【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及矿山开采与掘进支护，更具体涉及一种基于应力扩散模型的临时支护优化方法、系统及装置。
技术介绍
1、煤炭资源高效开发面临的一个关键瓶颈在于掘进与采矿活动之间的不平衡状态，掘进作业进展缓慢的核心难题在于，掘进与永久支护作业难以并行实施，这一局限性显著制约了生产效率。为解决此问题，临时支护被视为一个潜在的突破口。然而，目前关于临时支护如何具体影响无支护区域巷道围岩稳定性的机制，尚缺乏明确的认识，这种技术空白不仅妨碍了无支护区域稳定性的有效保障，也使得合理设定无支护跨度成为一大挑战。因此，深入探究临时支护的作用机制，对于提升掘进效率及确保采矿作业的整体安全性至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于应力扩散模型的临时支护优化方法，用于为煤矿综采工作面的巷道掘进提供一种应力扩散模型，以便于分析临时支护的应力扩散作用，确定其合理跨度与强度，从而优化施工参数，改进支护设计，为实现煤炭资源的快速开采提供有效技术支撑。
2、为了实现上述目的，本专利技术通过如下的步骤进行实现：
3、步骤s1：建立临时支护应力扩散模型，并基于所述临时支护应力扩散模型获取巷道围岩无支护区临时支护应力场的分布特征；
4、步骤s2：通过数值模拟实验分析所述巷道围岩无支护区内所述临时支护产生的应力场的特征，验证所述临时支护应力扩散模型；
5、步骤s3：基于所述临时支护应力扩散模型和所述巷道围岩无支护区内所述临时支护产生的应力场的特征，分析影响所述巷
6、步骤s4：基于影响所述巷道围岩无支护区围岩稳定性的因素，确定最优临时支护力与无支护距离之间的线性关系，并推导出所述无支护区所需的最优临时支护力，基于临时支护应力的衰减程度，确定最大无支护距离，还基于顶板应力，确定临时支护区长度与无支护距离的总和，并基于所述临时支护应力扩散模型设计和优化截割参数与临时支护参数，布置设备，设计和优化巷道掘进工艺。
7、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s1中，建立临时支护应力扩散模型包括：
8、步骤s11：将巷道划分为待掘进区、空顶区、临时支护区和永久支护区，还将巷道围岩视作无限梁，将临时支护力对所述巷道围岩的作用视为作用在所述无限梁平面上的均匀法向力；
9、步骤s12：在所述临时支护区上对第一径向应力进行积分，获取临时支护力在任意给定点引起的第二径向应力，所述第一径向应力用公式1表示，所述第二径向应力用公式2表示：
10、
11、步骤s13：在所述空顶区上对所述第二径向应力进行积分，获取所述临时支护力在顶板空间内的扩散应力，用公式3表示；
12、
13、步骤s14：基于所述公式3获取所述临时支护力在所述巷道围岩内的扩散规律；
14、其中，f表示临时支护力，σ1表示任意径向应力，σ2表示所述临时支护力f在任意点引起的径向应力,σ3表示所述临时支护力f在空顶区内的应力，x是沿所述巷道的掘进方向，z是沿所述巷道的高度方向，l1是所述空顶区的长度，l2是所述临时支护区的长度，ζ表示x轴ζ处的微段，x1，x2，x3是x轴上的坐标。
15、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s11中，所述待掘进区是指尚未进行掘进的区域，所述空顶区是指已完成掘进但缺少临时支护的区域，所述临时支护区是指由临时支护直接支撑的区域，所述永久支护区是指锚固工作已完成且所述巷道围岩已经形成的稳定的区域。
16、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s14中，获取所述临时支护力在所述巷道围岩内的扩散规律之后：
17、基于所述临时支护力在所述巷道围岩内的扩散规律，所述临时支护力在所述空顶区内沿所述巷道高度方向距离顶板增加时，所述临时支护力在所述空顶区内的应力扩散先增加后减少，在第一数值处达到峰值；
18、所述临时支护力在所述空顶区内沿所述巷道掘进方向的应力扩散分为三个连续的区域：应力扩散区、应力衰减区和无扩散区，其中，所述应力扩散区是指在该区域内所述临时支护力几乎没有衰减，所述应力衰减区是指在该区域内所述临时支护力衰减速度较快，所述无扩散区是指在该区域内所述临时支护力不起作用。
19、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s1中，获取巷道围岩无支护区临时支护应力场的分布特征，包括：
20、对巷道围岩进行数学建模，预设所述临时支护在半无限平面上施加均匀的法向力，并通过积分推导得出所述临时支护应力在所述巷道围岩内沿巷道高度和掘进方向的扩散规律。
21、作为本专利技术的一种优选技术方案，分析所述无支护区内所述临时支护产生的应力场，包括：
22、设置模拟实验a和实验b，所述实验a模拟所述巷道掘进后未施加任何临时支护的情况，并记录巷道围岩的应力分布状态作为第一分布状态，所述实验b模拟所述巷道掘进后施加临时支护的情况，并记录巷道围岩的应力分布状态作为第二分布状态；
23、使用数值模型软件建立巷道模型，将所述实验a和所述实验b的第一参数输入所述巷道模型中，对于所述实验b，还将所述实验b的第二参数输入所述巷道模型中，其中，所述第一参数属于所述实验a和所述实验b共有的参数，包括巷道尺寸和岩石力学，所述第二参数包括所述临时支护的支护力和支护位置；
24、基于所述巷道模型，运行所述实验a和所述实验b，并记录所述实验a和所述实验b模拟过程中巷道围岩的应力和位移变化数据作为模拟结果；
25、对比所述实验a和所述实验b的模拟结果，分析有无临时支护对巷道围岩应力场的影响，并确定临时支护引起的应力集中区域和应力降低区域；
26、计算所述实验a和所述实验b在相同位置的应力差，获取不同高度上应力的变化数值，还获取沿掘进方向应力的分布和变化值，并基于所述应力的分布和所述变化值确定应力扩散区、应力衰减区和无应力扩散区。
27、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s3还包括：
28、基于所述实验a和所述实验b，可知随着所述临时支护力的增加，所述无支护区的巷道顶板应变减小，应力增加，在所述无支护区的巷道顶板应变等于零时，获取临时支护力并作为最佳临时支护力，同时获取无支护距离与最佳临时支护力之间的线性关系。
29、作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤s4还包括：
30、基于所述无支护距离与最佳临时支护力之间的线性关系，调整无支护距离，基于所述临时支护区的长度，定义所述临时支护区和无支护区的组合长度，且所述临时支护区和无支护区的组合长度小于第二数值，还设计临时支护设备，所述临时支护设备的长度小于第三数值。
31、本专利技术还提供一种如上所述的基于应力扩散模型的临时支护优化系统，包括如下模块：
32、模型建立单元，用于建立临时支护应力扩散模型，并基于所述临时支护应力扩散模型获取巷道围岩无支本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于应力扩散模型的临时支护优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立临时支护应力扩散模型包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S11中，所述待掘进区是指尚未进行掘进的区域，所述空顶区是指已完成掘进但缺少临时支护的区域，所述临时支护区是指由临时支护直接支撑的区域，所述永久支护区是指锚固工作已完成且所述巷道围岩已经形成的稳定的区域。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S14中，获取所述临时支护力在所述巷道围岩内的扩散规律之后：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取巷道围岩无支护区临时支护应力场的分布特征，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述无支护区内所述临时支护产生的应力场，包括：
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：
9.一种基于应力扩散模型的临时支护
10.一种运算装置，其特征在于，所述装置包括存储器和处理器：
...【技术特征摘要】
1.一种基于应力扩散模型的临时支护优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，建立临时支护应力扩散模型包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s11中，所述待掘进区是指尚未进行掘进的区域，所述空顶区是指已完成掘进但缺少临时支护的区域，所述临时支护区是指由临时支护直接支撑的区域，所述永久支护区是指锚固工作已完成且所述巷道围岩已经形成的稳定的区域。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s14中，获取所述临时支护力在所述巷道围岩内的扩散规律之后：
5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：马宏伟，张恒，王川伟，毛清华，薛旭升，田海波，刘鹏，王鹏，薛力猛，孙思雅，张烨，马柯翔，郭逸风，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
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