示右端点的初始位置ZT0、所述空间位置ZJ2的距离；所述空间位置ZJ2为所述绞线-弹簧装置的右端点的终止位置ZT1拟合到右端点初始位置ZT0处时，左端点的终止位置ZJ1相对应的拟合位置。
优选的，在步骤S103中，按照公式：
Figure BDA0003654890880000022
确定所述巷道的水平位移偏转角θ1；
其中，D表示交点O与所述右拱脚的初始位置V0的距离；F表示所述交点O与所述右拱脚的终止位置V1的距离；E表示所述右拱脚的终止位置V1和所述右拱脚的初始位置V0的距离；所述交点O为所述左拱脚的终止位置K1、所述右拱脚的终止位置V1的连线与所述左拱脚的初始位置K0、所述右拱脚的初始位置V0的连线的交点。
优选的，在步骤S103中，按照公式：
Figure BDA0003654890880000031
确定巷道的垂直位移偏转角θ2；其中，W表示所述拱顶的初始位置H0与所述基准点G的距离；Y表示所述拱顶的终止位置H1与所述基准点G的距离；Z表示所述拱顶的初始位置H0与所述拱顶的终止位置H1的距离。
优选的，在步骤S103之后，还包括：沿巷道轴向，将巷道划分为N段，对每一段均执行步骤S101至步骤S103，对得到每一段的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角进行拟合得到巷道的整体偏转角；其中，N为正整数。
优选的，所述绞线-弹簧装置包括多个依次交替首尾相连的绞线部和弹簧部，所述绞线部的长度大于所述弹簧部的长度，所述弹簧部的下沉量小于预设下沉阈值。
优选的，所述左拱脚的初始位置K0和所述右拱脚的初始位置V0位于同一水平直线上。
本申请实施例还提供一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析系统，包括：安装单元，配置为沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，所述绞线-弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；位置记录单元，配置为确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；偏转角计算单元，配置为根据所述预设监测点处的初始位置、所述预设监测点处的终止位置、以及所述绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
有益效果：
本申请提供的技术方案中，首先，沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，所述绞线-弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；然后，通过确定的巷道预设监测点处的初始位置、终止位置以及布置的绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置，计算巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。籍此，能够对巷道的受扭剪曲面破坏进行预测，更贴近巷道开挖现场实际，得到巷道开挖后应力场偏转的真实情况，使得巷道开挖支护更加具有针对性，有助于判断出巷道受力集中或复杂的关键位置，提前预警，进行超前补强支护。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的绞线-弹簧装置的结构示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的巷道局部应力场偏转测试示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的对巷道进行等间距划分后进行应力偏转场测试的示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
目前，在巷道开挖后，对巷道进行受力、变形监测时，无论是从理论分析，还是数值模拟的角度，都是单一的沿着巷道轴向、或者，垂直于巷道轴向来对受力、变形进行分析，并未涉及到从应力场偏转即扭剪破坏来考虑，使得对巷道开挖的真实受力和变形缺乏较为全面的认识，无法形成一种有效的巷道开挖稳定性评价。
为此，申请人提出一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析技术，通过确定的巷道预设监测点处的初始位置、终止位置以及布置的绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置，计算巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角，从三维立体角度以解决目前针对巷道开挖现场主要集中在平面变形监测，基于单一的沿着巷道轴向、或者垂直于巷道轴向来进行分析受力和变形，导致对巷道稳定性评价不足的问题。
如图1-图4所示，该巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法包括：
步骤S101、沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，绞线-弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；
在本申请中，绞线-弹簧装置包括多个依次交替首尾相连的绞线部和弹簧部，绞线部的长度大于弹簧部的长度，弹簧部的下沉量小于预设下沉阈值。
具体的，绞线-弹簧装置采用对弹簧进行微分(小段)的形式与绞线交替依次首尾连接，使用过程中，将绞线-弹簧装置在左拱肩(右拱肩)处紧贴巷道内壁，沿轴向设置，籍此，既保证了绞线-弹簧装置具有足够的伸缩变形量，能够随巷道的扭剪变形而变形；同时，利用绞线对弹簧的固定作用，又避免了每节微分弹簧因重力过大而产生的下沉量，有利于真实反映监测点的应力偏转情况。可以理解，还可以在巷道的其它监测点处设置绞线-弹簧装置，在此，在左拱肩、右拱肩处设置绞线-弹簧装置并非对巷道监测的限定。
步骤S102、确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；其中，预设监测点包括：拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱脚、右拱脚；
具体的，以巷道的监测断面的拱顶正下方底板处为基准点G，确定预设监测点处的初始位置以及绞线-弹簧装置的初始位置；其中，预设监测点处的初始位置包括：拱顶的初始位置H0、左拱肩的初始位置Z0、右拱肩的初始位置Y0、巷道的左拱脚的初始位置K0、巷道的右拱脚的初始位置V0，绞线-弹簧装置的初始位置包括：左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0。
响应于巷道开挖后，巷道的位移变化率小于预设位移阈值，确定预设监测点处的终止位置，以及绞线-弹簧装置的终止位置；其中，预设监测点处的终止位置包括：拱顶的终止位置H1、左拱肩的终止位置Z1、右拱肩的终止位置Y1、左拱脚的终止位置K1、右拱脚的终止位置V1；绞线-弹簧装置的终止位置包括：左端点的终止位置ZJ1、右端点的终止位置ZT1。
在此，在巷道开挖前，在监测断面的拱顶正下方的底板处(基准点G，即巷道的监测断面的圆心处)固定安装三维探测扫描仪，通过三维探测扫描仪对预设监测点处的初始位置进行监测。同样的，巷道开挖稳定后，即巷道的位移变化了小于预设位移阈值后，通过三维探测扫描仪，确定预设监测点处的终止位置。
其中，对于岩巷，在巷道的位移变化率小于2mm/d(天)时，认为巷道开挖稳定；对于煤巷，在巷道的位移变化率小于5mm/d(天)时，认为巷道开挖稳定。
除了三维探测扫描仪可以确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置，当然还可以采用其它监测手段或方法对巷道预设监测点处的初始位置、终止位置进行监测，本申请对此并不进行限定。
步骤S103、根据预设监测点处的初始位置、预设监测点处的终止位置、以及绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
具体的，按照公式(1)确定巷道的轴向位移偏转角θ0。公式(1)如下：
Figure BDA0003654890880000071
其中，A表示绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0的距离；B表示绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、空间位置ZJ2的距离；C表示右端点的初始位置ZT0、空间位置ZJ2的距离；空间位置ZJ2为绞线-弹簧装置的右端点的终止位置ZT1拟合到右端点初始位置ZT0处时，左端点的终止位置ZJ1相对应的拟合位置。
按照公式(2)确定巷道的水平位移偏转角θ1。公式(2)如下：
Figure BDA0003654890880000072
其中，D表示交点O与右拱脚的初始位置V0的距离；F表示交点O与右拱脚的终止位置V1的距离；E表示右拱脚的终止位置V1和右拱脚的初始位置V0的距离；交点O为左拱脚的终止位置K1、右拱脚的终止位置V1的连线与左拱脚的初始位置K0、右拱脚的初始位置V0的连线的交点。
在本申请中，通过设置左拱脚的初始位置K0和右拱脚的初始位置V0位于同一水平直线上，实现对巷道水平位移偏转角的监测，将巷道水平位移偏转角的监测在水平面内进行，有效的降低了了巷道水平位移偏转角监测的难度，提高了巷道水平位移偏转角监测的便捷性。
按照公式(3)确定巷道的垂直位移偏转角θ2。公式(3)如下：
Figure BDA0003654890880000073
其中，W表示拱顶的初始位置H0与基准点G的距离；Y表示拱顶的终止位置H1与基准点G的距离；Z表示拱顶的初始位置H0与拱顶的终止位置H1的距离。
籍此，通过三维探测扫描仪、绞线-弹簧装置的相互配合实现巷道的轴向、水平、垂直偏转的有效监测，从三维立体角度对巷道进行受力、变形分析，有效解决针对巷道开挖现场主要集中在平面变形监测，巷道稳定性评价不足的问题，提高巷道稳定性评价的精度。
在本申请中，通过对巷道进行等间距划分，对划分的每一段巷道均采用步骤S101至步骤S103的方法进行计算，得到每一段巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。具体的，在步骤S103之后，该巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法还包括：
步骤S104、沿巷道轴向，将巷道划分为N段，对每一段均执行步骤S101至步骤S103，对得到每一段的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角进行拟合得到巷道的整体偏转角。
其中，N为正整数。
本申请中，巷道进行等间距划分，每一段巷道的长度为L/N,其中，L表示整个巷道的长度。将每一段巷道初始位置为临界点，将每一段巷道相同位置处的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角进行比较，定义顺时针转动的角度为正值，逆时针转动的角度为负值，相邻两端巷道进行拟合，最终得到巷道的整体偏转角。拟合完毕的整个巷道呈现出S形的受扭转趋势，真实的反映出了巷道开挖后应力场偏转的真实情况，有利于进行理论分析、数值模拟，更加贴近现场实际，可以更好的指导现场进行作业。
如图5所示，本申请实施例提供的巷道开挖后应力场偏转的测试分析系统包括：安装单元501、位置记录单元502和偏转角计算单元503。安装单元501配置为沿到轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，绞线-弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；位置记录单元502配置为确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；偏转角计算单元503配置为根据预设监测点处的初始位置、预设监测点处的终止位置以及绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
本申请实施例提供的巷道开挖后应力场偏转的测试分析系统能够实现上述任一实施例的巷道开外后应力场偏转的测试分析方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不在一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，包括：
步骤S101、沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，所述绞线弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；
步骤S102、确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；其中，所述预设监测点包括：拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱脚、右拱脚；
步骤S103、根据所述预设监测点处的初始位置、所述预设监测点处的终止位置、以及所述绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
2.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S102中，
以巷道的监测断面的拱顶正下方底板处为基准点G，确定预设监测点处的初始位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置；其中，所述预设监测点处的初始位置包括：所述拱顶的初始位置H0、所述左拱肩的初始位置Z0、所述右拱肩的初始位置Y0、巷道的左拱脚的初始位置K0、巷道的右拱脚的初始位置V0，所述绞线-弹簧装置的初始位置包括：左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0。
3.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S102中，
响应于巷道开挖后，巷道的位移变化率小于预设位移阈值，确定所述预设监测点处的终止位置，以及所述绞线-弹簧装置的终止位置；其中，所述预设监测点处的终止位置包括：所述拱顶的终止位置H1、所述左拱肩的终止位置Z1、所述右拱肩的终止位置Y1、所述左拱脚的终止位置K1、所述右拱脚的终止位置V1；所述绞线-弹簧装置的终止位置包括：左端点的终止位置ZJ1、右端点的终止位置ZT1。
4.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S103中，
按照公式：
Figure FDA0003654890870000021
确定所述巷道的轴向位移偏转角θ0；
其中，A表示所述绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、右端点的初始位置ZT0的距离；B表示所述绞线-弹簧装置的左端点的初始位置ZJ0、空间位置ZJ2的距离；C表示右端点的初始位置ZT0、所述空间位置ZJ2的距离；所述空间位置ZJ2为所述绞线-弹簧装置的右端点的终止位置ZT1拟合到右端点初始位置ZT0处时，左端点的终止位置ZJ1相对应的拟合位置。
5.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S103中，
按照公式：
Figure FDA0003654890870000022
确定所述巷道的水平位移偏转角θ1；
其中，D表示交点O与所述右拱脚的初始位置V0的距离；F表示所述交点O与所述右拱脚的终止位置V1的距离；E表示所述右拱脚的终止位置V1和所述右拱脚的初始位置V0的距离；
所述交点O为所述左拱脚的终止位置K1、所述右拱脚的终止位置V1的连线与所述左拱脚的初始位置K0、所述右拱脚的初始位置V0的连线的交点。
6.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S103中，
按照公式：
Figure FDA0003654890870000031
确定巷道的垂直位移偏转角θ2；
其中，W表示所述拱顶的初始位置H0与所述基准点G的距离；Y表示所述拱顶的终止位置H1与所述基准点G的距离；Z表示所述拱顶的初始位置H0与所述拱顶的终止位置H1的距离。
7.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，在步骤S103之后，还包括：
沿巷道轴向，将巷道划分为N段，对每一段均执行步骤S101至步骤S103，对得到每一段的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角进行拟合得到巷道的整体偏转角；其中，N为正整数。
8.根据权利要求1所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，所述绞线-弹簧装置包括多个依次交替首尾相连的绞线部和弹簧部，所述绞线部的长度大于所述弹簧部的长度，所述弹簧部的下沉量小于预设下沉阈值。
9.根据权利要求1-8任一所述的巷道开挖后应力场偏转的测试分析方法，其特征在于，所述左拱脚的初始位置K0和所述右拱脚的初始位置V0位于同一水平直线上。
10.一种巷道开挖后应力场偏转的测试分析系统，其特征在于，包括：
安装单元，配置为沿巷道轴向，在巷道内的左拱肩、右拱肩处分别布置绞线-弹簧装置；其中，所述绞线-弹簧装置用于对巷道的轴向位移偏转角进行监测；
位置记录单元，配置为确定巷道的预设监测点处的初始位置、终止位置以及所述绞线-弹簧装置的初始位置、终止位置；
偏转角计算单元，配置为根据所述预设监测点处的初始位置、所述预设监测点处的终止位置、以及所述绞线-弹簧装置的初始位置和终止位置，确定巷道的轴向位移偏转角、水平位移偏转角和垂直位移偏转角。
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