一种提高采动应力实测精度的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高采动应力实测精度的方法，包括应力计、封孔塞、定距杆、注浆管、弹力橡胶套，先实验室测试应力计计划安装层位的煤岩体强度和弹性模量，配置具有相同或相近力学特征的注浆材料，在待测采动应力的煤岩体中钻孔并安装钻孔应力计并对钻孔进行注浆，使得钻孔周边的破碎及塑性围岩重新固结，这样钻孔及周边围岩就具备完整煤岩体的力学特性，当采动应力发生变化时，注浆后的钻孔围岩可以及时、有效且基本无损的将采动应力传递到钻孔应力计上，显著提高采动应力的实测精度。本发明专利技术的方法适用于各类围岩条件下的采动应力实测，有效弥补了传统测试方法的诸多缺陷，使用方法简单，测试可靠且精度高，具有十分重要的推广和应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种提高采动应力实测精度的方法
本专利技术属于矿业工程领域，一种提高采动应力实测精度的方法，是在煤炭开采过程中实测采动应力大小，是否发生变化及变化程度的方法，该方法可以显著提高采动应力实测精度。
技术介绍
煤炭开采必然产生采动应力，而采动应力的影响程度和影响范围直接关系到矿井开拓布局及开采过程中如何实现安全、高产及高效问题，比如各类巷道的合理布置位置、支护构型及如何避开高支承压力，卸压位置和形式及冲击地压防治方法选择等，所以高精度实测采动应力至关重要。但是煤炭赋存条件极其复杂，加之开采扰动的影响，很难准确实测出真实的采动应力，就不能够有效的指导实践，这势必对安全高产高效矿井的高质量建设产生不利影响。当前，采动应力采用的测试方法是在围岩中钻孔，接着安装钻孔应力计，钻孔应力计有两类，一是普通型不可膨胀钻孔应力计，被动式滞后承受钻孔应力，该方法基本被淘汰；二是可膨胀型钻孔应力计以实现钻孔应力计安装时即紧贴钻孔壁，主动式及时承受钻孔应力，但是这种传统测试方法依然无法有效测试出真实的采动应力，甚至所测数据远脱离实际，传统测试方法存着在问题的主要原因如下：①由于开采煤层深埋数百米乃至逾千米，施工完采动应力实测钻孔后，钻孔壁周围会存在一定范围的破碎区和塑性区，尤其是在高应力软岩层及煤层中钻孔，破碎区及塑性区必定导致采动应力无法及时有效且基本无损的传递到应力计，这必然导致实测数值远偏离实际，这是众所周知的；②尽管可以采用膨胀型钻孔应力计，钻孔应力计在膨胀过程中可以主动接触钻孔壁并传递一定的围岩钻孔应力，但是钻孔应力计外围依次是破碎区、塑性区及弹性区，钻孔应力计主动施加膨胀力后直接紧密接触钻孔破碎区并通过塑性区与围岩的弹性区进行应力传递，在钻孔应力计主动施加膨胀力的条件下，钻孔破碎区的围岩进一步破碎，塑性区的围岩范围进一步扩大，钻孔应力计安装完毕后，应力计的实测数值会出现下降或者波动特征，这显著影响了实测结果；③若钻孔应力计的初始膨胀应力较小，由于采动应力通过弹性围岩才可以有效及时传递，但是深部弹性围岩的采动应力要经过实测钻孔的塑性区和破碎区才能传递到钻孔应力计上，破碎围岩和塑性区围岩没有被压实，那么采动应力在传递过程中进一步压实破碎区和塑性区，那么应力传递必定会显著衰减；④若应力计初始膨胀应力过大，原本钻孔周围破碎的围岩破碎程度会进一步加大，塑性区的范围进一步扩大，并有部分塑性区进入破碎状态，这对测试造成了极大的干扰，实测的稳定程度和可靠度很低；⑤钻孔的浅部围岩主要处于单向应力状态或二向应力状态，应力升高过程中，浅部围岩更易进一步塑化和破碎，从而显著降低采动应力实测精度；⑥传统方法要求有严格的孔径匹配，否则会出现两种无法测量的情况：测试孔过大，钻孔应力计无法在安装时就紧贴钻孔而无法测得数据；测试孔偏小，任何一点钻孔表面的破碎颗粒都会阻碍钻孔应力计的安装，这样对安装造成了极大影响，安装效率低下，且容易造成应力计损坏；⑦对于已经屈服的塑性煤柱，传统的打孔安装膨胀型钻孔应力计的方法，会很快导致钻孔孔壁周边围岩进一步塑化并松弛，导致短时间内钻孔应力计无数值显示，难以测出数据或有效数据；⑧钻孔成孔差时，应力计安装困难，即便安装到位，测试数据偏离实际，已经没有实际参考价值，此时需要采用大孔径的测试钻孔，这必然导致钻孔围岩发生很大的变形时才可以紧实接触应力计传递应力，那么这种情况下得到的数据显著偏离实际；根据上述分析，传统的实测采动应力方法精度低且适用条件差，急需提出一种解决传统采动应力实测精度不高的方法，为更好的进行矿井开拓布局及更高效的处理开采过程中出现的高支承压力问题，为卸压开采形式及冲击地压防治方法确定等服务。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决当前实测采动应力的方法缺陷较多、适用条件十分有限、测试精度低、稳定性差、可靠度低甚至所测数据远远偏离实际的问题，提出一种显著提高采动应力实测精度的方法，进而有效指导巷道位置选择及支护构型确定、采场围岩控制及冲击地压防控等重要问题。为实现本专利技术的上述目的，提供的技术方案如下：一种提高采动应力实测精度的方法，适用于实体煤区、岩体区或屈服煤柱区、屈服岩柱区的采动应力测试，其特征在于，先在实验室测试应力计预计安装位置所在层位的煤岩体特性参数，配置具有相同或相近力学特征的注浆材料；在待测采动应力的煤岩体中钻孔并安装钻孔应力计，封孔后对钻孔注入所配置的注浆材料，使得钻孔周边的破碎及塑性围岩重新固结，这样钻孔及周边围岩就具备未开挖应力计钻孔前待实测采动应力位置的煤岩体的力学特性，当采动应力发生变化时，注浆后的钻孔围岩能够及时、有效且基本无损的将采动应力传递到钻孔应力计上，显著提高采动应力的实测精度，实现高精度且高灵敏度测量采动应力的增加及降低过程。进一步的，一种提高采动应力实测精度的方法，其特征在于，采动应力实测位置在实体煤区时，具体实施步骤为：步骤一），在待实测的实体煤区取煤样，实验测试该煤样的单轴抗压强度及弹性模量；步骤二），根据步骤一）所测煤样的参数，配置注浆材料，要求该注浆材料凝固后的单轴抗压强度及弹性模量与待测试煤体的抗压强度和弹性模量相等或相近；步骤三），在待实测位置钻孔并安装钻孔应力计，安装顺序为：先将定距杆和钻孔应力计连接后装入钻孔内，使定距杆的前端位于钻孔孔底，然后安装三通道封孔塞与注浆管；应力计的安装深度n为巷道宽度的3~6倍，实现应力计的安装位置不受或基本不受巷道本身应力分布对采动应力实测的交叉影响；应力计长度a为10~50cm，需要实测某个点位的围岩采动应力时a取10~15cm，需要实测围岩某个范围内的采动应力大致均值时a取15~50cm，定距杆的长度a1为钻孔半径的5~10倍，显著减弱钻孔孔底的边缘效应对应力计实测采动应力的影响；应力计与三通道封孔塞的间距a2为不低于钻孔半径的5~10倍，且不小于1~2m，实现注浆材料凝固后钻孔应力计的两端均是注浆固结体可实现钻孔应力计两端受力平衡，不受偏载荷影响测试的准确度；同时应力计处于四周注浆围岩包围的三向受力状态，应力计所在的钻孔围岩不易破坏塑化而影响实测的精确度，抗干扰能力强，稳定性高；步骤四），对围岩钻孔通过注浆管进行注浆，注浆压力为0.5~5MPa，煤体单轴抗压强度在20MPa以上时注浆压力取2~5MPa，煤体单轴抗压强度在20MPa以下时注浆压力取0.5~2MPa，满足钻孔的破碎区和塑性区的煤体能被注浆固结，确保应力计测试出的采动应力是不受钻孔围岩破坏的影响，确保采动应力进行无损或者基本无损的传递到应力计；步骤五），注浆浆液最终固结后对应力计施加初始压力，初始压力为应力计所处埋深对应深垂直应力的70%~100%，煤体单轴抗压强度20MPa以上时取90%~100%，煤体单轴抗压强度20MPa以下时取70%~90%，步骤六），收集采动应力数据，该数据能够用于监测工作面推进方向和工作面侧向的支承压力的形态特征、影响范围，峰值大小及位置；监测的数据真实反映实际，用于分析和预防冲击地压事故，实测效率、稳定性及精度均显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高采动应力实测精度的方法，适用于实体煤区、岩体区或屈服煤柱区、屈服岩柱区的采动应力测试，其特征在于，先在实验室测试应力计预计安装位置所在层位的煤岩体特性参数，配置具有相同或相近力学特征的注浆材料；在待测采动应力的煤岩体中钻孔并安装钻孔应力计，封孔后对钻孔注入所配置的注浆材料，使得钻孔周边的破碎及塑性围岩重新固结，这样钻孔及周边围岩就具备未开挖应力计钻孔前待实测采动应力位置的煤岩体力学特性，当采动应力发生变化时，注浆后的钻孔围岩能够及时、有效且基本无损的将采动应力传递到钻孔应力计上，显著提高采动应力的实测精度，实现高精度且高灵敏度测量采动应力的增加及降低过程。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高采动应力实测精度的方法，适用于实体煤区、岩体区或屈服煤柱区、屈服岩柱区的采动应力测试，其特征在于，先在实验室测试应力计预计安装位置所在层位的煤岩体特性参数，配置具有相同或相近力学特征的注浆材料；在待测采动应力的煤岩体中钻孔并安装钻孔应力计，封孔后对钻孔注入所配置的注浆材料，使得钻孔周边的破碎及塑性围岩重新固结，这样钻孔及周边围岩就具备未开挖应力计钻孔前待实测采动应力位置的煤岩体力学特性，当采动应力发生变化时，注浆后的钻孔围岩能够及时、有效且基本无损的将采动应力传递到钻孔应力计上，显著提高采动应力的实测精度，实现高精度且高灵敏度测量采动应力的增加及降低过程。


2.根据权利要求1所述的一种提高采动应力实测精度的方法，其特征在于，采动应力实测位置在实体煤区时，具体实施步骤为：
步骤一），在待实测的实体煤区取煤样，实验测试该煤样的单轴抗压强度及弹性模量；
步骤二），根据步骤一）所测煤样的参数，配置注浆材料，要求该注浆材料凝固后的单轴抗压强度及弹性模量与待测试煤体的抗压强度和弹性模量相等或相近；
步骤三），在待实测位置钻孔并安装钻孔应力计，安装顺序为：先将定距杆和钻孔应力计连接后装入钻孔内，使定距杆的前端位于钻孔孔底，然后安装三通道封孔塞与注浆管；应力计的安装深度n为巷道宽度的3~6倍，实现应力计的安装位置不受或基本不受巷道本身应力分布对采动应力实测的交叉影响；应力计长度a为10~50cm，需要实测某个点位的围岩采动应力时a取10~15cm，需要实测围岩某个范围内的采动应力大致均值时a取15~50cm；定距杆的长度a1为钻孔半径的5~10倍，显著减弱钻孔孔底的边缘效应对应力计实测采动应力的影响；应力计与三通道封孔塞的间距a2为不低于钻孔半径的5~10倍，且不小于1~2m，实现注浆材料凝固后钻孔应力计的两端均是注浆固结体可实现钻孔应力计两端受力平衡，不受偏载荷影响测试的准确度；同时应力计处于四周注浆围岩包围的三向受力状态，应力计所在的钻孔围岩不易破坏塑化而影响实测的精确度，抗干扰能力强，稳定性高；
步骤四），对围岩钻孔通过注浆管进行注浆，注浆压力为0.5~5MPa，煤体单轴抗压强度在20MPa以上时注浆压力取2~5MPa，煤体单轴抗压强度在20MPa以下时注浆压力取0.5~2MPa，满足钻孔的破碎区和塑性区的煤体能被注浆固结，确保应力计测试出的采动应力是不受钻孔围岩破坏的影响，确保采动应力无损或者基本无损的传递到应力计；
步骤五），注浆浆液最终固结后对应力计施加初始压力，初始压力为应力计所处埋深对应深垂直应力的70%~100%，煤体单轴抗压强度20MPa以上时取90%~100%，煤体单轴抗压强度20MPa以下时取70%~90%；
步骤六），收集采动应力数据，该数据能够用于监测工作面推进方向和工作面侧向的支承压力的形态特征、影响范围，峰值大小及位置；监测的数据真实反映实际，还可用于分析和预防冲击地压事故，实测效率、稳定性及精度均显著提高。


3.根据权利要求2所述的一种提高采动应力实测精度的方法，其特征在于，若实测位置在岩体区对孔内进行注浆，注浆压力为1~10MPa，若岩体单轴抗压强度大于40MPa时，注浆压力取4~10MPa，若岩体单轴抗压强度小于40MPa时取1~4MPa，满足钻孔的破碎区和塑性区的岩体能被注浆固结。


4.根据权利要求2所述的一种提高采动应力实测精度的方法，其特征在于，所述定距杆的一端为弧形低阻力端头，另一端为螺母孔接头，所述的弧形低阻力端头处连接单向双倒刺卡头，弧形低阻力端头与定距杆之间连接弹簧，由弹簧提供张力。


5.根据权利要求2所述的一种提高采动应力实测精度的方法，其特征在于，所述的三通道封孔塞（2）的一端为封孔塞供液管接头2a，与三通道封孔塞供液管2g相连接；三通...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冬冬，何富连，谢生荣，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11