一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的方法及装置

一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的方法及装置

　　技术领域

　　本发明涉及巷道支护技术领域，具体为一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的方法及装置。

　　背景技术

　　如图1，深部软弱煤岩巷道广泛采用预应力锚杆(索)等组合支护。如图2，预应力锚杆由于预紧力作用在围岩中形成附加压应力并相互叠加形成压缩拱，由于压缩拱充分使用了围岩自承载能力，承载能力显著提高，选择合理的预应力锚杆支护参数形成合理承载的预应力锚杆压缩拱有重要工程实用价值。目前，由于对压缩拱承载机制尚未完全弄清，主要在理论分析及数值模拟基础上，以经验为主确定锚杆(索)合理支护参数，由于缺乏依据，往往与工程实际不尽一致。如图3，工程实践中，采用工程常用的监测方法对预应力锚杆压缩拱承载性能进行监测，从而判断预应力锚杆支护参数合理性并及时调整支护参数保持压缩拱承载达到最佳有广泛工程应用背景。本发明针对埋深H≥800.0m，煤岩岩性粘结力c为c＝(0.7～1.0)MPa，内摩擦角φ为φ＝(18°～22°)的深部软岩巷道。采用工程中常用的多点位移计通过工程实测锚杆压缩拱范围内煤岩变形及其随时间变化来分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能，无需特殊手段，操作简单，便于工程应用。

　　发明内容

　　(一)解决的技术问题

　　针对现有技术的不足，本发明提供了一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的方法及装置，解决了现有工程中缺乏评价深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能量化指标，不能根据容许临界值动态评价深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载合理性的问题。

　　(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：一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载合理性的装置，包括位移计、数据记录器与数据分析仪，所述位移计的测点设置有4个，标号分别为01-04，依次设置在巷道近原岩位置、预应力锚杆压缩拱边界位置、预应力锚杆压缩拱范围三分之二位置与预应力锚杆压缩拱范围三分之一位置，各个测点位置均布置有位移计固定装置，所述位移计固定装置的标号分别为1.1-1.4，与测点01-04一一对应，所述位移计固定装置上固定连接有所述位移计，所述位移计连接有钢丝绳，所述钢丝绳依次标号为2.1-2.4，与测点位置1.1-1.4一一对应，所述钢丝绳的另一端与数据记录器连接，所述数据记录器通过信号线与数据分析仪连接。

　　优选的，所述数据分析仪包括数据处理器与数据显示器，所述数据分析仪中的数据处理器通过对数据记录器记录不同时刻的压缩拱变形进行分析，并与设定的临界容许值比较及时对预应力锚杆压缩拱承载合理性进行评价并预警，所述数据分析仪中数据显示器显示相邻时点变形速度比值系数及其随时间演化曲线。

　　一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载合理性的装置的分析方法，包括以下步骤：

　　a、根据实验室及现场实测结合现场地质资料，确定巷道断面易于“失稳”重点部位与易于“失稳”重点部位预应力锚杆压缩拱厚度；

　　b、实验室及现场实测确定煤岩剪切模量及粘性系数力学参数；

　　c、对于深部软岩巷道易于“失稳”重点部位钻孔，安装分析深部软弱煤岩锚杆压缩拱承载合理性的装置，数据记录器每1天记录1次多点位移计钢丝绳2.1、钢丝绳2.2、钢丝绳2.3以及钢丝绳2.4长度变化△L21、△L22、△L23以及△L24。

　　d、根据实测的钢丝绳长度变化，数据分析仪按V表面＝△L21计算巷道表面位置变形速度V表面，按V2＝△L21-△L22计算测点02压缩拱边界位置煤岩变形速度V2，按V3＝△L21-△L23计算测点03位置三分之二压缩拱厚度位置煤岩变形速度V3，按V4＝△L21-△L24计算测点04位置三分之一压缩拱厚度位置煤岩变形速度V4，记录不同时点V表面、V2、V3及V4。

　　e、数据分析仪以易于“失稳”重点部位各测点第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比值作为系数k值即并以此对预应力锚杆压缩拱承载性能进行分析。

　　优选的，针对巷道埋深H≥800m，围岩粘结力c＝(0.7～1.0)MPa、内摩擦角φ＝(18°～22°)深部软弱煤岩，k容许＝(0.09～0.12)，具体取值根据煤岩岩性确定，粘结力及内摩擦角较小时取小值，反之取大值。

　　有益效果

　　本发明提供了一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的方法及装置。具备以下有益效果：

　　深部软岩巷道预应力锚杆形成压缩拱承载在工程中广泛应用，通过工程中常用的多点位移计实测不同时刻巷道围岩预应力锚杆压缩拱变形，通过数据分析仪分析不同时刻压缩拱变形速度及其变形速度比值系数,得出压缩拱变形速度随时间演化以及不同时刻变形速度比值系数k，与其临界容许值k临界及时比较来对压缩拱承载合理性进行及时评价并预警，为选择合理预应力锚杆支护参数提供足够承载力保持围岩稳定提供依据。该发明所采用的装置工程易得，所要获得的压缩拱变形速度及其随时间演化以及不同时刻变形速度减缓快慢系数k工程易于获得，其临界容许值k临界仅需通过在实验室实验获得该岩性剪切模量M及粘性系数L按式即可获得，工程中易于广泛推广应用。

　　附图说明

　　图1为淮北矿区东翼回风大巷锚网喷支护示意图；

　　图2为深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱形成并承载示意图；

　　图3为本发明分析深部软弱煤岩锚杆压缩拱承载性能的装置安装示意图。

　　图中：01-04表示不同测点位置、1.1-1.4均为位移计固定装置、2数据记录器、2.1-2.4表示钢丝绳、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。

　　为量化评价深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载是否合理，及时为合理预应力锚杆参数选择提供依据，本发明专利通过实测预应力锚杆压缩拱厚度范围关键部位变形及其随时间变化并分析规律特征，根据预应力锚杆压缩拱厚度范围变形速度变化比值对压缩拱承载合理性进行评价。本发明专利选择变量H作为评价指标，其值式中M为剪切模量(MPa)、L为粘性系数(MPa/d)。

　　请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载性能的装置，包括位移计、数据记录器2与数据分析仪3，所述位移计的测点设置有4个，标号分别为01-04，依次设置在巷道近原岩位置、预应力锚杆压缩拱边界位置、预应力锚杆压缩拱范围三分之二位置与预应力锚杆压缩拱范围三分之一位置，各个测点位置均布置有位移计固定装置，所述位移计固定装置的标号分别为1.1-1.4，与测点01-04一一对应，所述位移计固定装置上固定连接有所述位移计，所述位移计连接有钢丝绳，所述钢丝绳依次标号为2.1-2.4，与测点位置1.1-1.4一一对应，所述钢丝绳的另一端与数据记录器2连接，所述数据记录器2通过信号线与数据分析仪3连接。

　　所述数据分析仪3包括数据处理器与数据显示器，所述数据分析仪3中的数据处理器通过对数据记录器2记录不同时刻的压缩拱变形进行分析，并与设定的临界容许值比较及时对预应力锚杆压缩拱承载合理性进行评价并预警，所述数据分析仪3中数据显示器显示相邻时点变形速度比值系数及其随时间演化曲线。

　　一种分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载合理性的装置的分析方法，包括以下步骤：

　　a、根据实验室及现场实测结合现场地质资料，确定巷道断面易于“失稳”重点部位与易于“失稳”重点部位预应力锚杆压缩拱厚度。

　　b、实验室及现场实测确定煤岩剪切模量及粘性系数力学参数。

　　c、对于深部软岩巷道易于“失稳”重点部位钻孔，安装分析深部软弱煤岩预应力锚杆压缩拱承载合理性的装置，数据记录器2每1天记录1次多点位移计钢丝绳1.2.1、钢丝绳1.2.2、钢丝绳1.2.3以及钢丝绳1.2.4长度变化△L21、△L22、△L23以及△L24。

　　d、根据实测的钢丝绳长度变化，数据分析仪3按V表＝△L21计算巷道表面(即测点01)位置变形速度V表面，按V2＝△L21-△L22计算测点02压缩拱边界位置煤岩变形速度V2，按V3＝△L21-△L23计算测点03位置三分之二压缩拱厚度位置煤岩变形速度V3，按V4＝△L21-△L23计算测点04位置三分之一压缩拱厚度位置煤岩变形速度V4，记录不同时点V表面、V2、V3及V4。

　　e、数据分析仪3以易于“失稳”重点部位各测点第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比值作为系数k值即并以此对预应力锚杆压缩拱承载性能进行分析，针对巷道埋深H≥800m，围岩粘结力c＝(0.7～1.0)MPa、内摩擦角φ＝(18°～22°)深部软弱煤岩，k容许＝(0.09～0.12)，具体取值根据煤岩岩性确定，粘结力及内摩擦角较小时取小值，反之取大值。

　　实施例

　　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。

　　原巷道预应力锚杆(索)支护参数选择主要从经验出发，对预应力锚杆(索)压缩拱承载本范围及承载合理性缺乏有效监测。如图3，采用本发明专利在巷道易于“失稳”关键部位钻孔并布置多点位移计，根据理论分析、数值模拟等分析结果，合理预应力锚杆压缩拱承载厚度应在1.0m，为此将测点01(测点A)、测点02、测点03以及测点04位置的位移计固定装置1.1、位移计固定装置1.2、位移计固定装置1.3以及位移计固定装置1.4分别布置在距巷道表面距离10.0m位置、1.0m位置、0.67m位置以及0.33m位置，每隔1天记录连接各测点固定装置钢丝绳长度变化并

　　分析不同时刻各测点煤岩变形速度，并计算反映不同时刻各测点煤岩变形速度变化的系数k值，根据工程实测的剪切模量M值及粘性系数L，取k容许＝0.10，比较工程实测值k及k容许，随煤岩松动破碎变形随时间演化，仅在距巷道表面0.5m厚度范围压缩拱合理承载，范围较小。改变锚杆间排距a×b＝600×600mm，合理承载压缩拱厚度范围约0.9m，达到合理承载预期效果。

　　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。