本發(fā)明涉及煤巖松動圈測量領(lǐng)域，具體地說涉及一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法及應(yīng)用該方法的測量裝置。

背景技術(shù)：

深部巷道軟弱煤巖廣泛存在，煤巖變形及其穩(wěn)定性主要由松動圈范圍內(nèi)煤巖碎脹確定，合理確定煤巖松動圈厚度可為量化選擇合理支護(hù)形式及參數(shù)保持煤巖穩(wěn)定提供依據(jù)。

目前，工程常用測試方法如聲波法及鉆孔攝像法對深部巷道軟弱煤巖適用性較差，地震波法及地質(zhì)雷達(dá)法操作分析復(fù)雜且成本較高，尤其是以上各種方法不能實時連續(xù)測量松動圈厚度，工程不宜普遍推廣應(yīng)用。多點位移計實測巷道煤巖位移由于操作簡單方便在工程中已廣泛應(yīng)用，根據(jù)實測結(jié)果經(jīng)驗分析煤巖松動圈厚度在工程已有應(yīng)用，但量化判別煤巖松動圈厚度且實時預(yù)報還未有報道。

深部巷道軟弱煤巖松動圈內(nèi)位移分布與塑性區(qū)、彈性區(qū)范圍明顯不同，根據(jù)深部巷道軟弱煤巖松動圈內(nèi)位移場分布特征，選擇合理指標(biāo)計算深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度有工程實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單、合理，容易實施，而且準(zhǔn)確度高的深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法，包括以下步驟：

(1)定義測點的初始位置距巷道表面的距離為r，測點的位移為u，所述測點在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動圈范圍內(nèi)，構(gòu)建如下u隨r變化的表達(dá)式：

其中，u₀、k₁和k₂為系數(shù)；

(2)測量兩個以上測點的u隨r變化的過程，計算得出k₁和k₂的值；

(3)將得出的k₁和k₂的值帶入如下公式，計算得出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值：

L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述測點中的一個位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處。

進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述測點的數(shù)量為3～4個。

本發(fā)明還提供一種測量深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的裝置，該裝置應(yīng)用了權(quán)利要求上述的計算方法，包括多點位移計以及與多點位移計連接的數(shù)據(jù)分析儀，所述多點位移計含有用于儲存測點位移的數(shù)據(jù)儲存器，所述數(shù)據(jù)分析儀包括數(shù)據(jù)處理器和數(shù)據(jù)顯示器。

本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1.本發(fā)明計算方法簡單、合理，容易實施，而且計算準(zhǔn)確度高，避免依據(jù)經(jīng)驗估算造成的明顯誤差。

2.本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠非常好地應(yīng)用到本發(fā)明的計算方法，實現(xiàn)工程實測深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度及實時顯示，并保證測量精度。

3.本發(fā)明可以實時監(jiān)測的松動圈厚度，及時選擇合理支護(hù)保持深部巷道軟弱煤巖穩(wěn)定性，保證巷道安全快速掘進(jìn)及煤炭高效順利開采，具有非常好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是應(yīng)用本發(fā)明計算方法和裝置進(jìn)行深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度工程實測示意圖。

圖2是本發(fā)明裝置中數(shù)據(jù)分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是工程實測深部巷道軟弱煤巖位移隨距巷道表面距離變化示意圖。

圖4是深部巷道軟弱煤巖位移梯度隨距巷道表面距離變化示意圖。

附圖中各部件的標(biāo)記為：1多點位移計、1.1多點位移計的殼體、1.2多點位移計的拉繩、1.3錨固頭、2數(shù)據(jù)分析儀、2.1數(shù)據(jù)處理器、2.2數(shù)據(jù)顯示器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

為較為準(zhǔn)確快速方便測試深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度，本部分提供一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法，包括以下步驟：

(1)定義測點的初始位置距巷道表面的距離為r，測點的位移為u，所述測點在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動圈范圍內(nèi)，構(gòu)建如下u隨r變化的表達(dá)式：

其中，u₀、k₁和k₂為系數(shù)；

上述u隨r變化的表達(dá)式是根據(jù)大量實驗結(jié)果，采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析得出的，具有顯著的相關(guān)性。不同條件都滿足相關(guān)系數(shù)r≥0.92，平均相對誤差δ≤8.0％，相對標(biāo)準(zhǔn)差e_r≤10.0％，為簡潔描述，在此不做詳述。實際上，這里的測點和測點的位移u也就是現(xiàn)有多點位移計實測巷道煤巖位移做法中的測點和測點的位移。

(2)測量兩個以上測點的u隨r變化的過程，計算得出k₁和k₂的值；

一般，u可通過現(xiàn)有多點位移計測得，具體可以通過回歸分析計算k₁和k₂的值；

(3)將得出的k₁和k₂的值帶入如下公式，計算出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值：

L＝-k₂ln(20k₂/k₁)

上述公式是基于位移梯度所得，定義測點的位移梯度為λ，則經(jīng)過大量分析研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)λ取值λ_min時，反推得到的r值基本上與深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L相同，λ_min是指深部巷道軟弱煤巖處于臨界松動破碎狀態(tài)位移梯度臨界容許值，理論分析指導(dǎo)下大量工程實測結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果表明深部巷道位置地應(yīng)力、煤巖巖性、巷道斷面及支護(hù)強(qiáng)度等原始條件顯著影響松動圈厚度，但不同條件松動圈邊界即煤巖處于臨界松動破碎狀態(tài)位移梯度臨界容許值λ_min基本相同并可取λ_min＝-20.0，據(jù)此臨界容許值λ_min及k₁、k₂值結(jié)合式反推得到r＝-k₂ln(20k₂/k₁)，也就得到了深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的計算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

有了上述計算方法，再結(jié)合現(xiàn)有的多點位移計，可以得到一種能夠測量深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度并實時顯示的裝置，參見圖1和圖2，該裝置包括多點位移計1以及通過數(shù)據(jù)線與多點位移計連接的數(shù)據(jù)分析儀2，所述多點位移計含有用于儲存測點位移的數(shù)據(jù)儲存器，所述數(shù)據(jù)分析儀2包括數(shù)據(jù)處理器2.1和數(shù)據(jù)顯示器2.2，所述數(shù)據(jù)處理器2.1和數(shù)據(jù)顯示器2.2采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理器和顯示器即可，數(shù)據(jù)處理器2.1用于對多點位移計儲存的鉆孔內(nèi)不同測點位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得煤巖位移梯度分布并按照上述計算方法得到煤巖松動圈厚度值，數(shù)據(jù)顯示器2.2用于實時顯示松動圈厚度的L的值；

多點位移計可以采用本領(lǐng)域使用的任意結(jié)構(gòu)的多點位移計，下面以拉繩式的多點位移計為例，以工程中常用深部矩形巷道軟弱煤巖為例，闡述本發(fā)明的具體實施過程：

如圖1所示。

在深部巷道軟弱煤巖中布置鉆孔AB，多點位移計1包括殼體1.1、拉繩1.2和錨固頭1.3，鉆孔內(nèi)不同位置布置錨固頭并與鉆孔壁牢固連接，多點位移計的殼體固定在巷道表面(圖中A點所在的巷道內(nèi)壁)，殼體內(nèi)含有用于儲存測點位移的數(shù)據(jù)儲存器，多點位移計的各拉繩與鉆孔內(nèi)的各錨固頭連接，這樣通過測量各拉繩長度變化來反映不同位置錨固頭位置與巷道表面相對位移從而計算各測點的位移。

為計算巷道AB部位煤巖松動圈厚度L，測量松動圈內(nèi)不同測點位移u，測點數(shù)目3～4個，其中1個位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處(圖中A點)，另外2～3測點位于松動圈范圍內(nèi)其它位置。圖中例示測點數(shù)目為4個，其中1個測點(圖示A點)位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處，另外3個測點(圖中C、D、E點)位于松動圈范圍內(nèi)其它位置；為測定圖中例示各測點位移u，在圖中例示測點C、D、E點分別布置1個錨固頭，另外在距巷道表面較遠(yuǎn)(一般超過10.0m)的原巖應(yīng)力區(qū)再布置1個錨固頭(圖中F點)，錨固頭為類似爪狀金屬構(gòu)件，可以由孔口方便進(jìn)入鉆孔內(nèi)任意位置與孔壁固定，由于錨固頭位置F點位于原巖應(yīng)力區(qū)，位移u_F＝0。測點A的位移值u_A可用連接測點A與測點F的拉繩伸長量Δ₁示之，即u_A＝Δ₁；連接測點A與測點C的拉繩伸長量Δ₂＝u_A-u_C，測點C的位移值可用u_C＝u_A-Δ₂示之；連接測點A與測點D的拉繩的伸長量Δ₃＝u_A-u_D，測點D的位移值可用u_D＝u_A-Δ₃示之；連接測點A與測點E拉繩伸長量Δ₄＝u_A-u_E，測點E的位移值可用u_E＝u_A-Δ₄示之。

多點位移計的數(shù)據(jù)儲存器儲存測點A、測點C、測點D及測點E的位移值，數(shù)據(jù)分析儀對多點位移計的數(shù)據(jù)儲存器儲存的各測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析儀固定懸掛于巷道兩幫安全牢固處，深部巷道軟弱煤巖測點的u隨r變化較好滿足典型實測曲線如圖3所示，數(shù)據(jù)分析儀中數(shù)據(jù)處理器依據(jù)式對多點位移計的數(shù)據(jù)儲存器儲存的巷道表面測點A處位移及松動圈內(nèi)其它位置測點C、測點D、測點E等處位移值進(jìn)行計算分析，得出系數(shù)k₁、k₂的值。依據(jù)松動圈內(nèi)測點位移梯度即可得到深部巷道兩幫中部AB部位松動圈內(nèi)軟弱煤巖λ隨r曲線如圖4所示，對應(yīng)λ_min＝-20.0的r值即為松動圈厚度L的值。將計算出的k₁和k₂的值帶入計算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，計算出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值。

本裝置中多點位移計是實時監(jiān)測各測點的位移u，多點位移計數(shù)據(jù)儲存器是實時儲存各測點的位移u，數(shù)據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)處理器是應(yīng)用上述計算方法實時計算深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L并通過數(shù)據(jù)顯示器實時顯示松動圈厚度L的值。

以淮南礦區(qū)某煤礦采區(qū)軌道巷為例：

該巷道埋深約800.0m，煤巖粘結(jié)力c＝1.0MPa，內(nèi)摩擦角彈性模量E＝1.4GPa，泊松比λ＝0.34，斷面為5.4m×4.8m矩形巷道。

如圖1，測量深部巷道幫部AB部位軟弱煤巖松動圈厚度值，依據(jù)經(jīng)驗估計，該部位松動圈厚度L的值應(yīng)超過4.0m，為此分別取錨固頭位置C、錨固頭位置D、錨固頭位置E、錨固頭位置F距巷道表面距離r分別為1.0m，2.5m，4.0m，12.0m。根據(jù)多點位移計監(jiān)測結(jié)果，巷道開挖120天后各測點位移值u_A＝430.0mm，u_C＝302.0mm，u_D＝165.4mm，u_E＝75.3mm，依據(jù)構(gòu)建的u隨r變化的表達(dá)式對各測點位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，得系數(shù)k₁＝530.0，k₂＝3.62，u₀＝-100.0，將k₁和k₂值帶入計算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，得到巷道幫部AB部位松動圈厚度L＝7.2m，本發(fā)明測量裝置中數(shù)據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)顯示器實時顯示120天AB部位松動圈厚度值L＝7.2m。

為驗證該方法測試深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的準(zhǔn)確性，采用穩(wěn)定性及精度高、適用性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá)無損測試方法，地質(zhì)雷達(dá)選擇瑞典SCAB公司的RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)，測得的松動圈厚度L＝7.5m，兩者相對誤差4.0％，表明本發(fā)明計算法法具有較高的準(zhǔn)確性。

應(yīng)當(dāng)理解本文所述的例子和實施方式僅為了說明，并不用于限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)它做出各種修改或變化，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。