岩体碎胀特性原位测试与评价方法技术

本发明专利技术公开了岩体碎胀特性原位测试与评价方法，涉及岩土工程勘察技术领域，包括设定钻进角度并在切顶后形成的碎胀矸石区域按顺时针等角度设定预钻进方向；利用围岩智能数字钻机按照预钻进方向对碎胀矸石进行数字钻进，监测随钻参数的变化情况，绘制随钻参数随钻进深度的变化曲线；随钻参数代入岩体强度随钻测试模型，得到碎胀矸石的等效抗压强度变化曲线；根据随钻参数和等效抗压强度变化曲线中剧烈波动段的范围和波动程度确定碎胀矸石的碎胀范围，得到垮落后的岩体体积；根据垮落后的岩体体积与垮落前的岩体体积比值得到岩体碎胀系数；根据岩体碎胀效果对切顶参数进行优化，得到碎胀效果的定量评价方案。能够对岩体碎胀效果进行原位测试与评价。碎胀效果进行原位测试与评价。碎胀效果进行原位测试与评价。

【技术实现步骤摘要】
岩体碎胀特性原位测试与评价方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程勘察
，尤其涉及岩体碎胀特性原位测试与评价方法。

技术介绍

[0002]切顶卸压无煤柱自成巷工法是一种新型采煤方法，该工法通过超前聚能切缝，形成切缝结构面，在矿山压力作用下，顶板沿预裂切缝垮落形成冒落带，冒落带的岩体产生碎胀形成巷帮，既取消了煤柱留设和巷道掘进，又可避免地表产生塌陷，具有广阔的应用前景。其中，矸石岩体的碎胀范围和碎胀效果对于巷道围岩的稳定性起着重要作用。在室内试验中通过装置针对岩体碎胀特性进行的测量与现场存在较大误差，而且现场工程中顶板岩体的垮落程度、碎胀岩体的范围难以确定，而且不能考虑距切缝较远的工作面中部岩体的垮落情况和水平方向上的垮落宽度，导致无法准确对岩体碎胀效果进行评价。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供岩体碎胀特性原位测试与评价方法，利用围岩智能数字钻机对切顶后的垮落岩体实施现场钻进试验，通过对随钻参数和岩体等效抗压强度的变化进行分析，确定精确的切顶后碎胀矸石的碎胀范围和碎胀系数，实现对岩体碎胀效果的评价。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的实施例提供了岩体碎胀特性原位测试与评价方法，具体步骤如下：设定钻进角度，并在切顶后形成的碎胀矸石区域按顺时针等角度设定预钻进方向；利用围岩智能数字钻机按照预钻进方向对碎胀矸石进行数字钻进，监测随钻参数的变化情况，绘制随钻参数随钻进深度的变化曲线；将监测的随钻参数代入岩体强度随钻测试模型，得到碎胀矸石的等效抗压强度变化曲线；根据随钻参数和等效抗压强度变化曲线中剧烈波动段的范围和波动程度确定碎胀矸石的碎胀范围，得到垮落后的岩体体积；根据垮落后的岩体体积与垮落前的岩体体积比值得到岩体碎胀系数；根据岩体碎胀效果对切顶参数进行优化，使得优化后的切顶参数的顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡，得到碎胀效果的定量评价方案。
[0005]作为进一步的实现方式，根据所设置的切顶参数对巷道顶板进行超前定向预裂切顶；所述切顶参数包括切顶高度、切顶角度、孔间距；当工作面开始回采后顶板在矿山压力作用下开始垮落。
[0006]作为进一步的实现方式，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力。
[0007]作为进一步的实现方式，所述围岩智能数字钻机包括两种控制模式，其中一种模式为恒钻进速度与恒钻头转速；另一种模式为恒钻进压力与恒钻头转速。
[0008]作为进一步的实现方式，所述岩体强度随钻测试模型，其计算公式为：σ
e
=αη
s
+β式中，σ
e
为岩体等效抗压强度，η
s
为岩石单位切削能量，α为系数、β为常量，α、β利用岩石抗压强度与切削能量η
s
的拟合系数得到。
[0009]作为进一步的实现方式，当岩体等效抗压强度和随钻参数中的钻进扭矩、钻进压力不再产生剧烈波动时，达到碎胀矸石的边界从而确定岩体碎胀范围。
[0010]作为进一步的实现方式，通过随钻参数和等效抗压强度变化曲线中剧烈波动段的范围和波动程度确定碎胀矸石的垮落高度、垮落宽度。
[0011]作为进一步的实现方式，通过垮落高度、垮落宽度和工作面回采长度确定垮落后的岩体体积。
[0012]作为进一步的实现方式，通过顶板切缝高度、巷道高度、开采面积和采矿体积确定垮落前的岩体体积。
[0013]作为进一步的实现方式，每间隔相等的时间测量一次矸石的碎胀系数，当前后两次测量的岩体碎胀系数之差小于设定阈值时，则确定此碎胀系数为稳定碎胀系数。
[0014]本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术通过利用围岩智能数字钻机按照预钻进方向对碎胀矸石进行数字钻进，实现对切顶卸压后垮落岩体进行现场钻进试验，根据随钻参数和等效抗压强度的变化可以获得精确的岩体碎胀范围和碎胀系数，即对岩体碎胀范围和碎胀系数进行准确的测试，实现对碎胀效果的定量评价。本专利技术能够对岩体碎胀效果进行原位测试与评价，为煤炭资源的安全绿色开采提供依据。
[0015]（2）本专利技术在切顶后形成的碎胀矸石区域按顺时针等角度设定预钻进方向，通过对不同方向进行数字钻进试验，不仅可以得到岩体垮落高度，同样可以得到距切缝较远的工作面中部岩体的垮落情况和水平方向上的垮落宽度，使碎胀范围的确定更加精确。
[0016]（3）本专利技术基于钻进过程中所测得的随钻参数和岩体强度随钻测试模型，得到岩体等效抗压强度随钻进深度的变化情况。通过对随钻参数和岩体等效抗压强度曲线剧烈波动段的范围和波动程度进行分析，得出切顶后碎胀矸石的碎胀范围和碎胀系数，对岩体碎胀效果进行评价，并不断优化切顶参数来实现顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1是本专利技术根据一个或多个实施方式的岩体碎胀特性原位测试与评价方法的钻进示意图；图2是本专利技术根据一个或多个实施方式的岩体碎胀特性原位测试与评价方法的实施流程图。
具体实施方式
[0019]实施例一：如图1和2所示，本实施例提供了岩体碎胀特性原位测试与评价方法，利用围岩智能数字钻机对切顶后的冒落带岩体实施现场钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况。基于钻进过程中所测得的随钻参数和岩体强度随钻测试模型，得到岩体等效抗压强度随钻进深度的变化情况。通过对随钻参数和岩体等效抗压强度曲线剧烈波动段的范围和波动程度进行分析，得出切顶后碎胀矸石的碎胀范围和碎胀系数，对岩体碎胀效果进行评价。具体步骤如下：步骤1：根据所设置的切顶参数对巷道顶板进行超前定向预裂切顶。
[0020]进一步的，所述切顶参数包括切顶高度、切顶角度、孔间距；当工作面开始回采后顶板在矿山压力作用下开始垮落。
[0021]步骤2：设定钻进角度，并在切顶后形成的碎胀矸石区域按顺时针等角度设定预钻进方向。
[0022]进一步的，如图1所示，碎胀矸石区域两侧设置有支护构件，钻机钻进方向以一侧支护构件的底端为基准，在碎胀矸石区域内成放射状等间隔划分钻机钻进方向的路线，包括n条钻机钻进方向路线，第n条钻机钻进方向路线与另一侧的支护构件之间构成采空区。
[0023]碎胀矸石区域内设置n条成放射状分布的钻进路线，目的是实现对不同方向进行数字钻进试验，不仅可以得到岩体垮落高度，同样可以得到距切缝较远的工作面中部岩体的垮落情况和水平方向上的垮落宽度，使碎胀范围的确定更加精确。
[0024]步骤3：利用围岩智能数字钻机按照预钻进方向对碎胀矸石进行数字钻进，监测随钻参数的变化情况，绘制随钻参数随钻进深度的变化曲线。
[0025]进一步的，围岩智能数字钻机钻进的过程中可以采用两种控制模式，分别为恒钻进速度+恒钻头转速模式，恒钻进压力+恒钻头转速模式；分别进行在两种控制模式下切顶后的冒落带岩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.岩体碎胀特性原位测试与评价方法，其特征在于，具体步骤如下：设定钻进角度，并在切顶后形成的碎胀矸石区域按顺时针等角度设定预钻进方向；利用围岩智能数字钻机按照预钻进方向对碎胀矸石进行数字钻进，监测随钻参数的变化情况，绘制随钻参数随钻进深度的变化曲线；将监测的随钻参数代入岩体强度随钻测试模型，得到碎胀矸石的等效抗压强度变化曲线；根据随钻参数和等效抗压强度变化曲线中剧烈波动段的范围和波动程度确定碎胀矸石的碎胀范围，得到垮落后的岩体体积；根据垮落后的岩体体积与垮落前的岩体体积比值得到岩体碎胀系数；根据岩体碎胀效果对切顶参数进行优化，使得优化后的切顶参数的顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡，得到碎胀效果的定量评价方案。2.如权利要求1所述的岩体碎胀特性原位测试与评价方法，其特征在于，根据所设置的切顶参数对巷道顶板进行超前定向预裂切顶；所述切顶参数包括切顶高度、切顶角度、孔间距；当工作面开始回采后顶板在矿山压力作用下开始垮落。3.如权利要求1所述的岩体碎胀特性原位测试与评价方法，其特征在于，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力。4.如权利要求3所述的岩体碎胀特性原位测试与评价方法，其特征在于，当岩体等效抗压强度和随钻参数中的钻进扭矩、钻进压力不再产生剧烈波动时，达到碎胀矸石的边界从而确定岩体碎胀范围。5.如权利要求1所述的岩体碎胀特性...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，江贝，吴文瑞，高红科，翟大虎，薛浩杰，
申请(专利权)人：山东能源集团有限公司，
类型：发明
国别省市：