本發(fā)明涉及煤巖松動(dòng)圈測(cè)量領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度的計(jì)算方法及應(yīng)用該方法的測(cè)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(dòng)圈范圍內(nèi)煤巖碎脹確定，合理確定煤巖松動(dòng)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(cè)試方法如聲波法及鉆孔攝像法對(duì)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(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量松動(dòng)圈厚度，工程不宜普遍推廣應(yīng)用。多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)巷道煤巖位移由于操作簡(jiǎn)單方便在工程中已廣泛應(yīng)用，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果經(jīng)驗(yàn)分析煤巖松動(dòng)圈厚度在工程已有應(yīng)用，但量化判別煤巖松動(dòng)圈厚度且實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)還未有報(bào)道。

深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)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(dòng)圈內(nèi)位移場(chǎng)分布特征，選擇合理指標(biāo)計(jì)算深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度有工程實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)單、合理，容易實(shí)施，而且準(zhǔn)確度高的深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度的計(jì)算方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)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(dòng)圈厚度的計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)定義測(cè)點(diǎn)的初始位置距巷道表面的距離為r，測(cè)點(diǎn)的位移為u，所述測(cè)點(diǎn)在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動(dòng)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(cè)量?jī)蓚€(gè)以上測(cè)點(diǎn)的u隨r變化的過(guò)程，計(jì)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(jì)算得出深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度L的值：

L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

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

進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述測(cè)點(diǎn)的數(shù)量為3～4個(gè)。

本發(fā)明還提供一種測(cè)量深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度的裝置，該裝置應(yīng)用了權(quán)利要求上述的計(jì)算方法，包括多點(diǎn)位移計(jì)以及與多點(diǎn)位移計(jì)連接的數(shù)據(jù)分析儀，所述多點(diǎn)位移計(jì)含有用于儲(chǔ)存測(cè)點(diǎn)位移的數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(jì)算方法簡(jiǎn)單、合理，容易實(shí)施，而且計(jì)算準(zhǔn)確度高，避免依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算造成的明顯誤差。

2.本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠非常好地應(yīng)用到本發(fā)明的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)測(cè)深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度及實(shí)時(shí)顯示，并保證測(cè)量精度。

3.本發(fā)明可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的松動(dòng)圈厚度，及時(shí)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(kāi)采，具有非常好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是應(yīng)用本發(fā)明計(jì)算方法和裝置進(jìn)行深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度工程實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(diǎn)位移計(jì)、1.1多點(diǎn)位移計(jì)的殼體、1.2多點(diǎn)位移計(jì)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

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

(1)定義測(cè)點(diǎn)的初始位置距巷道表面的距離為r，測(cè)點(diǎn)的位移為u，所述測(cè)點(diǎn)在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(duì)誤差δ≤8.0％，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差e_r≤10.0％，為簡(jiǎn)潔描述，在此不做詳述。實(shí)際上，這里的測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的位移u也就是現(xiàn)有多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)巷道煤巖位移做法中的測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的位移。

(2)測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上測(cè)點(diǎn)的u隨r變化的過(guò)程，計(jì)算得出k₁和k₂的值；

一般，u可通過(guò)現(xiàn)有多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)得，具體可以通過(guò)回歸分析計(jì)算k₁和k₂的值；

(3)將得出的k₁和k₂的值帶入如下公式，計(jì)算出深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)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(cè)點(diǎn)的位移梯度為λ，則經(jīng)過(guò)大量分析研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)λ取值λ_min時(shí)，反推得到的r值基本上與深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度L相同，λ_min是指深部巷道軟弱煤巖處于臨界松動(dòng)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(shí)測(cè)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(dòng)圈厚度，但不同條件松動(dòng)圈邊界即煤巖處于臨界松動(dòng)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(dòng)圈厚度L的計(jì)算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)。

有了上述計(jì)算方法，再結(jié)合現(xiàn)有的多點(diǎn)位移計(jì)，可以得到一種能夠測(cè)量深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度并實(shí)時(shí)顯示的裝置，參見(jiàn)圖1和圖2，該裝置包括多點(diǎn)位移計(jì)1以及通過(guò)數(shù)據(jù)線與多點(diǎn)位移計(jì)連接的數(shù)據(jù)分析儀2，所述多點(diǎn)位移計(jì)含有用于儲(chǔ)存測(cè)點(diǎn)位移的數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(duì)多點(diǎn)位移計(jì)儲(chǔ)存的鉆孔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)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(jì)算方法得到煤巖松動(dòng)圈厚度值，數(shù)據(jù)顯示器2.2用于實(shí)時(shí)顯示松動(dòng)圈厚度的L的值；

多點(diǎn)位移計(jì)可以采用本領(lǐng)域使用的任意結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)位移計(jì)，下面以拉繩式的多點(diǎn)位移計(jì)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(shí)施過(guò)程：

如圖1所示。

在深部巷道軟弱煤巖中布置鉆孔AB，多點(diǎn)位移計(jì)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(diǎn)位移計(jì)的殼體固定在巷道表面(圖中A點(diǎn)所在的巷道內(nèi)壁)，殼體內(nèi)含有用于儲(chǔ)存測(cè)點(diǎn)位移的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，多點(diǎn)位移計(jì)的各拉繩與鉆孔內(nèi)的各錨固頭連接，這樣通過(guò)測(cè)量各拉繩長(zhǎng)度變化來(lái)反映不同位置錨固頭位置與巷道表面相對(duì)位移從而計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的位移。

為計(jì)算巷道AB部位煤巖松動(dòng)圈厚度L，測(cè)量松動(dòng)圈內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)位移u，測(cè)點(diǎn)數(shù)目3～4個(gè)，其中1個(gè)位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過(guò)渡位置處(圖中A點(diǎn))，另外2～3測(cè)點(diǎn)位于松動(dòng)圈范圍內(nèi)其它位置。圖中例示測(cè)點(diǎn)數(shù)目為4個(gè)，其中1個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖示A點(diǎn))位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過(guò)渡位置處，另外3個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖中C、D、E點(diǎn))位于松動(dòng)圈范圍內(nèi)其它位置；為測(cè)定圖中例示各測(cè)點(diǎn)位移u，在圖中例示測(cè)點(diǎn)C、D、E點(diǎn)分別布置1個(gè)錨固頭，另外在距巷道表面較遠(yuǎn)(一般超過(guò)10.0m)的原巖應(yīng)力區(qū)再布置1個(gè)錨固頭(圖中F點(diǎn))，錨固頭為類(lèi)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(diǎn)位于原巖應(yīng)力區(qū)，位移u_F＝0。測(cè)點(diǎn)A的位移值u_A可用連接測(cè)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)F的拉繩伸長(zhǎng)量Δ₁示之，即u_A＝Δ₁；連接測(cè)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)C的拉繩伸長(zhǎng)量Δ₂＝u_A-u_C，測(cè)點(diǎn)C的位移值可用u_C＝u_A-Δ₂示之；連接測(cè)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)D的拉繩的伸長(zhǎng)量Δ₃＝u_A-u_D，測(cè)點(diǎn)D的位移值可用u_D＝u_A-Δ₃示之；連接測(cè)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)E拉繩伸長(zhǎng)量Δ₄＝u_A-u_E，測(cè)點(diǎn)E的位移值可用u_E＝u_A-Δ₄示之。

多點(diǎn)位移計(jì)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器儲(chǔ)存測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)C、測(cè)點(diǎn)D及測(cè)點(diǎn)E的位移值，數(shù)據(jù)分析儀對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器儲(chǔ)存的各測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的u隨r變化較好滿足典型實(shí)測(cè)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(duì)多點(diǎn)位移計(jì)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器儲(chǔ)存的巷道表面測(cè)點(diǎn)A處位移及松動(dòng)圈內(nèi)其它位置測(cè)點(diǎn)C、測(cè)點(diǎn)D、測(cè)點(diǎn)E等處位移值進(jìn)行計(jì)算分析，得出系數(shù)k₁、k₂的值。依據(jù)松動(dòng)圈內(nèi)測(cè)點(diǎn)位移梯度即可得到深部巷道兩幫中部AB部位松動(dòng)圈內(nèi)軟弱煤巖λ隨r曲線如圖4所示，對(duì)應(yīng)λ_min＝-20.0的r值即為松動(dòng)圈厚度L的值。將計(jì)算出的k₁和k₂的值帶入計(jì)算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，計(jì)算出深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度L的值。

本裝置中多點(diǎn)位移計(jì)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的位移u，多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器是實(shí)時(shí)儲(chǔ)存各測(cè)點(diǎn)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(jì)算方法實(shí)時(shí)計(jì)算深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度L并通過(guò)數(shù)據(jù)顯示器實(shí)時(shí)顯示松動(dòng)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(cè)量深部巷道幫部AB部位軟弱煤巖松動(dòng)圈厚度值，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，該部位松動(dòng)圈厚度L的值應(yīng)超過(guò)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(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，巷道開(kāi)挖120天后各測(cè)點(diǎn)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(duì)各測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得系數(shù)k₁＝530.0，k₂＝3.62，u₀＝-100.0，將k₁和k₂值帶入計(jì)算公式L＝-k₂ln(20k₂/k₁)，得到巷道幫部AB部位松動(dòng)圈厚度L＝7.2m，本發(fā)明測(cè)量裝置中數(shù)據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)顯示器實(shí)時(shí)顯示120天AB部位松動(dòng)圈厚度值L＝7.2m。

為驗(yàn)證該方法測(cè)試深部巷道軟弱煤巖松動(dòng)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(wú)損測(cè)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(cè)得的松動(dòng)圈厚度L＝7.5m，兩者相對(duì)誤差4.0％，表明本發(fā)明計(jì)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(shí)施方式僅為了說(shuō)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)。