无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，涉及矿业技术领域，包括以下步骤：S1、确定锚索补偿支护力的主要作用阶段，建立锚索支护作用下的短臂梁顶板围岩的破坏机制；S2、根据塑性力学上限分析理论，结合所述短臂梁顶板围岩的破坏机制，提出锚索补偿支护力设计方法。本发明专利技术解决了现有技术所存在的问题，能够为短臂梁顶板的锚索补偿支护力设计提供理论依据。支护力设计提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法


[0001]本专利技术涉及矿业
，特别是涉及一种无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法。

技术介绍

[0002]无煤柱自成巷开采技术是一种新型的煤炭长壁开采方法，十八世纪初期，英国什洛普郡首次出现了长壁开采方法，该技术改变了传统长壁开采工作面与巷道布局，利用N00技术工艺与装备体系，可实现取消提前掘巷，取消区段煤柱留设，有效降低巷道围岩应力，有利于安全高效开采。N00工法的核心在于利用切顶卸压技术对巷道顶板进行定向切缝，切缝后形成切顶“短臂梁结构”，该结构的稳定控制是N00工法成巷关键。
[0003]研究表明，锚索在巷道顶板的稳定性控制上发挥着重要的作用。巷道开挖初期，围岩三向应力状态发生改变时，利用高预应力锚索及时进行补偿支护，可最大限度恢复围岩强度。为保证短臂梁顶板的稳定性，提供适应岩体大变形特性的可靠支护手段，何满潮等研发了具有NPR结构的新型恒阻大变形锚索，该锚索由恒阻装置、杆体、托盘和螺母组成，结构简单、施工方便，在抗冲击、抗剪切及吸收能量方面具有优异的性能。
[0004]然而，在短臂梁顶板的现场锚索支护设计中，尚无法找到一种考虑岩体围岩应力、切缝参数、巷道宽度、非对称系数等综合因素影响下的锚索补偿支护力的设计方法。
[0005]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，能够为短臂梁顶板的锚索补偿支护力设计提供理论依据。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，包括以下步骤：
[0009]S1、确定锚索补偿支护力的主要作用阶段，基于短臂梁顶板围岩变形特征建立锚索补偿支护力作用机制；
[0010]S2、根据塑性力学上限分析理论，结合所述短臂梁顶板围岩变形特征，确定锚索补偿支护力。
[0011]优选的，所述步骤S1中，根据试验和/或现场监测，结合短臂梁顶板的结构特征及变化过程确定短臂梁顶板所处状态具有摩擦垮落阶段、动压影响阶段、成巷稳定阶段三个阶段；并确定所述锚索补偿支护力的主要作用阶段包括所述摩擦垮落阶段和所述成巷稳定阶段。
[0012]优选的，所述步骤S1中，基于短臂梁顶板围岩变形特征建立锚索补偿支护力作用
机制包括：
[0013]所述短臂梁顶板处于摩擦垮落阶段时，锚索补偿支护力的主要作用在于防止短臂梁在采空区矸石垮落摩擦力的作用下产生大变形，此时短臂梁顶板应力状态为受拉，锚索补偿支护力的设计应应考虑水平应力作用，确定垮落摩擦力；
[0014]所述短臂梁顶板处于动压影响阶段时，锚索补偿支护力的主要作用是与巷旁临时支护共同保持短臂梁稳定，此时短臂梁顶板应力状态为受压，锚索补偿支护力的设计应考虑巷旁支护力作用及采动影响，确定巷旁支护阻力范围及采动影响系数；
[0015]所述短臂梁顶板处于成巷稳定阶段时，巷旁临时支护撤出，锚索补偿支护力的主要作用是与采空区垮落矸石的支撑力共同保持短臂梁稳定，此时短臂梁顶板应力状态为受拉，锚索补偿支护力的设计应考虑采空区矸石对短臂梁顶板的支撑作用，确定碎胀矸石支撑力。
[0016]优选的，所述步骤S2中，根据塑性力学上限分析理论，结合所述短臂梁顶板围岩变形特征，求解围岩的内部能量耗散率，确定外力做功功率，计算并比选短臂梁顶板各阶段单根锚索补偿支护力，确定锚索补偿支护力。
[0017]优选的，求解围岩的内部能量耗散率包括：
[0018]根据塑性位势理论，求得围岩的岩体破裂面处塑性应变增量；
[0019]根据所述塑性应变增量，求得破裂面处岩体内部能量耗散率。
[0020]优选的，确定外力做功功率包括：
[0021]获得围岩应力做功功率；
[0022]获得围岩自重做功功率；
[0023]获得锚索补偿支护力做功功率；
[0024]获得顶板摩擦垮落阶段，垮落摩擦力做功功率；
[0025]获得顶板成巷稳定阶段，碎胀矸石支撑力做功功率；
[0026]获得巷旁支护力做功功率；
[0027]获得实体煤帮支撑力功率。
[0028]优选的，根据锚索补偿支护参数，确定短臂梁顶板运动各阶段中单根锚索所需补偿支护力；
[0029]其中，所述锚索补偿支护参数包括围岩应力、切缝角度、切缝高度、巷道宽度、侧压力系数、碎胀矸石支撑系数、采动影响系数、巷旁支护力、锚索间排距、岩体黏聚力、非对称系数、岩体重度、岩体内摩擦角。
[0030]优选的，当短臂梁顶板处于摩擦垮落阶段时，单根锚索补偿支护力临界值为：
[0031][0032]其中，Pa1为短臂梁顶板处于摩擦垮落阶段时单根锚索所需的补偿支护力，l为巷道宽度，c为岩体黏聚力，h为切缝高度，γ为岩体重度，为岩体的内摩擦角，θ为切缝角度，q为围岩应力，n为锚索根数，k为非对称系数，λ1为采动影响系数，λ0为侧压力系数，μ为岩块间摩擦系数；
[0033]当短臂梁顶板处于动压影响阶段时，单根锚索补偿支护力临界值为：
[0034][0035]其中，Pa2为短臂梁顶板处于动压影响阶段时单根锚索所需的补偿支护力，l为巷道宽度，c为岩体黏聚力，h为切缝高度，γ为岩体重度，为岩体的内摩擦角，θ为切缝角度，q为围岩应力，F为巷旁支护力，n为锚索根数，k为非对称系数，λ1为采动影响系数，λ2碎胀矸石支撑系数；
[0036]当短臂梁顶板处于成巷稳定阶段时，单根锚索补偿支护力临界值为：
[0037][0038]其中，Pa3为成巷稳定阶段时单根锚索所需的补偿支护力，l为巷道宽度，c为岩体黏聚力，h为切缝高度，γ为岩体重度，为岩体的内摩擦角，θ为切缝角度，q为围岩应力，n为锚索根数，k为非对称系数，λ1为采动影响系数，λ2碎胀矸石支撑系数。
[0039]优选的，根据塑性力学上限分析理论，确定判定准则为巷道宽度l与冒落体宽度b相等时，取得单根锚索所需补偿支护力临界值。
[0040]优选的，取极限状态λ2＝0，计算短臂梁顶板各阶段中单根锚索所需补偿支护力；
[0041]对短臂梁顶板非对称线性施加锚索预紧力。
[0042]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0043]本专利技术构造了锚索支护作用下短臂梁顶板围岩破坏机制，根据塑性力学上限分析理论并结合上述短臂梁顶板围岩破坏机制，利用敏感性分析方法能够对锚索补偿支护力的影响因素进行分析，提出相应的工程建议，为短臂梁顶板的锚索补偿支护力设计提供了理论依据。
具体实施方式
[0044]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定锚索补偿支护力的主要作用阶段，基于短臂梁顶板围岩变形特征建立锚索补偿支护力作用机制；S2、根据塑性力学上限分析理论，结合所述短臂梁顶板围岩变形特征，确定锚索补偿支护力。2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据试验和/或现场监测，结合短臂梁顶板的结构特征及变化过程确定短臂梁顶板所处状态具有摩擦垮落阶段、动压影响阶段、成巷稳定阶段三个阶段；并确定所述锚索补偿支护力的主要作用阶段包括所述摩擦垮落阶段和所述成巷稳定阶段。3.根据权利要求1或2所述的无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于短臂梁顶板围岩变形特征建立锚索补偿支护力作用机制包括：所述短臂梁顶板处于摩擦垮落阶段时，锚索补偿支护力用于防止短臂梁在采空区矸石垮落摩擦力的作用下产生变形，此时短臂梁顶板应力状态为受拉，锚索补偿支护力的设计考虑水平应力作用，确定垮落摩擦力；所述短臂梁顶板处于动压影响阶段时，锚索补偿支护力用于与巷旁临时支护共同保持短臂梁稳定，此时短臂梁顶板应力状态为受压，锚索补偿支护力的设计考虑巷旁支护力作用及采动影响，确定巷旁支护阻力范围及采动影响系数；所述短臂梁顶板处于成巷稳定阶段时，巷旁临时支护撤出，锚索补偿支护力用于与采空区垮落矸石的支撑力共同保持短臂梁稳定，此时短臂梁顶板应力状态为受拉，锚索补偿支护力的设计考虑采空区矸石对短臂梁顶板的支撑作用，确定碎胀矸石支撑力。4.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据塑性力学上限分析理论，结合所述短臂梁顶板围岩变形特征，求解围岩的内部能量耗散率，确定外力做功功率，计算并比选短臂梁顶板各阶段单根锚索补偿支护力，确定锚索补偿支护力。5.根据权利要求4所述的无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，求解围岩的内部能量耗散率包括：根据塑性位势理论，求得围岩的岩体破裂面处塑性应变增量；根据所述塑性应变增量，求得破裂面处岩体内部能量耗散率。6.根据权利要求4所述的无煤柱自成巷短臂梁顶板锚索补偿支护力的设计方法，其特征在于，确定外力做功功率包括：获得围岩应力做功...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚军，刘奔，张俊，侯世林，陈菲，李宏财，吴星，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：