一种深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的计算方法及应用该方法的测量装置与流程

本发明涉及煤岩松动圈测量领域，具体地说涉及一种深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的计算方法及应用该方法的测量装置。

背景技术：

深部巷道软弱煤岩广泛存在，煤岩变形及其稳定性主要由松动圈范围内煤岩碎胀确定，合理确定煤岩松动圈厚度可为量化选择合理支护形式及参数保持煤岩稳定提供依据。

目前，工程常用测试方法如声波法及钻孔摄像法对深部巷道软弱煤岩适用性较差，地震波法及地质雷达法操作分析复杂且成本较高，尤其是以上各种方法不能实时连续测量松动圈厚度，工程不宜普遍推广应用。多点位移计实测巷道煤岩位移由于操作简单方便在工程中已广泛应用，根据实测结果经验分析煤岩松动圈厚度在工程已有应用，但量化判别煤岩松动圈厚度且实时预报还未有报道。

深部巷道软弱煤岩松动圈内位移分布与塑性区、弹性区范围明显不同，根据深部巷道软弱煤岩松动圈内位移场分布特征，选择合理指标计算深部巷道软弱煤岩松动圈厚度有工程实用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、合理，容易实施，而且准确度高的深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的计算方法，包括以下步骤：

(1)定义测点的初始位置距巷道表面的距离为r，测点的位移为u，所述测点在深部巷道软弱煤岩钻孔中并位于松动圈范围内，构建如下u随r变化的表达式：

其中，u₀、k₁和k₂为系数；

(2)测量两个以上测点的u随r变化的过程，计算得出k₁和k₂的值；

(3)将得出的k₁和k₂的值带入如下公式，计算得出深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L的值：

L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

进一步地，步骤(2)中，所述测点中的一个位于深部巷道软弱煤岩钻孔的与巷道表面的过渡位置处。

进一步地，步骤(2)中，所述测点的数量为3～4个。

本发明还提供一种测量深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的装置，该装置应用了权利要求上述的计算方法，包括多点位移计以及与多点位移计连接的数据分析仪，所述多点位移计含有用于储存测点位移的数据储存器，所述数据分析仪包括数据处理器和数据显示器。

本发明有益效果体现在：

1.本发明计算方法简单、合理，容易实施，而且计算准确度高，避免依据经验估算造成的明显误差。

2.本发明测量装置结构简单，操作方便，能够非常好地应用到本发明的计算方法，实现工程实测深部巷道软弱煤岩松动圈厚度及实时显示，并保证测量精度。

3.本发明可以实时监测的松动圈厚度，及时选择合理支护保持深部巷道软弱煤岩稳定性，保证巷道安全快速掘进及煤炭高效顺利开采，具有非常好的应用前景。

附图说明

图1是应用本发明计算方法和装置进行深部巷道软弱煤岩松动圈厚度工程实测示意图。

图2是本发明装置中数据分析仪的结构示意图。

图3是工程实测深部巷道软弱煤岩位移随距巷道表面距离变化示意图。

图4是深部巷道软弱煤岩位移梯度随距巷道表面距离变化示意图。

附图中各部件的标记为：1多点位移计、1.1多点位移计的壳体、1.2多点位移计的拉绳、1.3锚固头、2数据分析仪、2.1数据处理器、2.2数据显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

为较为准确快速方便测试深部巷道软弱煤岩松动圈厚度，本部分提供一种深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的计算方法，包括以下步骤：

(1)定义测点的初始位置距巷道表面的距离为r，测点的位移为u，所述测点在深部巷道软弱煤岩钻孔中并位于松动圈范围内，构建如下u随r变化的表达式：

其中，u₀、k₁和k₂为系数；

上述u随r变化的表达式是根据大量实验结果，采用最小二乘法进行回归分析得出的，具有显著的相关性。不同条件都满足相关系数r≥0.92，平均相对误差δ≤8.0％，相对标准差e_r≤10.0％，为简洁描述，在此不做详述。实际上，这里的测点和测点的位移u也就是现有多点位移计实测巷道煤岩位移做法中的测点和测点的位移。

(2)测量两个以上测点的u随r变化的过程，计算得出k₁和k₂的值；

一般，u可通过现有多点位移计测得，具体可以通过回归分析计算k₁和k₂的值；

(3)将得出的k₁和k₂的值带入如下公式，计算出深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L的值：

L＝-k₂ln(20k₂/k₁)

上述公式是基于位移梯度所得，定义测点的位移梯度为λ，则经过大量分析研究发现，当λ取值λ_min时，反推得到的r值基本上与深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L相同，λ_min是指深部巷道软弱煤岩处于临界松动破碎状态位移梯度临界容许值，理论分析指导下大量工程实测结合数值模拟结果表明深部巷道位置地应力、煤岩岩性、巷道断面及支护强度等原始条件显著影响松动圈厚度，但不同条件松动圈边界即煤岩处于临界松动破碎状态位移梯度临界容许值λ_min基本相同并可取λ_min＝-20.0，据此临界容许值λ_min及k₁、k₂值结合式反推得到r＝-k₂ln(20k₂/k₁)，也就得到了深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L的计算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

有了上述计算方法，再结合现有的多点位移计，可以得到一种能够测量深部巷道软弱煤岩松动圈厚度并实时显示的装置，参见图1和图2，该装置包括多点位移计1以及通过数据线与多点位移计连接的数据分析仪2，所述多点位移计含有用于储存测点位移的数据储存器，所述数据分析仪2包括数据处理器2.1和数据显示器2.2，所述数据处理器2.1和数据显示器2.2采用现有的数据处理器和显示器即可，数据处理器2.1用于对多点位移计储存的钻孔内不同测点位移数据进行分析获得煤岩位移梯度分布并按照上述计算方法得到煤岩松动圈厚度值，数据显示器2.2用于实时显示松动圈厚度的L的值；

多点位移计可以采用本领域使用的任意结构的多点位移计，下面以拉绳式的多点位移计为例，以工程中常用深部矩形巷道软弱煤岩为例，阐述本发明的具体实施过程：

如图1所示。

在深部巷道软弱煤岩中布置钻孔AB，多点位移计1包括壳体1.1、拉绳1.2和锚固头1.3，钻孔内不同位置布置锚固头并与钻孔壁牢固连接，多点位移计的壳体固定在巷道表面(图中A点所在的巷道内壁)，壳体内含有用于储存测点位移的数据储存器，多点位移计的各拉绳与钻孔内的各锚固头连接，这样通过测量各拉绳长度变化来反映不同位置锚固头位置与巷道表面相对位移从而计算各测点的位移。

为计算巷道AB部位煤岩松动圈厚度L，测量松动圈内不同测点位移u，测点数目3～4个，其中1个位于深部巷道软弱煤岩钻孔的与巷道表面的过渡位置处(图中A点)，另外2～3测点位于松动圈范围内其它位置。图中例示测点数目为4个，其中1个测点(图示A点)位于深部巷道软弱煤岩钻孔的与巷道表面的过渡位置处，另外3个测点(图中C、D、E点)位于松动圈范围内其它位置；为测定图中例示各测点位移u，在图中例示测点C、D、E点分别布置1个锚固头，另外在距巷道表面较远(一般超过10.0m)的原岩应力区再布置1个锚固头(图中F点)，锚固头为类似爪状金属构件，可以由孔口方便进入钻孔内任意位置与孔壁固定，由于锚固头位置F点位于原岩应力区，位移u_F＝0。测点A的位移值u_A可用连接测点A与测点F的拉绳伸长量Δ₁示之，即u_A＝Δ₁；连接测点A与测点C的拉绳伸长量Δ₂＝u_A-u_C，测点C的位移值可用u_C＝u_A-Δ₂示之；连接测点A与测点D的拉绳的伸长量Δ₃＝u_A-u_D，测点D的位移值可用u_D＝u_A-Δ₃示之；连接测点A与测点E拉绳伸长量Δ₄＝u_A-u_E，测点E的位移值可用u_E＝u_A-Δ₄示之。

多点位移计的数据储存器储存测点A、测点C、测点D及测点E的位移值，数据分析仪对多点位移计的数据储存器储存的各测点数据进行分析，数据分析仪固定悬挂于巷道两帮安全牢固处，深部巷道软弱煤岩测点的u随r变化较好满足典型实测曲线如图3所示，数据分析仪中数据处理器依据式对多点位移计的数据储存器储存的巷道表面测点A处位移及松动圈内其它位置测点C、测点D、测点E等处位移值进行计算分析，得出系数k₁、k₂的值。依据松动圈内测点位移梯度即可得到深部巷道两帮中部AB部位松动圈内软弱煤岩λ随r曲线如图4所示，对应λ_min＝-20.0的r值即为松动圈厚度L的值。将计算出的k₁和k₂的值带入计算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，计算出深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L的值。

本装置中多点位移计是实时监测各测点的位移u，多点位移计数据储存器是实时储存各测点的位移u，数据分析仪的数据处理器是应用上述计算方法实时计算深部巷道软弱煤岩松动圈厚度L并通过数据显示器实时显示松动圈厚度L的值。

以淮南矿区某煤矿采区轨道巷为例：

该巷道埋深约800.0m，煤岩粘结力c＝1.0MPa，内摩擦角弹性模量E＝1.4GPa，泊松比λ＝0.34，断面为5.4m×4.8m矩形巷道。

如图1，测量深部巷道帮部AB部位软弱煤岩松动圈厚度值，依据经验估计，该部位松动圈厚度L的值应超过4.0m，为此分别取锚固头位置C、锚固头位置D、锚固头位置E、锚固头位置F距巷道表面距离r分别为1.0m，2.5m，4.0m，12.0m。根据多点位移计监测结果，巷道开挖120天后各测点位移值u_A＝430.0mm，u_C＝302.0mm，u_D＝165.4mm，u_E＝75.3mm，依据构建的u随r变化的表达式对各测点位移数据进行计算分析，得系数k₁＝530.0，k₂＝3.62，u₀＝-100.0，将k₁和k₂值带入计算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，得到巷道帮部AB部位松动圈厚度L＝7.2m，本发明测量装置中数据分析仪的数据显示器实时显示120天AB部位松动圈厚度值L＝7.2m。

为验证该方法测试深部巷道软弱煤岩松动圈厚度的准确性，采用稳定性及精度高、适用性强、技术先进的地质雷达无损测试方法，地质雷达选择瑞典SCAB公司的RAMAC/GPR地质雷达，测得的松动圈厚度L＝7.5m，两者相对误差4.0％，表明本发明计算法法具有较高的准确性。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。