高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法，包括步骤A、深部采场围岩变形控制主动支护；步骤B、构建基于LabVIEW和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统；步骤C、构建采场动压与变形可视化及预警系统；步骤D、构建动态变形智能监测及调控系统。在选择合适的深部采场围岩变形控制主动支护基础上，建立基于LabVIEW和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统，结合采场动压与变形破断的远程实时可视化监测和预报，并基于监测数据动态精准实施控制技术措施，形成一套安全、经济和可行的深部高应力复杂条件采场围岩变形控制关键技术。采场围岩变形控制关键技术。采场围岩变形控制关键技术。

【技术实现步骤摘要】
高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法


[0001]本专利技术涉及围岩变形控制
，具体涉及一种深部高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法。

技术介绍

[0002]由于深部采场围岩处于较高的地应力和复杂的地质环境，导致其变形特征与浅部大相径庭，深部采场围岩变形控制方法及监测系统的应用是保障深部工作面安全回采的重要措施之一。
[0003]国内外专家对深部采场围岩变形控制方法及监测系统已经开展了一些研究，虽然一定程度上为深部采场围岩变形控制提供了理论指导和技术支撑，但仍存在一些不足，特别是涉及采场动压及变形监测系统，主要的问题在于：对矿压进行监测时需人携带智能手持采集仪，监测效率不高；仅对巷道顶板应力与变形进行了监测，所用传感器较为传统，传感器布置不合理，受深部矿井环境影响较大，且未对巷道两帮与底板变形进行监测，监测数据不全面；仅实现了对采场围岩应力应变进行监测，监测数据较为单一；仅对锚杆应力进行了监测，未涉及锚杆自动调压方面。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种在选择合适的深部采场围岩变形控制主动支护基础上，建立基于LabVIEW和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统，结合采场动压与变形破断的远程实时可视化监测和预报，并基于监测数据动态精准实施控制技术措施，形成一套安全、经济和可行的深部高应力复杂条件采场围岩变形控制关键技术。
[0005]为此，本专利技术所采用的技术方案为：高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤A、深部采场围岩变形控制主动支护；
[0007]1)原岩应力测试；
[0008]在工作面沿空顺槽和非沿空顺槽均设置原岩应力测试断面，选择岩体完整性较好的巷道断面，设岩层的走向为X方向，倾向为Y方向，垂直于XY平面的方向为Z方向，按X、Y、Z、X45
°
Y、Y45
°
Z、Z45
°
X六个方向定向钻取完整岩样，用该空间6个方向的岩石声发射效应特征点的荷载进行计算，得到取样点的主应力大小及方位，以寻求区域性地应力变化规律；
[0009]根据每个试件的声发射效应特征点确定其荷载，由试件的受力面积计算出应力，多个试件的平均值即为该方向的应力测试值，并根据以下公式得到其主应力的大小和方位角：
[0010]在地下岩体中取一个四面体的微单元OABC，其中OA、OB、OC分别与坐标X、Y、Z的正方向重合，其法向方向余弦为l、m、n，则平面ABC上的正应力σ
n
可以表示为：σ
n
＝σ
x
l2+σ
y
m2+σ
z
n2+2τ
xy
lm+2τ
yz
mn+2τ
zx
nl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]用矩阵形式可表示为：[σ
n
]＝[A][σ]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0012]式中，[σ
n
]为kaiser点的单向正应力矩阵，[σ]为测点应力分量矩阵，[A]为方向余弦乘积矩阵；
[0013]将式(2)看作是关于l、m、n未知数的方程组，且l、m、n必须满足式(3)
[0014]的条件，即：l2+m2+n2＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]则可得到式(2)的特征方程：σ3‑
I1σ2+I2σ
‑
I3＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0016]其中，
[0017]将实测的6个特殊方向的单向正应力值代入式(1)中，可以计算得到6个应力分量，即σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
、τ
zx
，代入式(4)、(5)中，即可求得该点的3个主应力大小及方向；
[0018]2)寻找采场围岩裂隙场演化规律；
[0019]在工作面沿空顺槽和非沿空顺槽超前工作面170—180m位置处选取采动裂隙监测断面，在现场向巷道顶板和两帮打孔，用钻孔成像仪窥视顶板和两帮裂隙发育状态，将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区；
[0020]结合钻孔成像对岩体的裂隙分析结果，采用霍克布朗准则和非关联流动法则寻找巷道围岩裂隙场演化规律，并采用龙格库塔方法进行数值计算，求解得到应变软化区和塑性流动区半径，并最终得到巷道围岩变形与破断的时空演化规律；
[0021]3)进行断层注浆改性；
[0022]当断层处于回采及支护影响范围内，若不对断层进行适当处理，则会引起支护体系的失效和安全隐患，因此需要对断层进行改造；为了研究断层裂隙煤岩体的改性原则，在尽量提高浅部煤岩体完整性的同时，又要防止对煤岩体造成进一步破坏，需在前期地应力测试基础上，对试验点煤岩体破裂压力进行统计分析，确定煤岩体破裂压力；
[0023]根据煤岩体破裂压力对断层进行注浆改性，并通过矿用钻孔窥视系统对改性前后围岩改性效果进行检验，断层裂隙煤岩体改性既要保证浆液的有效扩散，对煤岩体浅部裂隙进行有效充填，又要对深部封闭、半封闭裂隙进行贯通扩展，形成有效的煤岩体浆液固结体支撑网络；若断层处于回采及支护影响范围外则可不进行注浆处理；
[0024]4)进行卸压工艺设计；
[0025]深部矿井在开采过程中若出现围岩应力集中，会造成冲击隐患，工作面回采之前应实施区域水力压裂卸压，然后在采掘空间局部选择煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压中的至少一种局部防冲措施；
[0026]综合实际条件和巷道围岩动压的动态监测结果，选择合适的卸压工艺，并采用压力传感器布置在锚杆锚索自由端监测卸压巷道附近锚杆锚索的受力变化，从而监测卸压工艺后巷道周边应力场的演化过程，检验卸压效果；
[0027]5)采场围岩变形控制主动支护技术
[0028]基于“深部卸压、浅部强支、巷表防护”多层次控制理念，进行锚杆锚索+金属网+钢带的超强主动支护，包括：
[0029]a.利用锚索钢结合壁后浅部充填控制巷道围岩浅部变形
[0030]当浅部围岩比较破碎时，锚杆锚索的支护作用得不到充分的发挥，因此需要在岩
壁外锚杆锚索的位置处安装金属安全网和钢带，对围岩浅部破碎煤岩体，尤其是锚杆锚索托盘处的破碎煤岩体采用固邦特充填进行加固；
[0031]b.扩大工作面超前支护距离，提高超前支护强度
[0032]通过监测工作面顺槽过往采动应力，沿空顺槽和非沿空顺槽在工作面超前距离内的采动应力变化敏感段，采用顺槽端头支架进行超前支护，超前支护距离不小于采动应力变化敏感段的二分之一；
[0033]c.采用高强度预应力锚杆，提高锚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高应力复杂条件下三维采场围岩变形综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、深部采场围岩变形控制主动支护；1)原岩应力测试；在工作面沿空顺槽和非沿空顺槽均设置原岩应力测试断面，选择岩体完整性较好的巷道断面，设岩层的走向为X方向，倾向为Y方向，垂直于XY平面的方向为Z方向，按X、Y、Z、X45
°
Y、Y45
°
Z、Z45
°
X六个方向定向钻取完整岩样，用该空间6个方向的岩石声发射效应特征点的荷载进行计算，得到取样点的主应力大小及方位，以寻求区域性地应力变化规律；根据每个试件的声发射效应特征点确定其荷载，由试件的受力面积计算出应力，多个试件的平均值即为该方向的应力测试值，并根据以下公式得到其主应力的大小和方位角：在地下岩体中取一个四面体的微单元OABC，其中OA、OB、OC分别与坐标X、Y、Z的正方向重合，其法向方向余弦为l、m、n，则平面ABC上的正应力σ
n
可以表示为：σ
n
＝σ
x
l2+σ
y
m2+σ
z
n2+2τ
xy
lm+2τ
yz
mn+2τ
zx
nl
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(1)用矩阵形式可表示为：[σ
n
]＝[A][σ]
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(2)式中，[σ
n
]为kaiser点的单向正应力矩阵，[σ]为测点应力分量矩阵，[A]为方向余弦乘积矩阵；将式(2)看作是关于l、m、n未知数的方程组，且l、m、n必须满足式(3)的条件，即：l2+m2+n2＝1
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(3)则可得到式(2)的特征方程：σ3‑
I1σ2+I2σ
‑
I3＝0
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(4)其中，将实测的6个特殊方向的单向正应力值代入式(1)中，可以计算得到6个应力分量，即σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
、τ
zx
，代入式(4)、(5)中，即可求得该点的3个主应力大小及方向；2)寻找采场围岩裂隙场演化规律；在工作面沿空顺槽和非沿空顺槽超前工作面170—180m位置处选取采动裂隙监测断面，在现场向巷道顶板和两帮打孔，用钻孔成像仪窥视顶板和两帮裂隙发育状态，将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区；结合钻孔成像对岩体的裂隙分析结果，采用霍克布朗准则和非关联流动法则寻找巷道围岩裂隙场演化规律，并采用龙格库塔方法进行数值计算，求解得到应变软化区和塑性流动区半径，并最终得到巷道围岩变形与破断的时空演化规律；3)进行断层注浆改性；当断层处于回采及支护影响范围内，若不对断层进行适当处理，则会引起支护体系的失效和安全隐患，因此需要对断层进行改造；为了研究断层裂隙煤岩体的改性原则，在尽量提高浅部煤岩体完整性的同时，又要防止对煤岩体造成进一步破坏，需在前期地应力测试基础上，对试验点煤岩体破裂压力进行统计分析，确定煤岩体破裂压力；根据煤岩体破裂压力对断层进行注浆改性，并通过矿用钻孔窥视系统对改性前后围岩改性效果进行检验，断层裂隙煤岩体改性既要保证浆液的有效扩散，对煤岩体浅部裂隙进
行有效充填，又要对深部封闭、半封闭裂隙进行贯通扩展，形成有效的煤岩体浆液固结体支撑网络；若断层处于回采及支护影响范围外则可不进行注浆处理；4)进行卸压工艺设计；深部矿井在开采过程中若出现围岩应力集中，会造成冲击隐患，工作面回采之前应实施区域水力压裂卸压，然后在采掘空间局部选择煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压中的至少一种局部防冲措施；综合实际条件和巷道围岩动压的动态监测结果，选择合适的卸压工艺，并采用压力传感器布置在锚杆锚索自由端监测卸压巷道附近锚杆锚索的受力变化，从而监测卸压工艺后巷道周边应力场的演化过程，检验卸压效果；5)采场围岩变形控制主动支护技术基于“深部卸压、浅部强支、巷表防护”多层次控制理念，进行锚杆锚索+金属网+钢带的超强主动支护，包括：a.利用锚索钢结合壁后浅部充填控制巷道围岩浅部变形当浅部围岩比较破碎时，锚杆锚索的支护作用得不到充分的发挥，因此需要在岩壁外锚杆锚索的位置处安装金属安全网和钢带，对围岩浅部破碎煤岩体，尤其是锚杆锚索托盘处的破碎煤岩体采用固邦特充填进行加固；b.扩大工作面超前支护距离，提高超前支护强度通过监测工作面顺槽过往采动应力，沿空顺槽和非沿空顺槽在工作面超前距离内的采动应力变化敏感段，采用顺槽端头支架进行超前支护，超前支护距离不小于采动应力变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋长宝，黄椿尧，程岳，白冰，张东明，李琳，吴家耀，许文锋，熊彬，雷运朋，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：