一种分析深部软弱围岩锚固体内外碎胀程度及稳定性的装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种分析深部软弱围岩锚固体内外碎胀程度及稳定性的装置。可较为准确分析深部软弱围岩碎胀程度并对其稳定性进行及时判别。该装置主要包括固定在锚固端及原岩处的位移计，固定在巷道中数据分析仪。数据分析仪主要包括数据记录器、数据处理器以及数据显示器；数据记录器可以记录1000次位移计测得的锚固体内外碎胀位移；数据处理器对锚固体内外碎胀位移随时间演化进行分析处理并依式回归得出反映围岩碎胀位移速度减缓程度系数k2；数据显示器显示锚固体内外围岩碎胀位移及速度随时间演化曲线，围岩碎胀位移速度减缓程度系数k2值并与设定的容许临界值k2＝0.02比较，动态实时对锚固体内外碎胀稳定性进行判别，为合理锚杆索支护参数选择提供依据。
【专利说明】
一种分析深部软弱围岩锚固体内外碎胀程度及稳定性的装 置
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种分析深部软弱围岩锚固体内外碎胀程度及稳定性装置，具体 涉及一种可获得深部软弱围岩锚固体内外围岩碎胀程度的量化指标，并通过与其容许临界 值比较来动态判断锚固体内外软弱围岩稳定性的装置。
【背景技术】
[0002] 目前煤矿巷道广泛采用锚杆索支护形式，锚杆索支护参数普遍根据松动圈范围依 据松动圈理论经验确定，这对于浅部煤炭开采有较好适用性。已有的理论研究与工程实践 都表明：随煤炭开采加深，岩石性质软化，巷道围岩破碎程度明显增大，但松动圈厚度增加 并不明显，依据松动圈理论选择锚杆索支护参数明显存在缺陷，根据围岩破碎碎胀程度来 选择合理锚杆索支护参数已成为共识，深部开采软弱围岩容许产生碎胀，合理锚杆索支护 应控制围岩碎胀不超过容许临界值以保持围岩变形稳定。为此，必须选择合理指标来反映 围岩碎胀程度并确定其容许临界值来分析目前锚杆索支护条件下围岩稳定性。如果锚固体 不能组成有效承压拱以及锚索不能充分调动深部围岩承载力，锚固体外也可能由于碎胀过 度而失稳。本发明专利采用工程中常用的位移计通过测定锚固区内外碎胀位移随时间的演 化，选择反映碎胀位移速度减缓快慢系数作为指标来判断围岩碎胀程度并确定其容许临界 值来判断锚固区内外围岩碎胀稳定性，为合理选择锚杆索支护参数提供依据。
【发明内容】
[0003] 为量化判别深部开采软弱围岩碎胀稳定性进而选择合理锚杆索支护参数保持围 岩稳定，本发明专利通过位移计实测锚固区内外围岩碎胀位移随时间演化，根据碎胀位移 随时间演化特征分析碎胀位移速度随时间演化，选择碎胀位移速度减缓快慢系数来判断围 岩碎胀程度并量化确定容许临界值。
[0004] 本发明专利为实现其目的所采取的技术方案：一种分析深部软弱围岩锚固体内外 碎胀程度及稳定性的装置，包括位移计、数据分析仪。
[0005] 所述位移计分别位于锚杆锚固端位置用于测量锚固区内碎胀位移以及位于近原 岩位置用于测量锚固区外碎胀位移。
[0006] 所述数据分析仪包括用于记录碎胀位移的数据记录器，用于分析碎胀位移数据的 数据处理器以及用于显示碎胀位移数据处理结果的数据显示器。
[0007] 所述的位移计及数据分析仪通过信号线连接。
[0008] 根据以上技术方案：位移计通过信号线与数据分析仪的数据记录器连接；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碎胀位移分析，得出锚固区内外不 同时刻碎胀位移速度、碎胀位移减缓快慢系数；数据分析仪中数据显示器显示碎胀位移及 碎胀位移速度随时间演化曲线、不同时刻碎胀位移减缓快慢系数、设定碎胀位移减缓快慢 系数的容许临界值，动态比较碎胀位移减缓快慢系数的实测值与容许临界值，及时对锚固 区内外碎胀稳定性进行预警。
[0009] 本发明专利的有益效果
[0010] 在深部开采软弱巷道围岩显著碎胀条件下，通过位移计实测巷道围岩锚固区内外 随时间演化的碎胀位移，数据分析仪自动记录并分析不同时刻锚固区内外碎胀位移，得出 围岩碎胀位移速度随时间演化以及不同时刻围岩位移减缓快慢系数，与其容许临界值动态 比较来对锚固区内外碎胀稳定性进行及时预警，为及时改变锚杆索支护参数保持巷道围岩 稳定性提供依据，避免了由于对深部软弱围岩碎胀稳定性判别失误或不及时带来的巷道前 掘后修现象及安全隐患，做到安全、高效、快速施工。
【附图说明】
[0011] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明专利进一步说明。
[0012] 图1为分析深部软弱围岩锚固区内外碎胀程度及稳定性装置布置示意图；
[0013] 图2为分析深部软弱围岩锚固区内外碎胀程度及稳定性装置示意图；
[0014] 图3为数据分析仪结构示意图。
[0015] 图中：1、位移计，2、数据分析仪，2. 1数据记录器，2. 2数据处理器，2. 3数据显示 器，3、信号线，4、关键部位钻孔
【具体实施方式】
[0016] 本发明装置包括：位于锚杆锚固端近于原岩部位的位移计、布置于巷道内数据分 析仪以及连接位移计与数据分析仪的信号线。
[0017] 图1为分析深部软弱围岩锚固区内外碎胀程度及稳定性装置布置示意图：以直墙 半圆拱形巷道为例，分析巷道易于失稳关键部位，在该部位钻孔并布置装置。
[0018] 图2为该装置组成示意图：巷道易于失稳关键部位钻孔内锚杆锚固端位置及近于 原岩位置孔底布置位移计，位移计通过信号线与巷道内数据分析仪中数据记录器连接，数 据分析仪中数据记录器将数据传送至数据分析仪中的数据处理器，数据分析仪中数据显示 器将锚固区内外碎胀位移以及碎胀位移速度随时间演化处理结果以曲线动态显示，每天显 示围岩位移减缓快慢系数1次并与设定的容许临界值实时动态比较并及时报警。
[0019] 图3为数据分析仪的结构示意图：2. 1为记录不同时刻锚固区内外碎胀位移的数 据记录器，可以记录1000次锚固区内外碎胀位移值；2. 2为根据数据记录器记录结果分析 锚固区内外碎胀位移速度随时间演化及不同时刻锚固区内外碎胀位移速度减缓快慢系数 的数据处理器，以碎胀位移随时间演化曲线的切线斜率作为不同时刻碎胀位移速度V，分析 时间段内碎胀位移速度v随时间t演化依据v = *ie~回归，得出分析时间段内围岩碎胀位移 速度减缓快慢的系数k2并依此反映围岩碎胀程度；2. 3为显示锚固区内外碎胀位移及碎胀 位移速度随时间演化及每天1次的锚固区内外碎胀位移速度减缓快慢系数匕值的数据显 示器，本发明确定其容许临界值为匕=0. 02, k2> 0. 02时围岩碎胀处于容许临界范围即处 于稳定状态，k2< 0. 02时围岩碎胀超过容许临界范围即有失稳发展趋势，实时比较k 2值与 其容许临界值k2= 0. 02大小，对锚固区内外碎胀位移的稳定性进行"动态"监测并及时预 警。
[0020] 以安徽国投新集口孜东矿11-2煤行人上山为例。
[0021] (1)原巷道支护及围岩稳定状况
[0022] 口孜东矿11-2煤埋深约900. 0m，中央（11-2)采区行人上山位于11-2中，沿煤层 顶板掘进，巷道断面及支护形式如图1。由于巷道位于松散破碎11-2煤层中，巷道两帮变形 最易产生失稳，尤其以两帮中部最为显著。帮部锚杆、锚索间排距为800. 0X800.0 mm，锚杆 及锚索长度分别为2. 5m及4. lm，锚杆及锚索直径分别为Φ 22. Omm及Φ 21. 8mm。以直墙半 圆拱形巷道两帮中部为巷道围岩易于失稳的关键部位，以巷道两帮中部煤岩表面位移达到 150.0 mm作为稳定性判据。根据此判据，由于此时围岩已进入过度碎胀加速失稳阶段，再加 强支护已很难保持围岩稳定，并且根据围岩表面位移对失稳进行判别并不能区分是锚固区 内碎胀失稳还是锚固区外碎胀失稳，不便于锚杆索支护参数的合理调整。
[0023] (2)采用本发明专利对围岩稳定及锚杆、锚索支护参数合理性判别
[0024] 如图1，巷道两帮为煤体，两帮中部布置直径Φ40.0 mm孔深10.0 m的钻孔；距巷道 表面距离2. 5m位置即锚杆锚固端布置位移计，距巷道表面距离10.0 m位置即近于原岩位置 布置位移计；数据分析仪中数据处理器根据数据记录器记录的锚固区内外围岩碎胀位移， 分析得出锚固区内外碎胀位移速度随时间演化，进而得出了不同时间段内锚固区内外碎胀 位移速度减缓快慢系数k 2值；数据分析仪中的数据显示器实时显示锚固区内外1^2值大小， 当巷道掘进45天左右时，锚固区外k 2= 0.01，与容许临界值k2= 0.02比较，锚固区外围 岩碎胀将处于失稳状态，由于预警及时，未待锚固区外碎胀失稳就加长了锚索支护长度和 密度，后续锚固区内外围岩碎胀始终满足匕> 0.03,确保了帮部煤岩稳定，避免了多次返修 现象。
【主权项】
1. 一种可分析深部软弱围岩锚固体内外碎胀程度及稳定性的装置。主要包括位移计、 数据分析仪。其特征在于：所述位移传感器分别位于锚杆锚固端以及围岩近于原岩位置，位 移计通过信号线与布置在巷道内数据分析仪连接，数据分析仪包括用于记录锚固体内外碎 胀位移的数据记录器，分析不同时刻围岩碎胀位移速度、不同时刻围岩碎胀位移速度减缓 快慢系数匕，值的数据处理器以及用于显示锚固体内外碎胀位移随时间变化曲线、锚固体 内外碎胀位移速度随时间变化曲线、1天1次碎胀位移速度减缓快慢系数k 2值及碎胀稳定 性预警数据的显示器。2. 根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：数据分析仪中数据记录器可以连续 记录1000个数据，每天记录锚固体内外碎胀位移1次，可以记录近3年锚固体内外碎胀位 移；数据处理器对数据记录器中的不同时刻锚固体内外碎胀位移进行分析，得出不同时刻 碎胀位移速度并按式ν = 回归得出反映围岩碎胀位移速度减缓程度的系数k2，并用该 值大小对围岩碎胀程度量化判别；围岩碎胀程度达到容许临界值时k 2= 0. 02。3. 根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于：数据分析仪中数据显示器根据 数据处理器的处理结果，实时动态比较反映围岩碎胀位移速度减缓程度的系数匕及其容许 临界值k 2= 0. 02,对锚固体内外碎胀位移的稳定性进行"动态"监测并及时预警。
【文档编号】E21D21/00GK105952487SQ201510601299
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年9月14日
【发明人】吴德义, 徐盼
【申请人】安徽建筑大学