[发明专利]一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法

权利要求书

1.一种基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，包括：

步骤1、根据巷道高度、支护和施工要求，设计最大允许底臌量w_max；

步骤2、根据底臌量与水平力之间的关系，确定最大允许底臌量所对应的底板最大允许水平应力；

步骤3、确定目标水平力的大小，从水平力的产生与传递两个方面，确定底臌控制措施并设计施工参数。

2.根据权利要求1所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

巷道底板岩梁受到底板水平力P的挤压作用发生弯曲变形，在底板水平力P的作用下，底板岩梁弯曲变形方程为式(Ⅰ)：

式中：w为底臌量，m；x为巷道底板岩梁距巷道左帮部的水平距离，m；E为底板岩梁弹性模量，GPa；I为底板岩梁横截面惯性矩，m⁴；

根据材料力学可知，巷道底板岩梁弯矩方程为式(Ⅱ)

M(x)＝-Phω (Ⅱ)

式中：P为底板水平力，N；h为底板岩梁厚度，m；

联立式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可知，当巷道底板达到最大允许底臌量时，底板最大允许水平应力P_max为：

式中：C为待定系数，由边界条件获得。

3.根据权利要求1所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1、根据现场实际地质情况，确定控制目标，目标水平力P₁应满足：P₁≤P_max；

步骤3.2、从水平力的产生与传递两个方面底臌控制措施，包括设置大直径卸压钻孔和钢管斜桩。

4.根据权利要求3所述的基于最大允许底臌量的底臌控制设计方法，其特征在于，大直径卸压钻孔的设计步骤如下：

(1)确定目标垂直应力：

根据目标水平力的大小，得到目标垂直应力的大小σ′，其中σ′＝P₁(1-μ)/μ，μ为泊松比；

(2)确定施工方式及设计参数：

在巷道帮部采用单排水平布置的方式，利用钻机施工大直径卸压钻孔，大直径卸压钻孔的钻孔方向与巷道走向方向垂直相交；

大直径卸压钻孔施工后，巷道帮部煤体塑性区范围扩大，煤体应力重新分布，根据弹塑性理论可知，在卸压钻孔轴向方向上，弹性区内煤体的径向应力为巷帮煤体在钻孔上方的卸载应力，即钻孔弹性区内煤体的径向应力与目标垂直应力大小相等，由此得到巷帮煤体在垂直方向上与钻孔中心的距离和目标水平力的关系为：

式中，σ为钻孔在轴向方向煤体上方卸压前的侧向支承压力，MPa；r为在巷道帮部煤体的垂直方向上帮部煤体到钻孔中心的距离，m；μ为泊松比；R为钻孔塑性区半径，其中，r₀为钻孔半径，m，σ_c为煤的单轴抗压强度，MPa，ξ为塑性系数；σ_rR为钻孔弹塑性交界处径向应力，MPa；

由式(Ⅳ)可知，当目标水平力P₁确定后，能够得到钻孔半径r₀的取值，同时根据钻孔塑性半径的概念，得知钻孔间距S＝2R，大直径卸压钻孔深度L超过支承压力峰值位置，取1～3的安全系数，即L＝(1～3)M，M为超前支承压力峰值与煤帮的距离，m。