一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断及其控制方法技术

本发明专利技术涉及煤矿开采技术领域，提供了一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断方法，包括如下步骤：S1、构建几何模型；S2、构建力学模型，对假想岩体受矿震产生震动速度、锚杆冲击动载力进行相应分析，并获得锚杆冲击拉伸破坏力学判据。本发明专利技术还提供了一种基于上述深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断方法的控制方法。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术对深部巷道锚杆“动

【技术实现步骤摘要】
一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断及其控制方法


[0001]本专利技术涉及煤矿开采
，尤其涉及一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断及其控制方法。

技术介绍

[0002]锚杆(索)能够对围岩施加较高的预紧力，并充分“调动”围岩本身的承载强度，改善和形成“支护
‑
围岩”体结构。其属于主动支护形式，在国内外的地下煤矿支护等工程领域均得到广泛应用，且逐渐成为煤矿巷道首选的支护方式。目前，我国大部分矿区巷道锚杆(索)支护率已超过90％。
[0003]另外，随着浅部煤炭资源不断开采和枯竭，深部开采巷道冲击地压不断出现。与浅地表矿山动力显现相比，深井巷道冲击地压具有破坏严重、影响范围广以及灾后可修复性差等特点，受到了政府部门、生产单位和科研人员持续关注。
[0004]由于深部开采明显受到了高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈采掘扰动等“三高一扰动”影响，同时，深部冲击地压矿井往往受矿震(动载)影响，巷道的围岩环境及其支护控制受到了更大的挑战。针对这一难题，深部矿井普遍采用高强度锚杆(索)支护，其具有承载能力高、稳定性和整体性高等特点，较好的解决了巷道围岩大变形的问题，但其仍然存在锚杆(索)破断的问题。对于锚杆(索)的破断，其轻者能够弹射伤人，重者则可能引起局部巷道支护失效，引起更大范围的巷道围岩失稳，甚至造成巷道冲击。同时，由于锚杆(索)破断仅在极短的时间内发生，无法实现监测、预警和人员防护等，属于隐蔽性灾害，将给采矿安全带来极大的威胁。因此，为了实现锚杆(索)支护效果定性评估和深部巷道围岩稳定，需要开展深部巷道锚杆(索)的主要受力特点和拉伸破坏形式的研究。
[0005]然而，目前为止，学者在深部巷道锚杆“静载”受力变形和拉伸破断方面的开展的研究和成果比较丰富，而“动
‑
静载”拉伸破断机理研究相对较少，研究成果也只能定性描述，影响动载系数的因素和大小等定性结果还需要进一步探索。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于“动
‑
静载”拉伸破断机理的深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断及其控制方法。
[0007]本专利技术采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0008]一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断方法，包括如下步骤：
[0009]S1、构建几何模型：
[0010]基于锚杆或锚索的支护原理，建立“支护
‑
围岩”局部结构简化空间模型；当所述“支护
‑
围岩”局部结构发生破坏，巷道直接顶首先发生破坏，并逐渐向周边扩展；假想直接顶存在处于破坏状态的假想岩体，在锚杆预紧力作用下岩体间无明显间隔或分层现象，锚杆和锚固段未发生破坏，“支护
‑
围岩”局部结构处于悬吊状态；此时，将假想岩体质量计为M，巷道锚杆支护的排距为a、间距为b，直接顶厚度为m，则对于单个锚杆来说，其控制的假想
岩体体积不超过a
×
b
×
m；按最大估算，假想岩体长度
×
宽度
×
厚度＝a
×
b
×
m；
[0011]S2、构建力学模型并进行相应分析：
[0012]S21、对假想岩体受矿震产生震动速度进行分析
[0013]当厚硬岩层破断运动或覆岩空间结构失稳诱发矿震，震源能量瞬间释放并在采场和巷道围岩产生不同程度的震动响应；将震源和考察的巷道视为2个独立的“点”，震源在岩体介质中传播的是能量；设震源能量为U，震源距假想岩体中心之间直线距离为r，震源岩体介质的能量衰减是传播路径距离的幂指数衰减函数，表示为：
[0014]U
r
＝U
·
r
‑
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)；
[0015]式(1)中：U
r
为距震源直线为r的岩体介质单位能量，λ为传播距离方向上岩体介质综合衰减系数；
[0016]假设震源传递至假想岩体的单位能量全部被吸收，则质量为M的假想岩体吸收能量大小U
m
表示为：
[0017]U
m
＝πρ2·
U
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(2)；
[0018]式(2)中：ρ为质量为M的假想岩体当量半径，设岩体平均容重为γ，考虑质量相等4πρ3γ/3＝M或者4πρ3/3＝abm，估算
[0019]假想岩体吸收的能量全部转化成假想岩体的动能，估算假想岩体最大震动速度v
m
为：
[0020]或
[0021]考虑震源与假想岩体的空间关系，估算假想岩体竖直向下的震动速度v
v
：
[0022][0023]式(4)中：β为震源传播方向与垂直方向之间夹角；
[0024]S22、对锚杆冲击动载力进行分析
[0025]当假想岩体冲击于底部岩体，静止的底部岩体和相连锚杆产生冲击效应；此时假设：假想岩体冲击过程中不发生明显变形，被冲击的托盘及考察构件质量远小于冲击物的质量，冲击后冲击物与被冲击物附着在一起形成统一运动系统，认为只有系统动能与势能相互转化，同时冲击过程中锚杆未发生脱锚和破断现象，并在其弹性变形范围之内；
[0026]假想岩体与托盘发生冲击的整个过程，系统减少的重力势能V：
[0027]V＝MgΔ
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)；
[0028]冲击过程中系统减少的动能T：
[0029][0030]冲击过程中，托盘受迫与假想岩体一起运动；假定锚杆在冲击过程中产生的应力不超过其弹性极限，动载荷作用下仍然满足胡克定律，因此锚杆增加的动载应变能V
εd
：
[0031][0032]式(7)中：P
d
为锚杆和托盘受到的冲击动载集中力，Δ
d
为锚杆在动载情况下拉伸变形量；
[0033]锚杆单独在静载P
j
＝Mg和动载P
d
作用下，对应的拉伸变形量Δ
j
、Δ
d
分别为：
[0034][0035][0036]式中：l为锚杆锚固末端至托盘之间的自由段长度，E、S分别为锚杆的弹性模量和截面面积；
[0037]根据冲击过程，冲击物和被冲击物组成系统能量转化守恒关系为：
[0038]V+T＝V
εd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(10)；
[0039]联立式(5)～(10)化简并得到Δ
d
和Δ
j
之间关系
[0040][0041]求解P
d
＝kMg，其中
[0042]基于分析得到则P
d
≈2Mg，此时取P
d
＝2Mg；
[0043]S23、锚杆冲击拉伸破坏力学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建几何模型：基于锚杆或锚索的支护原理，建立“支护
‑
围岩”局部结构简化空间模型；当所述“支护
‑
围岩”局部结构发生破坏，巷道直接顶首先发生破坏，并逐渐向周边扩展；假想直接顶存在处于破坏状态的假想岩体，在锚杆预紧力作用下岩体间无明显间隔或分层现象，锚杆和锚固段未发生破坏，“支护
‑
围岩”局部结构处于悬吊状态；此时，将假想岩体质量计为M，巷道锚杆支护的排距为a、间距为b，直接顶厚度为m，则对于单个锚杆来说，其控制的假想岩体体积不超过a
×
b
×
m；按最大估算，假想岩体长度
×
宽度
×
厚度＝a
×
b
×
m；S2、构建力学模型并进行相应分析：S21、对假想岩体受矿震产生震动速度进行分析当厚硬岩层破断运动或覆岩空间结构失稳诱发矿震，震源能量瞬间释放并在采场和巷道围岩产生不同程度的震动响应；将震源和考察的巷道视为2个独立的“点”，震源在岩体介质中传播的是能量；设震源能量为U，震源距假想岩体中心之间直线距离为r，震源岩体介质的能量衰减是传播路径距离的幂指数衰减函数，表示为：U
r
＝U
·
r
‑
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)；式(1)中：U
r
为距震源直线为r的岩体介质单位能量，λ为传播距离方向上岩体介质综合衰减系数；假设震源传递至假想岩体的单位能量全部被吸收，则质量为M的假想岩体吸收能量大小U
m
表示为：U
m
＝πρ2·
U
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(2)；式(2)中：ρ为质量为M的假想岩体当量半径，设岩体平均容重为γ，考虑质量相等4πρ3γ/3＝M或者4πρ3/3＝abm，估算假想岩体吸收的能量全部转化成假想岩体的动能，估算假想岩体最大震动速度v
m
为：考虑震源与假想岩体的空间关系，估算假想岩体竖直向下的震动速度v
v
：式(4)中：β为震源传播方向与垂直方向之间夹角；S22、对锚杆冲击动载力进行分析当假想岩体冲击于底部岩体，静止的底部岩体和相连锚杆产生冲击效应；此时假设：假想岩体冲击过程中不发生明显变形，被冲击的托盘及考察构件质量远小于冲击物的质量，冲击后冲击物与被冲击物附着在一起形成统一运动系统，认为只有系统动能与势能相互转化，同时冲击过程中锚杆未发生脱锚和破断现象，并在其弹性变形范围之内；假想岩体与托盘发生冲击的整个过程，系统减少的重力势能V：V＝MgΔ
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)；冲击过程中系统减少的动能T：
冲击过程中，托盘受迫与假想岩体一起运动；假定锚杆在冲击过程中产生的应力不超过其弹性极限，动载荷作用下仍然满足胡克定律，因此锚杆增加的动载应变能V
εd
：式(7)中：P
d
为锚杆和托盘受到的冲击动载集中力，Δ
d
为锚杆在动载情况下拉伸变形量；锚杆单独在静载P
j
＝Mg和动载P
d
作用下，对应的拉伸变形量Δ
j
、Δ
d
分别为：分别为：式中：l为锚杆锚固末端至托盘之间的自由段长度，E、S分别为锚杆的弹性模量和截面面积；根据冲击过程，冲击物和被冲击物组成系统能量转化守恒关系为：V+T＝V
εd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(10)；联立式(5)～(10)化简并得到Δ
d
和Δ
j
之间关系求解P
d
＝kMg，其中基于分析得到则P
d
≈2Mg，此时取P
d
＝2Mg；S23、锚杆冲击拉伸破坏力学判据设锚杆直径为D，施加的预紧力为F
t
，矿震引起的动...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，王磊，陈宝宝，倪廉钦，张贵生，胡浩，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：