一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法

本发明涉及矿山岩体力学领域，具体涉及一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法。

背景技术：

1、锚杆支护作为我国矿山巷道最主要的支护方式之一，其支护效果取决于锚杆支护后围岩抗破坏能力的提升程度，而抗压强度是围岩抗破坏能力表征的一个关键参数。因此，如何准确估算锚杆支护后围岩抗压强度十分重要。

2、现有的对于锚杆锚固围岩抗压强度获取主要采用理论计算、数值模拟和相似材料模拟手段，其中理论计算时常采用围岩强化理论，考虑锚杆材料与煤岩材料的力学特性的耦合，未考虑锚杆支护工作载荷对围岩抗压能力的提升；并且在数值模拟方法时，受模型和本构关系等限制，锚杆多采用简化单元，难以准确反映锚杆支护特性，所得的围岩抗压强度与实际差异较大；采用相似材料模拟时，由于采用几何相似，能够较好的从定性角度给出锚杆支护围岩强度提升作用，其定量表达与实际数值相差很大。同时，考虑到锚杆支护设计时就要对锚杆支护后围岩强度有一个准确估计，以免因围岩强度预计不合适而出现锚杆支护后围岩发生严重破坏甚至引发片帮、冒顶的问题。

3、因此，迫切需要一种在矿山锚杆支护前对锚杆支护后围岩抗压强度准确估算方法，以便巷道围岩变形控制在允许范围内，保证巷道正常使用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，解决以下技术问题：

2、怎样实现对锚杆支护后围岩抗压强度准确估算，保证巷道的正常使用。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，所述方法包括：

5、s1、获取锚杆支护巷道围岩基本调研信息并对围岩和锚杆材料进行取样并获取取样数据；

6、s2、对取样数据进行分析：进行巷道煤岩力学特性测定、进行锚杆材料工作特性测定及进行锚杆支护强度计算；

7、s3、根据取样数据分析结果进行锚杆支护围岩状态判识，判断是否出现破裂区：

8、若是，则直接进行锚杆支护围岩抗压强度估算；

9、若否，则先进行巷道围岩支护作用力-变形关系预计，选择锚杆支护围岩抗压强度估算；

10、s4、输出步骤s3估算结果。

11、优选地，所述巷道煤岩力学特性测定的方式为：

12、通过煤岩的库伦破坏的主应力表达式：

13、

14、其中，(1)为未出现破裂区时的煤岩的库伦破坏的主应力表达式，(2)为出现破裂区时的煤岩的库伦破坏的主应力表达式；σc为煤岩单轴抗压强度；c为内聚力；为内摩擦角；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；为破裂区围岩等效内摩擦角，且

15、优选地，所述锚杆材料工作特性测定的过程为：

16、ss1、确定锚杆支护自由段长度；

17、ss2、将所取锚杆试样安装到测试试验机上，并保证锚杆支护自由段长度与实际锚杆自由段长度一致；

18、ss3、进行拉伸试验确定锚杆预紧后锚杆最大允许伸长量l0。

19、优选地，所述锚杆支护强度计算包括：

20、锚杆围岩支护作用力f01的公式为：

21、f01＝nηf0；

22、其中，f0为单根锚杆工作载荷；n为沿巷道走向巷道顶板和巷道帮部锚杆数量；η为锚杆工作载荷不均匀系数；

23、且当锚杆支护顶板平整和锚杆支护帮部断面平整时，η取0.8-0.9；当锚杆支护顶板不平整和锚杆支护帮部断面局部不平整时，η取0.6-0.8；当锚杆支护顶板凹凸不平且起伏较大和锚杆支护帮部断面凹凸不平且起伏较大时，η取0.5-0.6；

24、根据现场锚杆支护参数，取f0为锚杆设计锚固力，锚杆支护强度p0的公式为：

25、

26、其中，d为锚杆支护顶板的巷道宽度和锚杆支护帮部的巷帮高度；d0为锚杆排距。

27、优选地，所述步骤s3进行锚杆支护围岩状态判识的方法为：

28、通过公式计算出巷道围岩破裂区半径rf；

29、其中，a为巷道等效半径；pv为巷道所处位置的垂直应力，且pv＝γh，γ为围岩容重，h为巷道埋深；pi为锚杆支护所能提供的最大支护强度；为破裂区围岩等效内摩擦角；

30、将巷道围岩破裂区半径rf与巷道等效半径a进行比对：

31、当rf＞a时，则判断巷道围岩出现破裂区；

32、当rf≤a时，则判断巷道围岩未出现破裂区。

33、优选地，所述步骤s3中进行巷道围岩支护作用力-变形关系预计分方法为：

34、获取巷道围岩支护力-变形的表达式：

35、

36、

37、其中，ua为巷道围岩变形量；μ为煤岩泊松比；e为煤岩弹性模量。

38、优选地，所述锚杆支护围岩抗压强度估算的方法：

39、当巷道围岩出现破裂区时，令pdesign＝σ3，并将当前获取的σ3代入所述煤岩的库伦破坏的主应力表达式(2)中得到最大主应力σ1‘，σ1‘即为锚杆支护破裂区围岩抗压强度；

40、当巷道围岩未出现破裂区时，将锚杆高预紧支护后最大允许伸长量l0＝ua带入所述巷道围岩支护力-变形的表达式中，计算获取支护作用力p0spport；将p0spport与p0进行比较，取p0spport与p0之间的最小值作为σ3带入所述煤岩的库伦破坏的主应力表达式(1)中得到最大主应力σ1’‘，σ1’‘值即为锚杆支护围岩抗压强度。

41、优选地，所述锚杆预紧后锚杆最大允许伸长量l0的获取方式为：

42、获取无预紧力时的锚杆工作载荷随伸长距离变化的曲线el1；

43、获取预紧力p1时的锚杆工作载荷随伸长距离变化的曲线el2；根据曲线el1和曲线el2的交点值确定锚杆预紧后锚杆最大允许伸长量l0。

44、本发明的有益效果：

45、(1)本发明所提供的锚固巷道围岩强度估算方法，充分考虑锚杆支护与围岩变形破坏过程，使锚杆支护群体作用与巷道围岩变形破坏相适应，给出巷道掘进锚杆支护后围岩强度的确定方法，包括锚固围岩出现破裂区和不出现破裂区两种情况，解决了锚固巷道围岩强度估算难题，可为后续锚固围岩支护效果及危险性评价提供依据，从而防止顶板塌冒、片帮等问题发生。

46、(2)本发明采用锚杆工作载荷不均匀系数对锚杆支护强度进行确定，解决了因巷道围岩壁面不平等造成锚杆群体工作载荷差异问题，保证使锚杆群体作用考虑更符合工程实际，有力地避免过高估计锚杆支护作用效果。

47、(3)本方法中所给出的巷道围岩不出现破裂区情况时，充分考虑锚杆工作载荷和变形能力，一方面使锚杆支护性能尽最大可能得到发挥，另一方面防止因锚杆因伸长量过大而破断失效，使锚固巷道围岩强度估算更为合理。

48、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述巷道煤岩力学特性测定的方式为：

3.根据权利要求1所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述锚杆材料工作特性测定的过程为：

4.根据权利要求2所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述锚杆支护强度计算包括：

5.根据权利要求2所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述步骤s3进行锚杆支护围岩状态判识的方法为：

6.根据权利要求5所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述步骤s3中进行巷道围岩支护作用力-变形关系预计分方法为：

7.根据权利要求4或6所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述锚杆支护围岩抗压强度估算的方法：

8.根据权利要求3所述的一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，其特征在于，所述锚杆预紧后锚杆最大允许伸长量l0的获取方式为：

技术总结本发明涉及矿山岩体力学领域，具体公开了一种锚杆支护巷道围岩强度的估算方法，包括：首先，调研获取锚杆支护巷道围岩基本信息并对围岩和锚杆材料取样；其次，对所取围岩试样进行煤岩力学特性测定，对所取的锚杆材料进行工作特性测定；同时，计算获取设计锚杆支护强度；再次，根据取样测定结果，进行锚杆支护围岩状态判识，判断是否出现破裂区；若是，则直接进行锚杆支护围岩抗压强度估算；若否，则先进行巷道围岩支护作用力‑变形关系预计，再进行锚杆支护围岩抗压强度估算，给出估算结果；本发明解决了锚固巷道围岩强度估算难题，可为后续锚固围岩支护效果及危险性评价提供依据，从而防止顶板塌冒、片帮等问题发生。技术研发人员：于凤海,梁晨,谭云亮,赵同彬,邢明录,王文康,许宸瑞受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29