一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法及應用該方法的測量裝置與流程
本發明涉及煤巖松動圈測量領域，具體地說涉及一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法及應用該方法的測量裝置。
背景技術：
深部巷道軟弱煤巖廣泛存在，煤巖變形及其穩定性主要由松動圈范圍內煤巖碎脹確定，合理確定煤巖松動圈厚度可為量化選擇合理支護形式及參數保持煤巖穩定提供依據。
目前，工程常用測試方法如聲波法及鉆孔攝像法對深部巷道軟弱煤巖適用性較差，地震波法及地質雷達法操作分析復雜且成本較高，尤其是以上各種方法不能實時連續測量松動圈厚度，工程不宜普遍推廣應用。多點位移計實測巷道煤巖位移由于操作簡單方便在工程中已廣泛應用，根據實測結果經驗分析煤巖松動圈厚度在工程已有應用，但量化判別煤巖松動圈厚度且實時預報還未有報道。
深部巷道軟弱煤巖松動圈內位移分布與塑性區、彈性區范圍明顯不同，根據深部巷道軟弱煤巖松動圈內位移場分布特征，選擇合理指標計算深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度有工程實用價值。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種簡單、合理，容易實施，而且準確度高的深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法。
為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法，包括以下步驟：
(1)定義測點的初始位置距巷道表面的距離為r，測點的位移為u，所述測點在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動圈范圍內，構建如下u隨r變化的表達式：
其中，u0、k1和k2為系數；
(2)測量兩個以上測點的u隨r變化的過程，計算得出k1和k2的值；
(3)將得出的k1和k2的值帶入如下公式，計算得出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值：
L＝-k2ln(20k2/k1)。
進一步地，步驟(2)中，所述測點中的一個位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處。
進一步地，步驟(2)中，所述測點的數量為3～4個。
本發明還提供一種測量深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的裝置，該裝置應用了權利要求上述的計算方法，包括多點位移計以及與多點位移計連接的數據分析儀，所述多點位移計含有用于儲存測點位移的數據儲存器，所述數據分析儀包括數據處理器和數據顯示器。
本發明有益效果體現在：
1.本發明計算方法簡單、合理，容易實施，而且計算準確度高，避免依據經驗估算造成的明顯誤差。
2.本發明測量裝置結構簡單，操作方便，能夠非常好地應用到本發明的計算方法，實現工程實測深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度及實時顯示，并保證測量精度。
3.本發明可以實時監測的松動圈厚度，及時選擇合理支護保持深部巷道軟弱煤巖穩定性，保證巷道安全快速掘進及煤炭高效順利開采，具有非常好的應用前景。
附圖說明
圖1是應用本發明計算方法和裝置進行深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度工程實測示意圖。
圖2是本發明裝置中數據分析儀的結構示意圖。
圖3是工程實測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。
附圖中各部件的標記為：1多點位移計、1.1多點位移計的殼體、1.2多點位移計的拉繩、1.3錨固頭、2數據分析儀、2.1數據處理器、2.2數據顯示器。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述：
為較為準確快速方便測試深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度，本部分提供一種深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的計算方法，包括以下步驟：
(1)定義測點的初始位置距巷道表面的距離為r，測點的位移為u，所述測點在深部巷道軟弱煤巖鉆孔中并位于松動圈范圍內，構建如下u隨r變化的表達式：
其中，u0、k1和k2為系數；
上述u隨r變化的表達式是根據大量實驗結果，采用最小二乘法進行回歸分析得出的，具有顯著的相關性。不同條件都滿足相關系數r≥0.92，平均相對誤差δ≤8.0％，相對標準差er≤10.0％，為簡潔描述，在此不做詳述。實際上，這里的測點和測點的位移u也就是現有多點位移計實測巷道煤巖位移做法中的測點和測點的位移。
(2)測量兩個以上測點的u隨r變化的過程，計算得出k1和k2的值；
一般，u可通過現有多點位移計測得，具體可以通過回歸分析計算k1和k2的值；
(3)將得出的k1和k2的值帶入如下公式，計算出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值：
L＝-k2ln(20k2/k1)
上述公式是基于位移梯度所得，定義測點的位移梯度為λ，則經過大量分析研究發現，當λ取值λmin時，反推得到的r值基本上與深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L相同，λmin是指深部巷道軟弱煤巖處于臨界松動破碎狀態位移梯度臨界容許值，理論分析指導下大量工程實測結合數值模擬結果表明深部巷道位置地應力、煤巖巖性、巷道斷面及支護強度等原始條件顯著影響松動圈厚度，但不同條件松動圈邊界即煤巖處于臨界松動破碎狀態位移梯度臨界容許值λmin基本相同并可取λmin＝-20.0，據此臨界容許值λmin及k1、k2值結合式反推得到r＝-k2ln(20k2/k1)，也就得到了深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的計算公式L＝-k2ln(20k2/k1)。
有了上述計算方法，再結合現有的多點位移計，可以得到一種能夠測量深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度并實時顯示的裝置，參見圖1和圖2，該裝置包括多點位移計1以及通過數據線與多點位移計連接的數據分析儀2，所述多點位移計含有用于儲存測點位移的數據儲存器，所述數據分析儀2包括數據處理器2.1和數據顯示器2.2，所述數據處理器2.1和數據顯示器2.2采用現有的數據處理器和顯示器即可，數據處理器2.1用于對多點位移計儲存的鉆孔內不同測點位移數據進行分析獲得煤巖位移梯度分布并按照上述計算方法得到煤巖松動圈厚度值，數據顯示器2.2用于實時顯示松動圈厚度的L的值；
多點位移計可以采用本領域使用的任意結構的多點位移計，下面以拉繩式的多點位移計為例，以工程中常用深部矩形巷道軟弱煤巖為例，闡述本發明的具體實施過程：
如圖1所示。
在深部巷道軟弱煤巖中布置鉆孔AB，多點位移計1包括殼體1.1、拉繩1.2和錨固頭1.3，鉆孔內不同位置布置錨固頭并與鉆孔壁牢固連接，多點位移計的殼體固定在巷道表面(圖中A點所在的巷道內壁)，殼體內含有用于儲存測點位移的數據儲存器，多點位移計的各拉繩與鉆孔內的各錨固頭連接，這樣通過測量各拉繩長度變化來反映不同位置錨固頭位置與巷道表面相對位移從而計算各測點的位移。
為計算巷道AB部位煤巖松動圈厚度L，測量松動圈內不同測點位移u，測點數目3～4個，其中1個位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處(圖中A點)，另外2～3測點位于松動圈范圍內其它位置。圖中例示測點數目為4個，其中1個測點(圖示A點)位于深部巷道軟弱煤巖鉆孔的與巷道表面的過渡位置處，另外3個測點(圖中C、D、E點)位于松動圈范圍內其它位置；為測定圖中例示各測點位移u，在圖中例示測點C、D、E點分別布置1個錨固頭，另外在距巷道表面較遠(一般超過10.0m)的原巖應力區再布置1個錨固頭(圖中F點)，錨固頭為類似爪狀金屬構件，可以由孔口方便進入鉆孔內任意位置與孔壁固定，由于錨固頭位置F點位于原巖應力區，位移uF＝0。測點A的位移值uA可用連接測點A與測點F的拉繩伸長量Δ1示之，即uA＝Δ1；連接測點A與測點C的拉繩伸長量Δ2＝uA-uC，測點C的位移值可用uC＝uA-Δ2示之；連接測點A與測點D的拉繩的伸長量Δ3＝uA-uD，測點D的位移值可用uD＝uA-Δ3示之；連接測點A與測點E拉繩伸長量Δ4＝uA-uE，測點E的位移值可用uE＝uA-Δ4示之。
多點位移計的數據儲存器儲存測點A、測點C、測點D及測點E的位移值，數據分析儀對多點位移計的數據儲存器儲存的各測點數據進行分析，數據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點的u隨r變化較好滿足典型實測曲線如圖3所示，數據分析儀中數據處理器依據式對多點位移計的數據儲存器儲存的巷道表面測點A處位移及松動圈內其它位置測點C、測點D、測點E等處位移值進行計算分析，得出系數k1、k2的值。依據松動圈內測點位移梯度即可得到深部巷道兩幫中部AB部位松動圈內軟弱煤巖λ隨r曲線如圖4所示，對應λmin＝-20.0的r值即為松動圈厚度L的值。將計算出的k1和k2的值帶入計算公式L＝-k2ln(20k2/k1)，計算出深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L的值。
本裝置中多點位移計是實時監測各測點的位移u，多點位移計數據儲存器是實時儲存各測點的位移u，數據分析儀的數據處理器是應用上述計算方法實時計算深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度L并通過數據顯示器實時顯示松動圈厚度L的值。
以淮南礦區某煤礦采區軌道巷為例：
該巷道埋深約800.0m，煤巖粘結力c＝1.0MPa，內摩擦角彈性模量E＝1.4GPa，泊松比λ＝0.34，斷面為5.4m×4.8m矩形巷道。
如圖1，測量深部巷道幫部AB部位軟弱煤巖松動圈厚度值，依據經驗估計，該部位松動圈厚度L的值應超過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。根據多點位移計監測結果，巷道開挖120天后各測點位移值uA＝430.0mm，uC＝302.0mm，uD＝165.4mm，uE＝75.3mm，依據構建的u隨r變化的表達式對各測點位移數據進行計算分析，得系數k1＝530.0，k2＝3.62，u0＝-100.0，將k1和k2值帶入計算公式L＝-k2ln(20k2/k1)，得到巷道幫部AB部位松動圈厚度L＝7.2m，本發明測量裝置中數據分析儀的數據顯示器實時顯示120天AB部位松動圈厚度值L＝7.2m。
為驗證該方法測試深部巷道軟弱煤巖松動圈厚度的準確性，采用穩定性及精度高、適用性強、技術先進的地質雷達無損測試方法，地質雷達選擇瑞典SCAB公司的RAMAC/GPR地質雷達，測得的松動圈厚度L＝7.5m，兩者相對誤差4.0％，表明本發明計算法法具有較高的準確性。
應當理解本文所述的例子和實施方式僅為了說明，并不用于限制本發明，本領域技術人員可根據它做出各種修改或變化，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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