CN116882012B - 深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法 - Google Patents

深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及巷道底鼓技术领域，用于解决现有的对深部软岩巷道底鼓的研究手段较为单一，且容易忽略不同岩性影响巷道帮部及底板围岩受力和变形破坏情况，无法做到对不同岩性巷道底板围岩稳定性的分析与研究，还难以做到对不同条件巷道围岩底鼓特征的研究，导致无法对深部巷道底鼓影响因素及特征的准确分析，无法保证煤矿巷道的稳定运行的问题，具体为深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法。本发明，通过精确的实测手段结合数值模拟软件分析深部软岩巷道底鼓影响因素，为不同条件下的巷道支护提供依据。

Description

深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法
技术领域
本发明涉及巷道底鼓技术领域，具体为深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法。
背景技术
随着深部煤矿开采深度不断增加，巷道底鼓变形日趋严重，分析深部软岩巷道底鼓影响因素尤为关键。
虽然现在对巷道底鼓机理和防治问题进行了大量的实验探索，但是仍然存在以下几个方面的问题：
对深部软岩巷道底鼓过程的研究大多数集中于理论分析及数值模拟，研究手段较为单一。深部软岩巷道底鼓实际工程数据不够系统全面，研究深部软岩巷道底板变形特征不够系统完善。
由于围岩岩性的差异，导致底板围岩受到的应力、变形失稳也有所变化。目前关于治理和控制巷道底鼓方面的研究，容易忽略不同岩性影响巷道帮部及底板围岩受力和变形破坏情况，亟需对不同岩性巷道底板围岩稳定性进行分析与研究。
深部巷道围岩特性及其埋深显著影响巷道底鼓特征，目前在不同条件下分析巷道底鼓变形特征不够详细，亟需对不同条件巷道围岩底鼓特征进行研究。
为了解决上述缺陷，现提供一种技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法，包括以下步骤：
步骤一：采集与深部巷道底鼓相关的数据信息，以实际工程条件为基础，建立数值计算模型，并对本构模型的参数进行测定，选取应变软化模型和FLAC3D数值计算软件对深部巷道底鼓因素及特征进行模拟分析；
步骤二：采用声学监测分析并结合巷道底鼓声波特征，对深部巷道底板的典型部位进行选定分析，由此明确巷道典型部位的备选部位；
步骤三：分析不同岩性巷道底板变形特征，包括不同岩性巷道底板松动破碎范围的分析、不同岩性巷道底板变形特征的分析，由此输出不同岩性底板岩性破碎范围，以及输出不同岩性底板与巷道围岩变形程度之间的关系和输出不同岩性下巷道围岩变形主要集中部位，并通过显示终端进行显示说明；
步骤四：分析不同原岩应力巷道底板变形特征，包括不同原岩应力巷道底板破碎范围的分析、不同原岩应力巷道底板变形特征的分析，由此输出不同原岩应力下巷道底板破碎范围，以及输出不同原岩应力与巷道围岩变形程度之间的关系、巷道埋深与巷道围岩变形趋势之间的关系，并通过显示终端进行显示说明；
步骤五：分析不同支护参数巷道围岩变形特征，具体包括：支护反力对巷道围岩变形的分析、锚杆长度对巷道围岩变形的分析和锚杆间排距对巷道底板变形的分析，由此输出巷道顶板及帮部的支护反力与其变形之间的影响关系、锚杆长度与围岩变形之间的影响关系、锚杆间排距与巷道变形之间的影响关系，并通过显示终端进行显示说明。
优选地，所述对本构模型的参数进行测定，其具体测定过程如下：
选取直径为D，高度为H的圆形柱体型试样作为测量试验的标准试样，并采用三轴剪切组合试验仪来测量各类型岩性的力学性能参数，具体的：
给试样一个单位荷载，使得试样在单位荷载作用下发生断裂，并随即停机，然后不断调节油缸的转速，由此生成各类型岩性的应力应变曲线；
依据各类型岩性的应力应变曲线，并由此进行数据分析，依据公式：由此得到对应类型岩性的弹性模量Ei，其中，σia、σib表示为线性阶段a点、b点的应力，εia、εib表示为线性阶段a点、b点的应变，i＝{泥岩，砂质泥岩，粉砂岩}；
依据公式：由此得到对应类型岩性的泊松比λi，其中，εila、εilb表示为a点、b点的纵向应变，εida、εidb表示为a点、b点的横向应变；
将试样放入剪切环中，将剪切盒放在千斤顶的底部，调整剪切盒的轴向压力，并将其记作σ，并让剪切盒与千斤顶接触，然后对试样进行加载，直至岩体破裂，由此得到剪切强度τ，并将剪切强度进行回归拟合，依据剪切强度的变化关系式：由此得到对应类型岩性的粘聚力c和内摩擦角/>
优选地，所述对深部巷道底板的典型部位进行选定分析，其具体分析过程如下：
在巷道内部依次阵列设置若干个声学传感器或麦克风，使得声学传感器或麦克风覆盖整个巷道，由此完成深部巷道底鼓声音的采集；
实时监测影响深部巷道底鼓声音采集的影响信息中的环境噪音值、传播遮挡值和开采工艺值，并将其分别标定为hz、zd和kc，并将三项数据进行综合分析，依据设定的数据模型：efc＝δ1×hz+δ2×zd+δ3×kc，由此得到声音采集的影响因子efc，其中，δ1、δ2和δ3分别为环境噪音值、传播遮挡值和开采工艺值的归一因子，δ1、δ2和δ3均为大于0的自然数；
将影响因子与存储在云数据库中的音频过滤表进行对照匹配分析，由此匹配相应的滤波器，将匹配到的滤波器应用到对应的音频信号上，由此完成声音采集影响的消除，并得到最终的音频信号；
从最终的音频信号中提取若干个特征信号，并将各特征信号与存储在云数据库中的底鼓特征信号相匹配，若提取的特征信号与云数据库中的底鼓特征信号匹配成功，则将该特征信号标定为目标底鼓音频信号，并追踪该目标底鼓音频信号在深部巷道中的位置，并记录位置点，并将其作为巷道典型部位的备选部位。
优选地，所述不同岩性巷道底板松动破碎范围的分析，其具体分析过程如下：
调取煤矿巷道锚杆(索)的基础参数及力学性能参数，调取各类型岩性的力学性能参数，并设置原岩应力P，将各项数据代入应变软化模型中进行分析；
选取同一类型岩性的底板中部和帮部拱基线进行分析，具体的：将巷道帮部拱基线部位记作aA，选取巷道典型部位底板中间部位并记作cC，选取帮部距拱基线0.1m部位并记作bB，并在完成底板和帮部的部位选取后，将原岩应力P、各类型岩性的力学性能参数、煤矿巷道锚杆(索)的基础参数及力学性能参数导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到不同岩性巷道围岩粘聚力分布云图及不同岩性巷道典型部位围岩粘聚力变化曲线图，并将其进行综合分析，由此明确各类型岩性的粘聚力的分布情况，并将其与计算结果相结合，由此得到同一类型岩性的底板中部破碎范围、帮部拱基线破碎范围，以及明确同一类型岩性巷道帮部拱基线围岩破碎范围与其底板中部破碎范围之间的关系；
而围岩粘聚力变化曲线图用于展示各类型岩性随着距离巷道底板表面距离或距离巷道帮部表面距离的变化与其粘聚力之间的关系；
选取不同类型岩性的底板不同部位进行分析，具体的：取巷道底板的cC底板中部、dD距底板中部0.8m、eE距底板中部1.6m、fF距底板中部2.4m，并在完成选取后，将各类数据导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到巷道底板不同部位围岩粘聚力曲线变化图，并将其与计算结果相结合，由此得到不同岩性底板不同部位的岩性破碎范围。
优选地，所述不同岩性巷道底板变形特征的分析，其具体分析过程如下：
取不同岩性下帮部bB和底板cC位置，并监测对应类型岩性的对应位置下的位移量，由此明确不同岩性底板和帮部的位移量与其变形程度状态，并输出不同岩性底板与巷道围岩变形程度之间的关系；
取巷道底板cC、aD、eE、fF位置，再以底板中点为对称轴取点，构建不同岩性下底板不同部位位移变化曲线图及同岩性下底板不同部位位移梯度变化曲线图，由此明确不同岩性下底板表面不同部位的位移及位移梯度特点，并输出不同岩性下巷道围岩变形主要集中部位。
优选地，所述不同原岩应力巷道底板破碎范围的分析，其具体分析过程如下：
改变原岩应力P，并梯度设置4种原岩应力；
依次分析4种原岩应力下的各类型岩性的巷道底板破碎状态，具体的为：以对应类型岩性条件下巷道围岩粘聚力分布云图为依据，取对应类型岩性的底板cC和帮部bB典型位置，由此对对应类型岩性的巷道底板cC和帮部bB典型位置的粘聚力进行分析，计算得出的对应类型岩性的不同原岩应力巷道粘聚力变化曲线图，并由此监测对应类型岩性的对应位置的残余强度；
以监测到的残余强度的范围为松动破碎范围，由此输出不同原岩应力下巷道底板破碎范围，以及输出巷道埋深与围岩松动破碎范围之间的关系。
优选地，所述不同原岩应力巷道底板变形特征的分析，其具体分析过程如下：
梯度选取5种原岩应力，并选取对应类型岩性的底板cC和帮部bB典型位置，并监测不同原岩应力下的对应类型岩性的位移量，并由此构建对应类型岩性的不同原岩应力位移变化曲线图，并输出不同原岩应力与巷道围岩变形程度之间的关系；
以求得的对应类型岩性下底板、帮部围岩位移量、位移梯度为依据，并将其作比分析，由此得到各类型岩性下的底板、帮部表面的位移与位移梯度的比率，由此计算出各类型岩性下各比率变化曲线，并输出底板围岩位移量、位移梯度与帮部围岩位移量、位移梯度之间的关系，并明确在不同围岩岩性条件下，巷道埋深与巷道围岩变形趋势之间的关系；
选取不同类型岩性的距巷道底板及帮部表面0.5m、1m、1.5m位置围岩位移，并比较底板与帮部围岩位移量、位移梯度，计算出在各类型岩性条件下各比率变化曲线，由此输出不同岩性的不同位置巷道深埋与巷道围岩变形趋势之间的关系。
优选地，所述分析不同支护参数巷道围岩变形特征，其具体分析过程如下：
支护反力对巷道围岩变形的分析：设置原岩应力P并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，将监测到的围岩中残余强度分布范围作为松动破碎范围，并利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力分布云图、不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力变化曲线图，及不同岩性有无支护巷道围岩位移变化曲线图，并输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护与顶板及帮部围岩松动破碎之间的影响关系，及在巷道顶板及帮部支护下，输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护反力与其变形之间的影响关系；
锚杆长度对巷道围岩变形的分析：改变锚杆长度P，并梯度设置4种锚杆长度，依次为o1、o2、o3和o4，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆长度不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆长度不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及得到不同锚杆长度不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部位移变化曲线图、不同锚杆长度底板表面位移与帮部表面位移比率图，并由此输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩松动破碎之间的影响关系，及输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩变形之间的影响关系；
锚杆间排距对巷道底板变形的分析：改变锚杆间排距，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆间距不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆间距不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及不同锚杆间距不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部位移变化曲线图，并由此输出锚杆间排距与巷道变形之间的影响关系。
本发明的有益效果：
本发明，通过数值模拟分析深部巷道底板及帮部典型部位围岩松动破碎范围、位移量以及位移梯度变化情况，比较底板与帮部变形以及底板不同位置围岩变形，分析围岩岩性和巷道埋深对围岩变形影响，由此实现对深部巷道底鼓变形特征的准确且全面的分析，并为不同条件下的巷道支护提供依据。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的方法流程图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法，包括以下步骤：
步骤一：采集与深部巷道底鼓相关的数据信息，以实际工程条件为基础，建立数值计算模型，并对本构模型的参数进行测定，具体为：
选取直径为D，高度为H的圆形柱体型试样作为测量试验的标准试样，并采用三轴剪切组合试验仪来测量各类型岩性的力学性能参数，具体的：
给试样一个单位荷载，使得试样在单位荷载作用下发生断裂，并随即停机，然后不断调节油缸的转速，由此生成各类型岩性的应力应变曲线；
依据各类型岩性的应力应变曲线，并由此进行数据分析，依据公式：由此得到对应类型岩性的弹性模量Ei，其中，σia、σib表示为线性阶段a点、b点的应力，εia、εib表示为线性阶段a点、b点的应变，i表示煤矿巷道的岩性类型，且i＝{泥岩，砂质泥岩，粉砂岩}；
依据公式：由此得到对应类型岩性的泊松比λi，其中，εila、εilb表示为a点、b点的纵向应变，εida、εidb表示为a点、b点的横向应变；
需要补充说明的是，为了满足试验所需测试样品的样品大小，必须使用切割机床和研磨设备对样品进行处理，且样品尺寸一般为：直径D＝50mm，高度H＝100mm，其中，柱体直径最大允许偏差为±3毫米，高度最大偏差为±5毫米；
将试样放入剪切环中，将剪切盒放在千斤顶的底部，调整剪切盒的轴向压力，并将其记作σ，并让剪切盒与千斤顶接触，然后对试样进行加载，直至岩体破裂，由此得到剪切强度τ，并将剪切强度进行回归拟合，依据剪切强度的变化关系式：由此得到对应类型岩性的粘聚力c和内摩擦角/>
并由此选取应变软化模型和FLAC3D数值计算软件对深部巷道底鼓因素及特征进行模拟分析。
步骤二：采用声学监测分析并结合巷道底鼓声波特征，对深部巷道底板的典型部位进行选定分析，具体为：
在巷道内部依次阵列设置若干个声学传感器或麦克风，使得声学传感器或麦克风覆盖整个巷道，由此完成深部巷道底鼓声音的采集；
实时监测影响深部巷道底鼓声音采集的影响信息中的环境噪音值、传播遮挡值和开采工艺值，并将其分别标定为hz、zd和kc，并将三项数据进行综合分析，依据设定的数据模型：efc＝δ1×hz+δ2×zd+δ3×kc，由此得到声音采集的影响因子efc，其中，δ1、δ2和δ3分别为环境噪音值、传播遮挡值和开采工艺值的归一因子，归一因子用于表示将数据模型中各项数据转化为无量纲形式的系数，δ1、δ2和δ3均为大于0的自然数；
需要说明的是，开采工艺值指的是开采的推进速度、钻孔参数以及爆破参数对底鼓声音的频率和强度产生的影响程度的综合数据值；
将影响因子与存储在云数据库中的音频过滤表进行对照匹配分析，由此匹配相应的滤波器，将匹配到的滤波器应用到对应的音频信号上，由此完成声音采集影响的消除，并得到最终的音频信号；
从最终的音频信号中提取若干个特征信号，并将各特征信号与存储在云数据库中的底鼓特征信号相匹配，若提取的特征信号与云数据库中的底鼓特征信号匹配成功，则将该特征信号标定为目标底鼓音频信号，并追踪该目标底鼓音频信号在深部巷道中的位置，并记录位置点，并将其作为巷道典型部位的备选部位。
步骤三：分析不同岩性巷道底板变形特征，包括：不同岩性巷道底板松动破碎范围的分析，具体为：
调取煤矿巷道锚杆(索)的基础参数及力学性能参数，调取各类型岩性的力学性能参数，并设置原岩应力P，将各项数据代入应变软化模型中进行分析；
选取同一类型岩性的底板中部和帮部拱基线进行分析，具体的：将巷道帮部拱基线部位记作aA，选取巷道典型部位底板中间部位并记作cC，选取帮部距拱基线0.1m部位并记作bB，并在完成底板和帮部的部位选取后，将原岩应力P、各类型岩性的力学性能参数、煤矿巷道锚杆(索)的基础参数及力学性能参数导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到不同岩性巷道围岩粘聚力分布云图及不同岩性巷道典型部位围岩粘聚力变化曲线图，并将其进行综合分析，由此明确各类型岩性的粘聚力的分布情况，并将其与计算结果相结合，由此得到同一类型岩性的底板中部破碎范围、帮部拱基线破碎范围，以及明确同一类型岩性巷道帮部拱基线围岩破碎范围与其底板中部破碎范围之间的关系；
需要指出的是，其中，典型部位指的是巷道帮部和巷道底板中部，巷道围岩粘聚力分布云图用于展示巷道周围岩体粘聚力的空间分布情况以及粘聚力的变化趋势；
而围岩粘聚力变化曲线图用于展示各类型岩性随着距离巷道底板表面距离或距离巷道帮部表面距离的变化与其粘聚力之间的关系；
选取不同类型岩性的底板不同部位进行分析，具体的：取巷道底板的cC底板中部、dD距底板中部0.8m、eE距底板中部1.6m、fF距底板中部2.4m，并在完成选取后，将各类数据导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到巷道底板不同部位围岩粘聚力曲线变化图，并将其与计算结果相结合，由此得到不同岩性底板不同部位的岩性破碎范围，并通过显示终端进行显示说明。
举例为：调取深部软岩巷道泥岩、砂质泥岩、粉砂岩岩性相关力学性能参数，设置高强预应力锚杆预紧力F＝70kN，高强预应力锚索预紧力F＝100kN，选择应变软化模型，在原岩应力P＝16MPa作用下，分析深部软岩巷道底板、帮部破碎情况在三种围岩岩性情况下特征，分析围岩粘聚力及位移变化，分析在不同岩性下底板不同部位破碎位移情况；
从粘聚力分布情况和计算结果可得，围岩岩性为泥岩，直墙半圆拱形巷道底板中部破碎范围为4.40m，帮部拱基线破碎范围为8.50m，围岩岩性为砂质泥岩、粉砂岩，巷道底板中部破碎范围较小分别为2.60m、1.90m，帮部拱基线部位存在较大的破碎范围，分别为3.64m、2.43m。随着围岩岩性的改善，巷道围岩破碎范围逐渐降低，三种围岩岩性巷道帮部拱基线围岩破碎范围均比底板中部破碎范围显著；
计算结果还表明：围岩岩性为泥岩、砂质泥岩及粉砂岩时底板沿中部向两端位置围岩松动破碎范围均显著降低。围岩岩性为泥岩，巷道底板中部破碎范围约为4.40m，底板端部破碎范围约为3.82m。围岩岩性为砂质泥岩和粉砂岩，巷道底板中间部位破碎范围分别为2.60m、1.90m，底板端部破碎范围几乎为零。由此可得，三种围岩岩性直墙半圆拱形巷道底板表现为中部位置破碎范围较大，向端部位置方向逐渐降低的变化特征。
还包括：不同岩性巷道底板变形特征的分析，具体为：
取不同岩性下帮部bB和底板cC位置，并监测对应类型岩性的对应位置下的位移量，由此明确不同岩性底板和帮部的位移量与其变形程度状态，并输出不同岩性底板与巷道围岩变形程度之间的关系；
需要指出的是，位移是分析深部巷道变形的重要指标，当位移量越大时，则越体现对应类型岩性巷道底板变形程度越严重；
举例为：
当围岩岩性为泥岩，底板中部表面位移为590.75mm，帮部拱基线表面位移为406.73mm，该岩性巷道围岩变形最严重。围岩岩性为砂质泥岩，底板中部表面位移为190.95mm，帮部拱基线表面位移为131.44mm。围岩岩性为粉砂岩，底板中部表面位移为124.71mm，帮部拱基线表面位移为73.03mm。由此得出随着围岩岩性的改善，巷道围岩变形逐渐减小，三种围岩岩性巷道底板中部变形程度均大于帮部拱基线；
取巷道底板cC、aD、eE、fF位置，再以底板中点为对称轴取点，构建不同岩性下底板不同部位位移变化曲线图及同岩性下底板不同部位位移梯度变化曲线图，由此明确不同岩性下底板表面不同部位的位移及位移梯度特点，并输出不同岩性下巷道围岩变形主要集中部位，并通过显示终端进行显示说明。
举例为：
泥岩巷道底板中部表面位移量为590.75mm，向端部逐渐减小至125.23mm，底板中部表面位移梯度为339.54mm/m，向端部逐渐减小至2.52mm/m；砂质泥岩巷道底板中部表面位移量为190.95mm，向端部逐渐减小至60.21mm，底板中部表面位移梯度为151.71mm/m，向端部逐渐减小至1.53mm/m；粉砂岩巷道底板中部表面位移量为124.71mm，向端部逐渐减小至40.92mm，底板中部表面位移梯度为95.81mm/m，向端部逐渐减小至2.51mm/m，三种岩性底板不同部位位移变化曲线及位移梯度变化曲线均呈抛物线形状，围岩岩性为泥岩，巷道底板中部变形最严重，向两端衰减程度最显著。
步骤四：分析不同原岩应力巷道底板变形特征，包括：不同原岩应力巷道底板破碎范围的分析，具体为：
改变原岩应力P，并梯度设置4种原岩应力，依次为p1、p2、p3和p4，其中，p4＝p3+2，p3＝p2+2，p2＝p1+2，且P＝p4+2；
依次分析4种原岩应力下的各类型岩性的巷道底板破碎状态，具体的为：以对应类型岩性条件下巷道围岩粘聚力分布云图为依据，取对应类型岩性的底板cC和帮部bB典型位置，由此对对应类型岩性的巷道底板cC和帮部bB典型位置的粘聚力进行分析，计算得出的对应类型岩性的不同原岩应力巷道粘聚力变化曲线图，并由此监测对应类型岩性的对应位置的残余强度；
以监测到的残余强度的范围为松动破碎范围，由此输出不同原岩应力下巷道底板破碎范围，以及输出巷道埋深与围岩松动破碎范围之间的关系，并通过显示终端进行显示说明。
举例为：
改变原岩应力P＝16MPa为P＝8MPa、10MPa、12MPa、14MPa，分析不同原岩应力在泥岩、砂质泥岩、粉砂岩三种不同围岩岩性下巷道底板和帮部围岩松动破碎变形情况。依据泥岩围岩岩性条件下、砂质泥岩围岩岩性条件下、粉砂岩围岩岩性条件下的巷道围岩粘聚力分布云图，取底板cC和帮部bB典型位置分别监测其残余强度，计算得出的不同原岩应力巷道粘聚力变化曲线；
且不同岩性典型位置残余强度分别为c＝1MPa、1.5MPa及2MPa，以残余强度的范围为松动破碎范围；
计算结果表明：随着巷道埋深增加，围岩岩性为泥岩、砂质泥岩及粉砂岩时底板中部及帮部拱基线部位围岩松动破碎范围均有所增加，泥岩巷道底板中部破碎范围由2.11m增加至4.40m，帮部拱基线破碎范围由3.64m增加至9.10m；砂质泥岩巷道底板中部破碎范围由1.58m增加至2.60m，帮部拱基线破碎范围由1.82m增加至3.60m；泥岩巷道底板中部破碎范围由1.05m增加至1.90m，帮部拱基线破碎范围由1.25m增加至2.60m，泥岩岩性巷道围岩破碎范围增加效果最明显。与帮部围岩相比，巷道埋深的增加对于底板围岩破碎范围的影响效果不显著。
还包括：不同原岩应力巷道底板变形特征的分析，具体为：
梯度选取5种原岩应力，依次为p1、p2、p3、p4、P，并选取对应类型岩性的底板cC和帮部bB典型位置，并监测不同原岩应力下的对应类型岩性的位移量，并由此构建对应类型岩性的不同原岩应力位移变化曲线图，并输出不同原岩应力与巷道围岩变形程度之间的关系；
举例为：
取原岩应力P＝8MPa、10MPa、12MPa、14MPa、16MPa，依次在泥岩围岩岩性条件下、砂质泥岩围岩岩性条件下、粉砂岩围岩岩性条件下，取底板cC和帮部bB典型位置分别监测其围岩变形，计算得出不同原岩应力巷道位移变化曲线；
计算结果表面：随着巷道埋深即原岩应力P的增加，巷道表面围岩位移量逐渐增大。与帮部围岩对比，巷道底板表面围岩变形增大更明显。围岩岩性为泥岩时，巷道表面围岩变形随着巷道埋深增加的影响最为显著。
以求得的对应类型岩性下底板、帮部围岩位移量、位移梯度为依据，并将其作比分析，由此得到各类型岩性下的底板、帮部表面的位移与位移梯度的比率，由此计算出各类型岩性下各比率变化曲线，并输出底板围岩位移量、位移梯度与帮部围岩位移量、位移梯度之间的关系，并明确在不同围岩岩性条件下，巷道埋深与巷道围岩变形趋势之间的关系；
举例为：
计算结果表面：三种围岩岩性底板帮部围岩位移比率及底板帮部围岩位移梯度比均大于1，由此得出无论巷道浅部还是深部埋深，底板围岩位移量、位移梯度均大于帮部围岩。由此得出，随着巷道埋深的增加，底板与帮部围岩变形逐渐增大，且在不同围岩岩性条件下，巷道围岩变形趋势也有所不同。
选取不同类型岩性的距巷道底板及帮部表面0.5m、1m、1.5m位置围岩位移，并比较底板与帮部围岩位移量、位移梯度，计算出在各类型岩性条件下各比率变化曲线，由此输出不同岩性的不同位置巷道深埋与巷道围岩变形趋势之间的关系，并通过显示终端进行显示说明；
举例为：
计算结果表明，围岩岩性为泥岩时，巷道围岩距巷道表面距离0.5m、1m、1.5m，底板围岩位移量均大于帮部围岩位移量，底板围岩位移梯度与帮部围岩位移梯度比率曲线呈上升趋势，当原岩应力P小于10MPa，与巷道底板围岩相比，帮部围岩位移梯度较大，当原岩应力P大于10MPa，与巷道帮部围岩相比，底板围岩位移梯度较大。随着巷道埋深增加，对于底板帮部位移量变化影响几乎相同，而底板围岩位移梯度增大影响大于帮部围岩。
围岩岩性为砂质泥岩时，距巷道表面距离0.5m、1m、1.5m，底板围岩位移量均大于帮部围岩位移量，而底板围岩位移梯度低于帮部围岩位移梯度。随着巷道埋深的增加，帮部围岩位移量增大影响大于底板围岩，在距巷道表面距离0.5m处，底板围岩位移梯度增大影响大于帮部围岩，而距巷道表面距离1m、1.5m位置处，帮部围岩位移梯度增大影响大于底板围岩。
围岩岩性为粉砂岩时，巷道底板围岩位移量均大于帮部围岩位移量，围岩距巷道表面距离0.5m、1m，底板围岩位移梯度低于帮部围岩，围岩距巷道表面距离1.5m，原岩应力P小于14MPa，底板围岩位移梯度高于帮部围岩，原岩应力P大于14MPa，底板围岩位移梯度低于帮部围岩。随着巷道埋深的增加，帮部围岩位移量及位移梯度增大影响均大于底板围岩；
即随着距巷道表面距离的增加，巷道围岩位移量、位移梯度逐渐减少，随着巷道埋深的增加，巷道围岩位移量、位移梯度逐渐增大。
步骤五：分析不同支护参数巷道围岩变形特征，包括：支护反力对巷道围岩变形的分析，具体为：
设置原岩应力P并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，将监测到的围岩中残余强度分布范围作为松动破碎范围，并利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力分布云图、不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力变化曲线图，及不同岩性有无支护巷道围岩位移变化曲线图，并输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护与顶板及帮部围岩松动破碎之间的影响关系，及在巷道顶板及帮部支护下，输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护反力与其变形之间的影响关系；
举例为：
取原岩应力P＝16MPa，选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，研究泥岩、砂质泥岩及粉砂岩岩性在有无支护条件下，巷道底板帮部围岩破碎范围及位移变化情况。
以围岩中残余强度分布范围作为松动破碎范围，对比有无支护反力，不同岩性巷道破碎分布情况，巷道底板cC方向位置及帮部bB方向位置粘聚力变化曲线；
计算结果表明：泥岩巷道底板表面位移量由639.0mm减小至590.7mm，巷道表面位移减小率为7.5％，帮部表面位移量由773.2mm减小至406.7mm，减小率为47.4％；砂质泥岩底板表面位移量由191.5mm减小至190.9mm，减小率为0.3％，帮部表面位移量由196.6mm减小至131.4mm，减小率为33％；粉砂岩底板表面位移量由126.7mm减小至124.7mm，减小率为1.6％，帮部表面位移量由96.5mm减小至73.0mm，减小率为24.4％。由此可得顶板及帮部的支护反力可以有效的减小帮部围岩变形，其中泥岩岩性下影响程度最大。顶板及帮部的支护对于巷道底板变形影响较小，尤其是砂质泥岩及粉砂岩岩性巷道中，基本上没有影响；
即三种围岩岩性巷道顶板及帮部的支护对顶板及帮部围岩松动破碎影响较大，泥岩岩性帮部拱基线破碎范围变化最为显著，顶板及帮部的支护对底板围岩松动破碎影响较小，尤其是对砂质泥岩和粉砂岩巷道，几乎没有影响。
又包括锚杆长度对巷道围岩变形的分析，具体为：
改变锚杆长度P，并梯度设置4种锚杆长度，依次为o1、o2、o3和o4，其中，o4＝o3+0.2，o3＝o2+0.2，o2＝o1+0.2，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆长度不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆长度不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及得到不同锚杆长度不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部位移变化曲线图、不同锚杆长度底板表面位移与帮部表面位移比率图，并由此输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩松动破碎之间的影响关系，及输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩变形之间的影响关系；
举例为：
改变锚杆长度为2m、2.4m、2.6m、3m，选择巷道底板cC方向位置及帮部bB方向位置，分析在泥岩、砂质泥岩及粉砂岩岩性下巷道底板帮部破碎及位移变化情况。
计算结果表明：三种围岩岩性巷道锚杆长度参数对围岩松动破碎影响较小，尤其是对砂质泥岩和粉砂岩巷道，几乎没有影响。围岩岩性为泥岩时，锚杆长度L≥2.6m，巷道围岩破碎范围不再减小，在确保安全性下，考虑成本时使用2.6m锚杆为最优支护参数。
还锚杆间排距对巷道底板变形的分析，具体为：
改变锚杆间排距，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆间距不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆间距不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及不同锚杆间距不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部位移变化曲线图，并由此输出锚杆间排距与巷道变形之间的影响关系，并通过显示终端进行显示说明；
举例为：
设置锚杆间排距由a×b＝600mm×800mm减少至a×b＝500mm×500mm，选择巷道底板cC方向位置及帮部bB方向位置；
计算结果表明，不同围岩岩性下巷道锚杆间排距由600mm×800mm减少至500mm×500mm，巷道破碎范围几乎不受影响，底板表面位移量增大，但可以有效减少帮部表面位移量及位移梯度。围岩岩性为泥岩时，底板表面位移由590.68mm增加至598.00mm，位移梯度由339.51mm/m增加至352.39mm/m，帮部表面位移由406.65mm减小至321.33mm，减小为21.0％，位移梯度由146.58mm/m减小至29.76mm/m，减小为79.7％。围岩岩性为砂质泥岩时，底板表面位移由190.88mm增加至196.00mm，位移梯度由151.73mm/m增加至160.69mm/m，帮部表面位移由131.35mm减小至104.28mm，减小为20.6％，位移梯度由80.16mm/m减小至42.52mm/m，减小为47.0％。围岩岩性为粉砂岩时，底板表面位移、位移梯度变化不大，分别约为124.46mm、97.01mm/m，帮部表面位移由72.98mm减小至57.92mm，减小为20.7％，位移梯度由58.48mm/m减小至39.18mm/m，减小为33.0％。经上述模拟计算可得出合理锚杆间排距参数为a×b＝500mm×500mm，帮部锚杆支护数量过密，可以减小巷道帮部变形，但也会对底板变形增大造成影响。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采集与深部巷道底鼓相关的数据信息，以实际工程条件为基础，建立数值计算模型，并对本构模型的参数进行测定，选取应变软化模型和FLAC3D数值计算软件对深部巷道底鼓因素及特征进行模拟分析；
步骤二：采用声学监测分析并结合巷道底鼓声波特征，对深部巷道底板的典型部位进行选定分析，由此明确巷道典型部位的备选部位；
步骤三：分析不同岩性巷道底板变形特征，包括不同岩性巷道底板松动破碎范围的分析和不同岩性巷道底板变形特征的分析，由此输出不同岩性底板岩性破碎范围，以及输出不同岩性底板与巷道围岩变形程度之间的关系和输出不同岩性下巷道围岩变形集中部位，并通过显示终端进行显示说明；
步骤四：分析不同原岩应力巷道底板变形特征，包括不同原岩应力巷道底板破碎范围的分析、不同原岩应力巷道底板变形特征的分析，由此输出不同原岩应力下巷道底板破碎范围，以及输出不同原岩应力与巷道围岩变形程度之间的关系、巷道埋深与巷道围岩变形趋势之间的关系，并通过显示终端进行显示说明；
步骤五：分析不同支护参数巷道围岩变形特征，具体包括：支护反力对巷道围岩变形的分析、锚杆长度对巷道围岩变形的分析和锚杆间排距对巷道底板变形的分析，由此输出巷道顶板及帮部的支护反力与其变形之间的影响关系、锚杆长度与围岩变形之间的影响关系、锚杆间排距与巷道变形之间的影响关系，并通过显示终端进行显示说明；
所述对深部巷道底板的典型部位进行选定分析，其具体分析过程如下：
在巷道内部依次阵列设置若干个声学传感器或麦克风，使得声学传感器或麦克风覆盖整个巷道，由此完成深部巷道底鼓声音的采集；
实时监测影响深部巷道底鼓声音采集的影响信息中的环境噪音值、传播遮挡值和开采工艺值，并将三项数据进行综合分析，由此得到声音采集的影响因子；
将影响因子与存储在云数据库中的音频过滤表进行对照匹配分析，由此匹配相应的滤波器，将匹配到的滤波器应用到对应的音频信号上，由此完成声音采集影响的消除，并得到最终的音频信号；
从最终的音频信号中提取若干个特征信号，并将各特征信号与存储在云数据库中的底鼓特征信号相匹配，若提取的特征信号与云数据库中的底鼓特征信号匹配成功，则将该特征信号标定为目标底鼓音频信号，并追踪该目标底鼓音频信号在深部巷道中的位置，并记录位置点，并将其作为巷道典型部位的备选部位；
所述不同岩性巷道底板松动破碎范围的分析，其具体分析过程如下：
调取煤矿巷道锚杆或索的基础参数及力学性能参数，调取各类型岩性的力学性能参数，并设置原岩应力P，将各项数据代入应变软化模型中进行分析；
选取同一类型岩性的底板中部和帮部拱基线进行分析，具体的：将巷道帮部拱基线部位记作aA，选取巷道典型部位底板中间部位并记作cC，选取帮部距拱基线0.1m部位并记作bB，并在完成底板和帮部的部位选取后，将原岩应力P、各类型岩性的力学性能参数、煤矿巷道锚杆或索的基础参数及力学性能参数导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到不同岩性巷道围岩粘聚力分布云图及不同岩性巷道典型部位围岩粘聚力变化曲线图，并将其进行综合分析，由此明确各类型岩性的粘聚力的分布情况，并将其与计算结果相结合，由此得到同一类型岩性的底板中部破碎范围和帮部拱基线破碎范围，以及明确同一类型岩性巷道帮部拱基线围岩破碎范围与其底板中部破碎范围之间的关系；
而围岩粘聚力变化曲线图用于展示各类型岩性随着距离巷道底板表面距离或距离巷道帮部表面距离的变化与其粘聚力之间的关系；
选取不同类型岩性的底板不同部位进行分析，具体的：取巷道底板的cC底板中部、dD距底板中部0.8m、eE距底板中部1.6m和fF距底板中部2.4m，并在完成选取后，将各类数据导入FLAC3D数值计算软件中，由此得到巷道底板不同部位围岩粘聚力曲线变化图，并将其与计算结果相结合，由此得到不同岩性底板不同部位的岩性破碎范围；
所述不同岩性巷道底板变形特征的分析，其具体分析过程如下：
取不同岩性下帮部bB和底板cC位置，并监测对应类型岩性的对应位置下的位移量，由此明确不同岩性底板和帮部的位移量与其变形程度状态，并输出不同岩性底板与巷道围岩变形程度之间的关系；
取巷道底板cC、aD、eE和fF位置，再以底板中点为对称轴取点，构建不同岩性下底板不同部位位移变化曲线图及同岩性下底板不同部位位移梯度变化曲线图，由此明确不同岩性下底板表面不同部位的位移及位移梯度特点，并输出不同岩性下巷道围岩变形集中部位；
所述不同原岩应力巷道底板破碎范围的分析，其具体分析过程如下：
改变原岩应力P，并梯度设置4种原岩应力；
依次分析4种原岩应力下的各类型岩性的巷道底板破碎状态，具体的为：以对应类型岩性条件下巷道围岩粘聚力分布云图为依据，取对应类型岩性的底板 cC 和帮部bB典型位置，由此对对应类型岩性的巷道底板 cC和帮部 bB典型位置的粘聚力进行分析，计算得出的对应类型岩性的不同原岩应力巷道粘聚力变化曲线图，并由此监测对应类型岩性的对应位置的残余强度；
以监测到的残余强度的范围为松动破碎范围，由此输出不同原岩应力下巷道底板破碎范围，以及输出巷道埋深与围岩松动破碎范围之间的关系；
所述不同原岩应力巷道底板变形特征的分析，其具体分析过程如下：
梯度选取5种原岩应力，并选取对应类型岩性的底板 cC 和帮部bB典型位置，并监测不同原岩应力下的对应类型岩性的位移量，并由此构建对应类型岩性的不同原岩应力位移变化曲线图，并输出不同原岩应力与巷道围岩变形程度之间的关系；
以求得的对应类型岩性下底板、帮部围岩位移量和位移梯度为依据，并将其作比分析，由此得到各类型岩性下的底板、帮部表面的位移与位移梯度的比率，由此计算出各类型岩性下各比率变化曲线，并输出底板围岩位移量、位移梯度与帮部围岩位移量、位移梯度之间的关系，并明确在不同围岩岩性条件下，巷道埋深与巷道围岩变形趋势之间的关系；
选取不同类型岩性的距巷道底板及帮部表面0.5m、1m和1.5m位置围岩位移，并比较底板与帮部围岩位移量和位移梯度，计算出在各类型岩性条件下各比率变化曲线，由此输出不同岩性的不同位置巷道深埋与巷道围岩变形趋势之间的关系；
所述分析不同支护参数巷道围岩变形特征，其具体分析过程如下：
支护反力对巷道围岩变形的分析：设置原岩应力P并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，将监测到的围岩中残余强度分布范围作为松动破碎范围，并利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力分布云图、不同岩性有无支护巷道围岩粘聚力变化曲线图，及不同岩性有无支护巷道围岩位移变化曲线图，并输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护与顶板及帮部围岩松动破碎之间的影响关系，及在巷道顶板及帮部支护下，输出各类型岩性巷道顶板及帮部的支护反力与其变形之间的影响关系；
锚杆长度对巷道围岩变形的分析：改变锚杆长度P，并梯度设置4种锚杆长度，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆长度不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆长度不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及得到不同锚杆长度不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆长度不同岩性帮部位移变化曲线图、不同锚杆长度底板表面位移与帮部表面位移比率图，并由此输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩松动破碎之间的影响关系，及输出各类型岩性巷道锚杆长度与围岩变形之间的影响关系；
锚杆间排距对巷道底板变形的分析：改变锚杆间排距，并选择巷道底板cC方向及帮部bB方向位置，利用FLAC3D数值计算软件，由此得到不同锚杆间距不同岩性粘聚力分布云图、不同锚杆间距不同岩性底板粘聚力变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部粘聚力变化曲线图，及不同锚杆间距不同岩性底板位移变化曲线图、不同锚杆间距不同岩性帮部位移变化曲线图，并由此输出锚杆间排距与巷道变形之间的影响关系。
2.根据权利要求1所述的深部巷道底鼓影响因素及特征分析方法，其特征在于，所述对本构模型的参数进行测定，其具体测定过程如下：
选取直径为D，高度为H的圆形柱体型试样作为测量试验的标准试样，并采用三轴剪切组合试验仪来测量各类型岩性的力学性能参数，具体的：
给试样一个单位荷载，使得试样在单位荷载作用下发生断裂，并随即停机，然后不断调节油缸的转速，由此生成各类型岩性的应力应变曲线；
依据各类型岩性的应力应变曲线，并由此进行数据分析，依据公式：，由此得到对应类型岩性的弹性模量Ei，其中，/> 表示为线性阶段a点、b点的应力，/> 表示为线性阶段a点、b点的应变，i表示煤矿巷道的岩性类型，且i={泥岩，砂质泥岩，粉砂岩}；
依据公式：，由此得到对应类型岩性的泊松比λi，其中， 表示为a点、b点的纵向应变，/> 表示为a点、b点的横向应变；
将试样放入剪切环中，将剪切盒放在千斤顶的底部，调整剪切盒的轴向压力，并将其记作σ，并让剪切盒与千斤顶接触，然后对试样进行加载，直至岩体破裂，由此得到剪切强度，并将剪切强度进行回归拟合，依据剪切强度的变化关系式：/>，由此得到对应类型岩性的粘聚力c和内摩擦角/>。
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深部高应力巷道底鼓机理及控制技术研究;谢腾飞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》;20181215(第12期);B021-61 *

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