一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统包括：构建岩墙模型；基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式；基于所述计算公式，根据煤层参数确定所述极限平衡区宽度的数值。基于瓦斯压力和爆破扰动，根据极限平衡区宽度的数值确定揭煤爆破预留岩墙的厚度。本发明专利技术通过构建岩墙模型，基于极限平衡理论，据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，确定了综合因素影响的临界岩墙厚度计算公式，并通过数值模拟合理预留岩墙厚度，实现了安全揭煤。实现了安全揭煤。实现了安全揭煤。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及瓦斯隧道安全岩墙厚度计算
，特别是涉及一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着交通基础设施的全面推进，尤其是高速铁路以顺直的大半径曲线穿山越岭，线路不可避免地穿越大量的煤系地层。隧道穿越煤层时，瓦斯压力和涌出量增大，存在煤与瓦斯突出危险。隧道揭煤前，应预留一定厚度的安全岩墙，如果预留岩墙厚度过小，难以抵抗地应力和瓦斯压力自行揭穿煤层，造成瓦斯突出等安全隐患；反之会影响施工进度，影响揭煤作业。科学合理预留安全岩墙厚度已成为大断面隧道瓦斯突出工区揭煤施工安全的关键参数。
[0003]现有技术中对不同厚度的的预留岩柱厚度进行数值计算，结合预留岩柱的破坏情况来确定岩柱的最小厚度；现有技术建立了大采高工作面跨巷道开采的力学模型，确定了安全岩柱厚度的取值；现有技术结合隧道穿越急倾斜煤层施工，估算了安全岩柱的厚度，并建立了三维模型，选择了9m的安全岩柱；现有技术提出了采用止浆岩盘和多元回归分析改进法来计算瓦斯突出隧道防突安全岩盘厚度。现有技术中通过对羊角垴隧道数值模拟分析，推导出煤层倾角、瓦斯压力大小共同影响下安全岩柱厚度的拟合表达式；现有技术中依托西藏拉泽高速公路圭嘎拉隧道，针对不同煤层倾角，总结了隧道石门揭煤的岩柱安全厚度计算式。
[0004]以往的研究中，岩柱安全厚度以数值模拟分析为主，推导的理论计算公式中涉及的影响因素不全面。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统及系统，本专利技术基于极限平衡理论，提出了综合因素影响的临界岩墙厚度计算公式，并通过数值模拟合理预留岩墙厚度，实现了安全揭煤。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，包括以下步骤：
[0008]构建岩墙模型；
[0009]基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式；
[0010]基于所述计算公式，根据煤层参数确定所述极限平衡区宽度的数值。
[0011]基于瓦斯压力和爆破扰动，根据极限平衡区宽度的数值确定揭煤爆破预留岩墙的厚度。
[0012]优选地，所述岩墙模型中岩墙的顶部和底部均受垂直地应力作用，所述岩墙为所述岩墙模型的顶部约束和底部约束。
[0013]优选地，所述极限平衡区宽度的影响因素包括：隧道开挖高度、隧道上覆地层的平均容重、隧道掌子面埋深、应力集中系数、岩石内摩擦角和黏聚力、煤层倾角和瓦斯压力。
[0014]优选地，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，包括：
[0015]根据所述极限平衡理论和所述掌子面前方应力分布特征确定极限平衡区单元体受力状态；
[0016]根据所述极限平衡区单元体受力状态确定单元体处于极限平衡状态时x轴方向的受力方程；所述受力方程为：
[0017][0018]其中，σ
x
为水平应力；σ
z
为垂直应力，为岩石的内摩擦角，c为岩石的粘聚力；h为隧道的开挖高度，dx为单元体宽度。
[0019]优选地，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，包括：
[0020]根据所述极限平衡理论和所述掌子面前方应力分布特征确定极限平衡区单元体受力状态；
[0021]根据所述极限平衡区单元体受力状态确定岩墙中的应力平衡方程；所述应力平衡方程为：
[0022][0023][0024][0025]这里，τ
xz
为xz平面方向的剪应力。
[0026]在煤层和所述极限平衡区的交界处，满足：σ
x
＝βσ
z
＝βKγH；
[0027]优选地，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式包括：
[0028]根据所述受力方程和所述应力平衡方程确定垂直应力方程；所述垂直应力方程为
[0029][0030]其中，β为侧压系数，x为极限平衡区内任一点到掌子面前方岩壁的距离。
[0031]优选地，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，包括：
[0032]考虑煤层倾角、煤层瓦斯压力和边界条件确定所述极限平衡区宽度的计算公式；所述极限平衡区宽度的计算公式：
[0033][0034]其中，σ
x
＝βσ
z
＝βKγH，α为煤层倾角，P为煤层瓦斯压力，K为应力集中系数；γ为隧
道上覆地层平均容重，H为掌子面埋深；所述边界条件为σ
z
＝KγH+Pcosα。
[0035]优选地，包括：所述煤层参数包括：煤层倾角、瓦斯压力、炭质泥岩的内摩擦角、黏聚力、抗压强度。
[0036]一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算系统，包括：
[0037]构建模块，用于构建岩墙模型；
[0038]第一计算模块，用于基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式；
[0039]确定模块，用于基于所述计算公式，根据煤层参数确定所述极限平衡区宽度的数值。
[0040]第二计算模块，用于基于瓦斯压力和爆破扰动，根据极限平衡区宽度的数值模拟确定揭煤爆破预留岩墙的厚度。
[0041]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0042]本专利技术提供了一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法及系统及系统，本专利技术通过构建岩墙模型，基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，确定了综合因素影响的临界岩墙厚度计算公式，并通过数值模拟合理预留岩墙厚度，实现了安全揭煤。
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]图1为本专利技术提供的实施例中的隧道揭煤临界岩墙厚度计算方法流程图；
[0045]图2为本专利技术提供的实施例中的掌子面围岩应力重分布示意图；
[0046]图3为本专利技术提供的实施例中的岩墙模型图；
[0047]图4为本专利技术提供的实施例中的极限平衡区单元体受力状态；
[0048]图5为本专利技术提供的实施例中的建立模型；
[0049]图6为本专利技术提供的实施例中的三台阶法开挖步骤示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：构建岩墙模型；基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式；基于所述计算公式，根据煤层参数确定所述极限平衡区宽度的数值。基于瓦斯压力和爆破扰动，根据极限平衡区宽度的数值确定揭煤爆破预留岩墙的厚度。2.根据权利要求1所述的隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，其特征在于，所述岩墙模型中岩墙的顶部和底部均受垂直地应力作用，所述岩墙为所述岩墙模型的顶部约束和底部约束。3.根据权利要求1所述的隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，其特征在于，所述极限平衡区宽度的影响因素包括：隧道开挖高度、隧道上覆地层的平均容重、隧道掌子面埋深、应力集中系数、岩石内摩擦角和黏聚力、煤层倾角和瓦斯压力。4.根据权利要求1所述的隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，其特征在于，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，包括：根据所述极限平衡理论和所述掌子面前方应力分布特征确定极限平衡区单元体受力状态；根据所述极限平衡区单元体受力状态确定单元体处于极限平衡状态时x轴方向的受力方程；所述受力方程为：其中，σ
x
为水平应力；σ
z
为垂直应力，为岩石的内摩擦角，c为岩石的粘聚力；h为隧道的开挖高度，dx为单元体宽度。5.根据权利要求4所述的隧道揭煤安全岩墙临界厚度计算方法，其特征在于，所述基于极限平衡理论，根据掌子面前方应力分布特征和极限平衡区宽度的影响因素得到所述极限平衡区宽度的计算公式，包括：根据所述极限平衡理论和所述掌子面前方应力分布特征确定极限平衡区单元体受力状态；根据所述极限平衡区单元体受力状态确定岩墙中的应力平衡方程；所述应力平衡方程为：为：为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫肃，匡亮，王武现，杨晋文，黄明利，赵万强，晋刘杰，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司北京交通大学，
类型：发明
国别省市：