安全系数的研究的决心和支持基于脆弱性Preevaluation参数优化

文摘

preevaluation的漏洞提出了围岩的安全系数的可靠指标之一网关支持和基础优化设计参数的支持。在这项研究中,把周围的岩石、压力、地质环境和服务时间的考虑,确定安全系数基于脆弱性分数计算的脆弱性preevaluation围岩的模型。应用安全系数的不稳定性评价复合注浆承载结构,保持稳定的网关所需的强度计算,进一步提供了参考和指导的优化锚支持参数。这种方法已经成功地采用固城煤矿项目N1303后挡板加强屋顶浇灌地脚螺栓结构区域尤其是主斜井。应用更准确地计算强度地脚螺栓结构可以有效地避免过度补偿的问题,从而减少成本,提高掘进速度。此外,这种方法提供了洞察网关的优化设计参数。这种方法提供了一个可靠的依据煤矿锚杆支护参数的优化设计网关。

1。介绍

由于复杂的自然的影响围岩的应力场,深部开采将面临更复杂的比浅矿业工程岩石力学问题[1]。一般来说,从浅到深的极限被称为极限深度,和网关的深度超过极限深度称为网关。网关的围岩支持上面的极限深度相对简单、易于维护,但下面是相对困难的。随着开采深度的增加,高应力环境下,软岩大变形,其他问题影响巷道围岩的稳定性和威胁着煤矿的安全生产2]。因此,许多支持的方法,如钢铁的支持,锚杆、锚索、和喷射混凝土,应用于围岩控制的网关。特别是,螺栓的支持,由于良好的支持效果的优点,支持低成本,简单的技术,和较低的劳动强度,已逐渐成为煤矿网关的主要手段的支持。

作为一个关键螺栓支持煤矿网关,合理设计参数可以最大化的优点螺栓支持,实现网关的安全。由于复杂的地下地质环境,安全系数通常包含在锚设计,确保安全施工。然而,安全系数通常是基于经验值来确定的。这种方法是具有随机性3]。过于高安全系数往往会导致一个不必要的支持强度高、危害施工进度并相应增加成本。另一方面,一个被低估的安全系数会导致螺栓支撑强度不足,施工安全风险(4]。因此,选择一个合理的安全系数具有重要意义为目的的有效操作的螺栓和施工安全5]。

一般来说,网关的安全系数的确定,需要参考的围岩损伤程度的网关,可以表达的程度的脆弱性(6]。漏洞可以用来描述相关系统的脆弱性及其组件。承载能力不足会降低系统初始状态(7]。此外,漏洞通常被认为是一起和分析灵敏度和稳定性领域的地下通道工程(8- - - - - -11]。然而,在大多数情况下,往往是从分析定性结果。自从网关稳定性评价未能与支持直接围岩参数,它只能提供定性指导到网关支持参数设计和优化,而不是定量计算指导。同时,优化网关支持往往发生在主要的网关变形观测的情况下,这很容易吸引了研究人员的关注12- - - - - -14]。然而,对于小变形的网关,由于各种安全风险问题和缺乏定量评价的方法,减少多余的支持力量常常被忽视小的优化。被当局维持现状是首选。这种心态和方法减缓开挖速度,增加成本相关支持系统,危害生产和效率高的目的。

摘要preevaluation的漏洞提出了围岩安全系数的可靠指标之一的网关支持和基础优化设计参数的支持。把周围的岩石、压力、地质环境和服务时间的考虑,一个漏洞preevaluation模型是通过层次分析法建立的方法。复合注浆承载结构的理论,通过定量计算确定锚杆支护参数。该方法已应用于网关与两大变形和小变形,证明是有效地降低过度估计螺栓强度的支持。

2。复合注浆轴承结构的失稳判据

为了维持稳定的围岩稳定、预紧螺栓安装加强屋顶和网关的两根肋骨。预紧螺栓的尺寸和材料,一起支持附件,形成一个网关围岩承载结构,提供一些强度和承载能力。复合注浆轴承的几何形式结构如图1(一)(拱)和1 (b)(矩形)。

复合注浆轴承结构的强度可以计算(15,16] 在哪里p_我锚杆支护强度,d指的是螺栓的直径,σ_b表明螺栓的抗拉强度,C_年代代表的列间距螺栓R_年代显示了螺栓的行间距。

如果网关形状是弓, , , ,在哪里R意味着拱半径的网关,b表明复合注浆轴承结构的厚度,可以计算的和内部非均匀压缩带的厚度和统一的压缩带的厚度 。螺栓长度应该是l。和可以通过计算

如果网关形状是弓, , , ,在哪里代表复合注浆承载结构的外边界曲线半径对矩形网关,中心角度对应外边界曲线复合注浆轴承结构矩形网关,和B表示网关的宽度。和可以通过计算

网关层重量主要是由深部围岩承担,而形成复合注浆承载结构主要是熊的重量松散地层的网关。根据损伤条件下的地下网关及相关研究领域,当外部载荷超过复合注浆轴承结构的强度,屋顶严重下降,过度变形将观察到的网关。因此,为了保证稳定的复合注浆承载结构的使用寿命期间网关,计算潜在的宽松的重量上覆岩石和确定外部负载由复合注浆承载结构变得至关重要。根据相关研究,厚度h屋顶的潜在松散岩层网关计算如下(17]: 在哪里φ屋顶层的内摩擦角,然后呢指的是侧压力系数。

上述方法后,复合注浆承重结构上的均布荷载计算,及其强度测试。当上均布荷载小于复合注浆轴承结构的强度,复合注浆承重结构是稳定的有限位移。事件上均匀分布下的负载极限载荷大于复合注浆轴承的结构和低收缩轴承结构,承重结构往往失败,导致网关屋顶倒塌。另一方面,一个轴承结构具有高收缩率可以引起剧烈变形,最终导致网关失败。考虑一个合理的安全系数,复合注浆承载结构的不稳定性评价应基于 在哪里n指的是安全系数,其价值是由网关的脆弱性preassessment围岩。

当 ,复合注浆承载结构在服务期间最有可能失败。然而,由于地质条件的波动,更常发生剧烈变形对轴承结构。

3所示。基于漏洞Preevaluation确定安全系数

3.1。脆弱性评价体系的建立

3.1.1。脆弱性评价体系和指标

根据分析影响因素的脆弱性网关周围的岩石,所选择的指标来评估脆弱性的网关周围的岩石。基于层次分析法(AHP) (9),这些指标分为三个层次,如图2。

评分和评价水平下面列出:(1)分数为围岩的特点(我)围岩的完整性围岩的完整性可以受到岩石飞机的数量,形状,间距和围岩结构的粗糙度。围岩完整性评价基于RQD各种完整性级别和表所示1。(2)围岩的强度屋顶岩体强度、岩体强度,和地板岩体强度的重要因素对围岩的稳定性进行评估。围岩的强度是由屋顶岩体的单轴抗压强度。围岩强度评价,提出了表2。(3)顶板岩层螺栓的加固效果取决于不同的岩层,如岩石的屋顶,煤炭屋顶,屋顶和组合,使岩层评价顶板稳定性的一个重要因素。岩层的影响特征稳定性评价是评价和提出了表3。(iv)网关类型网关类型指的是结合各种围岩的网关包括岩石网关,煤炭网关,semicoal网关。网关类型是评价和提出了表4。(v)围岩的倾角围岩的倾角被认为是其中一个重要因素来评估脆弱性的网关围岩,评价和提出了表5。(2)压力(我)垂直应力垂直应力是一个基本因素网关围岩的变形和破坏。垂直压力是额定的埋深和表中给出6。(2)水平应力水平应力对围岩的影响可以表示为最大水平应力原理和网关的轴线之间的夹角和水平最大主应力的方向,通常认为是关键因素对网关围岩的稳定性进行评估。最大水平主应力和网关轴之间的夹角和最大主水平方向评价和提出了表7和8,分别。(3)施工扰动网关服务期间,围岩脆弱性由开挖产生的中断或影响矿业(18]。在开挖,保护煤柱的宽度通常会导致压力重新分配,可以用来表示收到的破坏周围的岩石。支承压力的σ_z被认为是由应力增量和地面的压力 ,如方程所示9)- (11)[19]。 在哪里 是支承压力传播的悬浮固体煤的关键层的一部分,然后呢n是指关键层的数量。 在哪里σ_我马克斯从暂停最大支承应力传播的一部分吗我th关键层固体煤, , 是一半的的重力悬浮的一部分吗我th关键层, 指的是暂停的中心线长度我th关键层在厚度方向上, 表明地层体积密度、i关键层的厚度,意味着距离煤层底板的中心线i关键层在厚度方向上, 我指采空区宽度的一半煤的埋深。根据方程(9)- (11)和支承压力分布曲线如图3,强调固体煤分为四个部分,在不同区域和网关的脆弱性驱动从低到高列出:IV < I < 3 < II (19]。此外,保留网关沿空(柱宽度为0米)被认为是一个特定的条件没有煤柱和更难以控制围岩的稳定性(20.]。施工扰动程度是由保护煤柱宽度和在额定的表9。干扰时间的分数对应各种状态如表所示10。(iv)地质构造常见的煤矿地质构造包括褶皱、断层和陷落柱。地质结构对围岩的影响评估是基于地质结构的数量和规模周围半径50米内的区域进行评估(21]。的规模结构评价分为三个水平,小(年代)、中(米),大(l)。各种地质构造的分数表所示11。(v)部分参数部分参数组成部分类型和断面尺寸,施加重大影响应力分布和应力集中的网关围岩。部分类型和部分的分数大小如表所示12和13分开。(3)地质环境(我)地下水水井的水积累降低不仅螺栓的强度,但也围岩的强度,这危害网关围岩的稳定性。此外,由于吸入水软化属性,倾向于降低岩石强度(22]。地下水的分数表所示14。(2)地下温度井眼周围的温度会影响树脂牢固(23]。表中提供的地下温度的分数15。(4)服务时间(我)检查和维护检查和维护是重要的方法及时发现和解决问题。手动监控手段进行的检查主要是通过人力。机监测表明,监测和记录是由机器和汽车系统,如井眼压力米,深度位移米,和数据存储设备。智能监测表明智能数据监控和分析(24]。检查和维护的分数表所示16。(2)服务时间服务时间增加,网关通常围岩蠕变变形发展,升级内部损伤,导致更高的脆弱性网关围岩(25]。的服务时间如表所示17。

3.1.2。确认的加权值

(1)计算步骤。考虑到各种专家的专业知识,根据层次分析法的原理,一个判断矩阵。E被定义为比较矩阵,所示

在判断矩阵,指之间的比例大小和大小条件下E: 在哪里是评估我th因素,是评估jth因素, 。

因素和E_j 通过评估和比较判断矩阵按照1 - 9尺度的方法,如表所示18。

第三,两个最大的特征值λ_马克斯和相应的特征向量包含在通过MATLAB软件计算判断矩阵。

第四,一个判断矩阵进行一致性测试。因为主观的和近似评估包括判断矩阵的发展期间,偏差是有可能的。因此,一致性测试是必需的。CR率可以被计算 CR一致性比率,CI代表了一致性指标, t显示的顺序矩阵,RI是指平均随机一致性指标,见表19。

CI和CR必须低于0.1 (22- - - - - -25]。

最后,计算每个指标的权重。一致性测试后,体重值是由以下图中列出的步骤4。

(2)计算结果。为了演示重量值计算过程,下面详细解释图层1的指标。显示为构建的判断矩阵

判断矩阵的特征值是最高的 ,和 。因此,判断矩阵满足一致性要求。

标准层的权重矩阵利用层次分析法和其他指标的权重计算如表所示20.。

3.1.3。脆弱性评价

网关围岩的脆弱性评估的价值可以根据表中列出的重量计算19和情商。16)。 在哪里的综合分数层- , 脆弱性评分,评估得分吗我层- th因素j,的重量是我层- th因素j。

3.2。脆弱性评分和安全系数

计算脆弱性评分后,围岩的脆弱性可以评价为5的水平。相应的安全系数是在桌子上展出21。

4所示。案例研究

4.1。的情况下增加螺栓支持系统的密度

为了检查的可行性和影响锚杆支护密度增加,固城煤矿的菜肴集团位于山西省,中国,被选中。没有水涌入隧道当主斜井渗透到土壤表面和饱经风霜的基础部分。然而,在主轴进入基岩段和达到一定的深度,水在锚钻孔发现甚至破裂。的锚索拉拔力测试表明,锚力下降了近32%,锚力下降了约15%,这表明水洪水和破裂严重退化对主斜井的支持,导致100毫米沉积的网关屋顶与当地裂缝。这种变化显著危害65年设计网关围岩的支持。

基于调查和现场调查的水井和排水洞,发现两个新含水层之间的网关里程点580米和740米。网关建设期间,裂缝生成在锚电缆时,电缆穿过含水层和中间空区的震动从来么围岩,使得水流从锚索钻孔广告地脚螺栓钻孔。由于时间紧迫,缺乏应急反应计划,项目主管决定替换的锚索锚的支持。因此,应该进行脆弱性评价网关围岩和开发优化锚定螺栓支持参数。

主斜井的评价参数如表所示22。主斜井网关穿透不同岩层的垂直深度约40米。为了确保网关安全,最不利的参数稳定的岩层。

主斜井共同支持的锚索和150毫米厚喷射混凝土。从保守的角度估计,没有150毫米厚的喷射混凝土的轴承负荷,主斜井的具体参数如表所示23。

根据表22与方程(11),主斜井的脆弱性评分评级为5.67,第四和脆弱性preevaluation水平被认定为安全系数为5.2。主要说明了斜井的不稳定判据

根据表中列出的信息23与方程(1),复合注浆轴承结构的强度的主要斜井为1.5 MPa,低于1.55 MPa脆弱性preevaluation计算。这个结果进一步验证了网关屋顶和裂缝变形的增加在喷射混凝土中找到。

基于现有螺栓类型,减少螺栓之间的距离是建议增加复合注浆轴承结构的强度。当螺栓之间的距离是824毫米,复合注浆轴承结构的强度达到1.55 MPa。考虑到安全建设,800毫米被选为螺栓之间的距离,提供1.567 MPa,复合注浆轴承结构。优化支护参数可以在图5。

优化后,形变测站设置在网关里程594米。的变形曲线和图像完成优化演示图6,控制和支持改善围岩。连续40天的观察表明,网关屋顶沉积是27毫米,底部和起伏的斜井在6毫米测量。此外,两根肋骨之间的变形是限于38毫米。低应变率的增长在开挖后的第八天,表明主斜井的变形得到有效控制。

更具体地说,水对地下工程的安全性有很大的影响,特别是地下工程的长期使用。为了进一步减少水对围岩稳定性的影响,灌浆加固措施是应用于主斜井。参数和灌浆加固效果如图所示7。

4.2。减少的情况下锚杆支护密度

N1303工作面位于固城1号矿带,主要煤矿煤层# 3和6米厚度通过机械化放顶煤技术。输送机的隧道在N1303出土600米栏板N1303前面。输送机的变形隧道开挖期间很好的控制开挖速度较低(仅为6.4 m / d),导致工程造价很高。网关N1303工作面布局图所示8。

为了增加开挖速度和降低成本的支持系统,采用漏洞preevaluation方法确定的安全系数后挡板N1303和开发一个优化计划。

后挡板的评价参数N1303如表所示24。

的详细参数后挡板N1303如表所示25。

根据表24与方程(11),后挡板的脆弱性评分N1303额定3.88,脆弱性preevaluation水平被确定为二世和安全系数是3.95。因此,后挡板的不稳定性判据N1303表示为

基于表25与方程(1),复合注浆轴承结构的强度后挡板N1303被确定为1.094 MPa,高于0.969 MPa脆弱性preevaluation计算。考虑到现有螺栓类型,增加螺栓柱间距和行间距建议降低复合注浆轴承结构的强度。与900毫米螺栓行距离和1015毫米行间距,复合注浆轴承结构强度达到0.969 MPa。考虑到安全建设,1000毫米被选为螺栓之间的距离,提供0.973 MPa,复合注浆轴承结构。优化支护参数可以在图9。

优化后,形变测站设置在里程50米测量变形在开挖期间(如图10B (a)),而一个测站设置在里程1690米采矿期间测量变形(如图10(b))。

连续40天的观察表明,后挡板N1303屋顶沉积是55毫米,和绞后挡板底部测量6毫米。此外,两根肋骨之间的变形限制在77毫米。低应变率的增长在开挖后第十天,表明后挡板的变形N1303被有效控制。

作为显示在图8(b),变形开始增加的围岩N1303后挡板时测量站和煤壁之间的距离是93米。降低到35米的距离时,变形急剧增加。开挖期间,起伏的屋顶沉积达到272毫米102毫米在底部。此外,两根肋骨之间的变形限制在326 mm,表明N1303挡板的变形满足所需的规范。

N1303输送机隧道和后挡板N1303比较表26在技术方面和经济。

数据显示在表26,屋顶变形的总量增加了40.9%,地板变形的总量增加了92.4%,和两根肋骨变形的总量增加了35.2%。螺栓在开挖期间的平均应力增加55.5%,平均应力的锚开挖期间增加了104%。尽管增长的比例相对较大,增长的绝对值并不大,和总变形N1303后挡板仍在可接受的极限。此外,优化后,开挖速度增加了40.6%,而成本降低了25.6%。因此,优化支持方案可以提高行车速度和降低支持成本的前提下确保网关上变形。

5。结论

(1)在这项研究中,围岩,应力条件,地质环境和服务时间的考虑,一个漏洞preevaluation采用层次分析法建立模型。(2)漏洞preevaluation方法提出了围岩安全系数为基础来评估网关支持和优化支持系统的设计。安全系数是基于脆弱性获得分数的围岩通过漏洞preevaluation模型。应用安全系数因素的复合注浆轴承结构不稳定评估,所需的强度复合注浆承载结构可以被识别特征的优化锚栓的支持。(3)这种方法已经成功地采用优化锚定螺栓支持网关的水池区域主要位于固城煤矿斜井。应用表明,该方法可以有效地保持围岩的稳定性和较低的支持强度在N1303地脚螺栓后挡板,导致更低的成本和增加开挖速度。这种方法提供了可靠的依据煤矿行业网关螺栓支持优化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由自筹经费项目的科学研究和发展计划廊坊科技局(批准号2020013046),科学研究发现建筑物倒塌机制和灾害预防的重点实验室,中国地震局(批准号FZ201207),中央大学的基础研究基金(批准号。2020013046和ZY20215156)。

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