本發(fā)明涉及煤巷掘進(jìn)施工措施及安全，尤其涉及一種掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在煤層煤巷掘進(jìn)的過程中，需要留設(shè)一定的區(qū)域進(jìn)行施工工作，不可避免會形成一定長度的空頂區(qū)。由煤巷結(jié)構(gòu)特征可知，空頂區(qū)將在一定時間內(nèi)處于懸吊狀態(tài)，即使空頂區(qū)尚未產(chǎn)生離層或破壞，依然存在一定的安全隱患。工程實踐結(jié)果表明，空頂距影響掘巷的循環(huán)工作效率，合理利用最大空頂距。井下巷道掘進(jìn)與支護(hù)措施同步進(jìn)行，工人與機(jī)械將會處于一段空頂結(jié)構(gòu)之下。空頂距的合理留設(shè)及最大空頂距的利用對工期和工程安全具有重要意義。空頂距的安全性與頂板及巷道結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。

2、現(xiàn)有技術(shù)在計算空頂距時多以薄板簡化模型和桿件簡化模型為理論基礎(chǔ)。例如山西某公司根據(jù)大斷面順槽掘進(jìn)時的頂部巖層的矩形截面模型，并將彎扭模型轉(zhuǎn)化為拉壓模型并加以彎扭修正系數(shù)，得出某號煤層大斷面順槽掘進(jìn)時的理論最大空頂距，為后續(xù)應(yīng)力實測提供參考范圍。根據(jù)該號煤層的地質(zhì)實測結(jié)果以及已知的掘進(jìn)參數(shù)，再考慮到安全系數(shù)的影響，所計算得的理論最大空頂距為6.59m。在對該號煤層大斷面順槽掘進(jìn)時的最大空頂距進(jìn)行理論計算的基礎(chǔ)上，輔以現(xiàn)場實測以保證空頂距優(yōu)化結(jié)果的合理性?？枕斁鄡?yōu)化的實測結(jié)果表明，該號煤層大斷面順槽掘進(jìn)時的合理空頂距應(yīng)選擇為6m。例如陜西某公司進(jìn)行了基于空頂理論的煤巷綜掘支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。為研究巷道掘進(jìn)期間圍巖變形破壞規(guī)律及合理空頂距留設(shè)對巷道掘進(jìn)效率的影響，以孟村礦地質(zhì)條件為工程背景，采用理論計算和flac3d數(shù)值模擬手段，提出適用于某村礦4#煤層的合理空頂距留設(shè)距離和巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案；并基于數(shù)值模擬結(jié)果，討論了不同支護(hù)方案下巷道圍巖破壞情況和對掘進(jìn)效率的影響。研究表明：巷道掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形量相對較?。?01104工作面運輸巷在理想條件下的巷道掘進(jìn)空頂距為3.14m，綜合孟村礦實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，空頂距取2m。通過對現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出頂錨桿間排距為800mm×1000mm，每排7根的支護(hù)方案，月進(jìn)尺提高3.8倍，百米巷道支護(hù)耗材頂錨桿減少63.3％。采用優(yōu)化后的支護(hù)方案可以節(jié)省支護(hù)時間，提高巷道掘進(jìn)效率。

3、現(xiàn)有空頂距測算及設(shè)計均將頂板的三維應(yīng)力結(jié)構(gòu)簡化為二維，未考慮巷道寬度，高度，煤層性質(zhì)，支護(hù)力學(xué)性質(zhì)帶來的影響。而且將空頂距的最大值與撓度關(guān)聯(lián)，忽略了尺寸效應(yīng)?，F(xiàn)有技術(shù)容易在計算空頂極限距離時產(chǎn)生誤差，如果依據(jù)現(xiàn)有空頂距最大安全距離算法進(jìn)行施工，極易產(chǎn)生重大安全事故。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

2、為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算方法，以提高空頂極限距離的準(zhǔn)確性。

3、本發(fā)明的第二個目的在于提出一種掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算系統(tǒng)。

4、本發(fā)明的第三個目的在于提出一種電子設(shè)備。

5、本發(fā)明的第四個目的在于提出一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。

6、為達(dá)上述目的，本發(fā)明第一方面提出了一種掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算方法，按掘進(jìn)方向?qū)⑾锏婪譃榉€(wěn)定區(qū)、未穩(wěn)定區(qū)、空頂區(qū)和煤層塑性區(qū)四個區(qū)，所述計算方法包括以下步驟：

7、針對四個區(qū)，基于上覆各巖層的彈性模量、厚度和塊體密度，計算上覆巖層載荷；

8、針對所述穩(wěn)定區(qū)和所述未穩(wěn)定區(qū)，基于復(fù)合頂板變形特征確定錨索對直接頂拉力，針對所述煤層塑性區(qū)獲得迎頭煤層支撐力，針對巷道兩側(cè)獲得掘巷兩側(cè)煤支撐力；

9、基于所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力構(gòu)建四區(qū)力學(xué)模型以得到四區(qū)內(nèi)各點總彎矩；

10、基于頂板巖石抗拉強(qiáng)度獲得臨界彎矩；

11、令四區(qū)內(nèi)各點總彎矩等于對應(yīng)所述臨界彎矩時，求解所述四區(qū)內(nèi)各點總彎矩得到最大空頂距。

12、在本發(fā)明的第一方面的方法中，所述臨界彎矩滿足式中σt為頂板巖石抗拉強(qiáng)度，ma為臨界彎矩，ha為中性軸距離，i為慣性矩。

13、在本發(fā)明的第一方面的方法中，基于所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力構(gòu)建四區(qū)力學(xué)模型以得到四區(qū)內(nèi)各點總彎矩，包括：對所述四區(qū)力學(xué)模型的各點，計算所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力分別在該點的彎矩，進(jìn)而求和得到該點的總彎矩。

14、在本發(fā)明的第一方面的方法中，若復(fù)合頂板變形特征為錨索對直接頂提供拉力，則所述錨索對直接頂拉力基于各個錨索拉力和錨固面積確定。

15、為達(dá)上述目的，本發(fā)明第二方面提出了一種掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算系統(tǒng)，按掘進(jìn)方向?qū)⑾锏婪譃榉€(wěn)定區(qū)、未穩(wěn)定區(qū)、空頂區(qū)和煤層塑性區(qū)四個區(qū)，所述計算系統(tǒng)包括：

16、四區(qū)力學(xué)模型建模模塊，用于針對四個區(qū)，基于上覆各巖層的彈性模量、厚度和塊體密度，計算上覆巖層載荷；針對所述穩(wěn)定區(qū)和所述未穩(wěn)定區(qū)，基于復(fù)合頂板變形特征確定錨索對直接頂拉力，針對所述煤層塑性區(qū)獲得迎頭煤層支撐力，針對巷道兩側(cè)獲得掘巷兩側(cè)煤支撐力；基于所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力構(gòu)建四區(qū)力學(xué)模型以得到四區(qū)內(nèi)各點總彎矩；

17、臨界彎矩計算模塊，用于基于頂板巖石抗拉強(qiáng)度獲得臨界彎矩；

18、最大空頂距求解模塊，用于令四區(qū)內(nèi)各點總彎矩等于對應(yīng)所述臨界彎矩時，求解所述四區(qū)內(nèi)各點總彎矩得到最大空頂距。

19、在本發(fā)明的第二方面的系統(tǒng)中，所述臨界彎矩計算模塊中，所述臨界彎矩滿足式中σt為頂板巖石抗拉強(qiáng)度，ma為臨界彎矩，ha為中性軸距離，i為慣性矩。

20、在本發(fā)明的第二方面的系統(tǒng)中，所述四區(qū)力學(xué)模型建模模塊，在用于基于所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力構(gòu)建四區(qū)力學(xué)模型以得到四區(qū)內(nèi)各點總彎矩時，具體用于：對所述四區(qū)力學(xué)模型的各點，計算所述上覆巖層載荷、所述錨索對直接頂拉力、所述迎頭煤層支撐力、所述掘巷兩側(cè)煤支撐力分別在該點的彎矩，進(jìn)而求和得到該點的總彎矩。

21、在本發(fā)明的第二方面的系統(tǒng)中，所述四區(qū)力學(xué)模型建模模塊中，若復(fù)合頂板變形特征為錨索對直接頂提供拉力，則所述錨索對直接頂拉力基于各個錨索拉力和錨固面積確定。

22、為達(dá)上述目的，本發(fā)明第三方面提出了一種電子設(shè)備，包括：處理器，以及與所述處理器通信連接的存儲器；所述存儲器存儲計算機(jī)執(zhí)行指令；所述處理器執(zhí)行所述存儲器存儲的計算機(jī)執(zhí)行指令，以實現(xiàn)本發(fā)明第一方面提出的方法。

23、為達(dá)上述目的，本發(fā)明第四方面提出了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計算機(jī)執(zhí)行指令，所述計算機(jī)執(zhí)行指令被處理器執(zhí)行時用于實現(xiàn)本發(fā)明第一方面提出的方法。

24、本發(fā)明提供的掘進(jìn)巷道留設(shè)空頂極限距離的計算方法、系統(tǒng)、電子設(shè)備及存儲介質(zhì)，將按掘進(jìn)方向?qū)⑾锏婪譃榉€(wěn)定區(qū)、未穩(wěn)定區(qū)、空頂區(qū)和煤層塑性區(qū)四個區(qū)，計算方法包括以下步驟：針對四個區(qū)，基于上覆各巖層的彈性模量、厚度和塊體密度，計算上覆巖層載荷；針對穩(wěn)定區(qū)和未穩(wěn)定區(qū)，基于復(fù)合頂板變形特征確定錨索對直接頂拉力，針對煤層塑性區(qū)獲得迎頭煤層支撐力，針對巷道兩側(cè)獲得掘巷兩側(cè)煤支撐力；基于上覆巖層載荷、錨索對直接頂拉力、迎頭煤層支撐力、掘巷兩側(cè)煤支撐力構(gòu)建四區(qū)力學(xué)模型以得到四區(qū)內(nèi)各點總彎矩；基于頂板巖石抗拉強(qiáng)度獲得臨界彎矩；令四區(qū)內(nèi)各點總彎矩等于對應(yīng)臨界彎矩時，求解四區(qū)內(nèi)各點總彎矩得到最大空頂距。在這種情況下，考慮厚度等尺寸參數(shù)下，綜合穩(wěn)定區(qū)、未穩(wěn)定區(qū)、空頂區(qū)和煤層塑性區(qū)四個區(qū)中上覆巖層載荷、錨索對直接頂拉力、迎頭煤層支撐力、掘巷兩側(cè)煤支撐力下的彎矩，結(jié)合頂板巖石抗拉強(qiáng)度得到的臨界彎矩，能夠更加獲得空頂極限距離。

25、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。