CN104977210A - 一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩体力学与工程地质领域，具体公开了一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法。该发明方法首先通过对不同采动影响坚硬岩体打钻取芯，通过实验室加工为标准试件；其次通过单轴压缩试验、获取完整坚硬岩体的单轴抗压强度，利用三轴试验对受不同采动影响试样分别施加5-40MPa不等的围压，然后施加轴压，直至试样破坏，记录整个加载过程的中荷载位移曲线；最后，根据Hoek-Brown准则计算每组条件下的m值和s值。本发明方法的优点在于在结合现场取岩芯与实验室试验的基础上，获得受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s值。

Description

一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法

技术领域

本发明属于岩体力学和工程地质学领域，涉及一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法。

背景技术

在我国，属于坚硬顶板的煤层约占三分之一左右，且分布在50％以上的矿区。坚硬顶板工作面悬顶大，矿压显现时间集中、强度大，对回采工作面构成极大威胁，而且可能诱发大的结构突变失稳，造成冲击地压等相关灾害，对煤层的安全开采构成巨大威胁。大量研究表明，岩体破坏是一种典型的非线性破坏，Hoek-Brown准则作为岩体经验强度准则，由于其能够将岩体非线性破坏特征(现场开采影响)表现出来，因此，目前在工程实践中得到较为广泛的应用。m、s作为Hoek-Brown强度准则中描述岩体宏观特性的两个重要参数，其取值的正确与否，将直接关系着对工程安全性的正确判断。

我国绝大部分矿区赋含多煤层，下部煤层开采过程中对上部顶板造成重复损伤，顶板损伤加剧并累积，微观上从岩体强度出发，受不同采动影响，岩体的Hoek-Brown参数m、s不同，宏观上则有可能造成一系列不良后果：轻则工作面强矿压显现，煤壁片帮严重，严重时煤柱破坏，可能会诱发覆岩空间大的结构突变失稳，造成冲击地压等严重灾害，对下部工作面的开采安全构成严重威胁。

目前工程地质领域一般获得霍克布朗参数的方法主要有：查表估计、岩体分类指标RMR、RMI及Q现场估算等常规计算方法。然而上述方法虽然能够得出m、s，但存在以下缺陷：①计算结果误差较大，精度较低；②不同地域岩体组分、含量不同进而造成了其呈现不同的强度，很难用统一的标准去判别；③对于受多次采动影响的岩体时人为因素考虑较多，计算结果更不准确，有时甚至错误。对于受不同采动影响的坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s求取较少见到，且受现场地质条件影响等，对于求取的m、s可靠度有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提出一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其采用如下技术方案：

一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，包括如下步骤：

s₁采前取芯

根据现场实际，并结合岩层柱状图确定取芯的地点及岩性；制定取芯方案；将取出的岩芯进行密封处理；

s₂采后取芯

在本煤层开采之后，下煤层开采之前对开采煤层上覆岩层再次取芯，并将取出的岩芯进行密封处理；

待下煤层开采之后，对开采过的上煤层顶板再次取芯，并将取出的岩芯进行密封处理；

s₃标准试件加工

对步骤s₁和步骤s₂取回的岩芯通过钻取、切割、打磨三道工序，加工为标准试件；

s₄将标准试件分类

根据受采动影响次数将加工完成的标准试件分为3类：第Ⅰ类为未受采动影响的无损岩石试件；第Ⅱ类为受一次采动影响的岩石试件；第Ⅲ类为受二次采动影响的岩石试件；

其中，上述每一类岩石试件保证与层位岩性一一对应；

s₅单轴、三轴试验

将第Ⅰ类岩石试件通过单轴压缩试验获取其单轴抗压强度σ_ci；

对第Ⅱ类试件进行三轴试验，每组试样分别施加5～40MPa的围压，然后施加轴压，直至试样破坏，记录整个加载过程的中荷载位移曲线；

对第Ⅲ类试件进行与第Ⅱ类试件相同过程的三轴试验；

s₆求取Hoek-Brown参数的m、s值

根据Hoek-Brown准则计算每组条件下的m值和s值，计算过程如下：

将变形为：(σ₁-σ₃)²＝mσ₃σ_ci+sσ_ci ²；

式中，σ₁、σ₃分别为岩体破坏时的最大主应力、最小主应力，σ_ci为完整岩块的单轴抗压强度，m、s为与岩体特性有关的材料常数：m反映了岩块的坚硬程度，其取值为1×10^-7～25；而s反映岩体的破碎程度，其取值范围为0～1；

对于第Ⅰ类试件，令s＝1，利用3～5组试验数据，取其平均值便可得出完整岩体的m值；

对于第Ⅱ类试件及第Ⅲ类试件利用至少4组实验数据进行数据拟合，获得m、s值。

进一步，所述步骤s₁中，取芯方案包括确定岩芯的直径、宽度，打钻取芯的角度、孔深。

进一步，所述步骤s₁和s₂中，对岩芯密封处理的大致过程如下：

岩芯取出后，利用保鲜袋在现场将岩芯密封，并贴上带有岩芯所在层位及深度的标签，并将各个岩芯装于长筒内。

进一步，所述步骤s₂中，再次取芯时，需保持相同层位岩性一致。

进一步，所述步骤s₃中，标准试件的加工要求为：

①标准试件为整齐的圆柱体，圆柱体直径为50mm，标准试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍；标准试件高度与直径之比为2.0；

②标准试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm，标准试件高度和直径的误差不得大于0.3mm，端面应垂直于标准试件轴线，最大偏差不得大于0.25°。

本发明具有如下优点：

本发明通过对不同损伤程度的坚硬顶板打钻取芯，通过室内单轴压缩及三轴压缩试验获得了不同损伤状态顶板典型岩石Hoek-Brown参数m、s值。

附图说明

图1为本发明的整体操作流程图。

图2为8#顶板取芯钻孔布置图，其中，8#采前取芯。

图3为8#顶板取芯钻孔布置图，其中，8#采后，11#采前取芯。

图4为8#顶板取芯钻孔布置图，其中，11#采后取芯。

图5为11#顶板取芯钻孔布置图，其中，8#采后，11#采前取芯。

图6为11#顶板取芯钻孔布置图，其中，11#采后取芯。

图7为本发明的实施例中的11#顶板典型完整细砂岩不同围压条件下应力位移曲线图。

图8为本发明的实施例中的11#顶板典型完整粉砂岩不同围压条件下应力位移曲线图。

图9为本发明的实施例中的8#顶板典型完整细砂岩不同围压条件下应力位移曲线图。

图10为本发明的实施例中的8#顶板典型完整粉砂岩不同围压条件下应力位移曲线图。

图11为本发明的实施例中的11#顶板典型细砂岩受一次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

图12为本发明的实施例中的11#顶板典型粉砂岩受一次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

图13为本发明的实施例中的8#顶板典型细砂岩受一次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

图14为本发明的实施例中的8#顶板典型粉砂岩受一次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

图15为本发明的实施例中的8#顶板典型细砂岩受两次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

图16为本发明的实施例中的8#顶板典型粉砂岩受两次采动影响不同围压条件下应力位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

地质条件：某矿目前可采煤层主要为7^#、8^#、11-1^#、12-2^#。7^#煤层位于煤系中部，直接顶多为砂质泥岩，基本顶以粉、细砂岩为主，局部含有中粗砂岩。8^#煤层距7^#煤层间距15m左右，其老顶河北区由粉砂岩和中粗砂岩组成，向西渐变为粉、细砂互层。11^#煤位于煤系下部，距8^#煤层间距35m左右。煤层层位稳定，结构较简单。顶板以细砂岩为主，组织致密、胶结良好、抗压强度较高，煤系地层为侏罗系大同组，煤层具有灰分低，挥发分高的特点，煤质单一，为良好的优质动力煤。11^#8709工作面面长160m，煤厚2.8m左右，工作面采用走向长壁后退式全部垮落法综合机械化开采。下表1为采动影响参数表：

表1

上述表1中：①定义采动影响次数是仅考虑本煤层及下部煤层开采对顶板影响，未将上部煤层开采对底板影响计入其内；②7#开采年代久远，上部详情不知，无法取芯。

一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，包括如下步骤：

s₁采前取芯

第一步，根据现场实际，并结合岩层柱状图确定取芯的地点及岩性；

第二步，制定取芯方案，包括确定岩芯的直径、宽度，打钻取芯的角度、孔深；

第三步，将取出的岩芯进行密封处理；对岩芯密封处理的大致过程如下：

岩芯取出后，利用保鲜袋在现场将岩芯密封以防止漏风氧化，并贴上带有岩芯所在层位及深度的标签，并将各个岩芯装于长筒内(垫木屑或塑料泡沫等以防止岩芯损坏)。

s₂采后取芯

现场取样地点选择该矿11#煤层8709工作面、8#煤层8709工作面及附近巷道。

取芯方案分为采前取芯和采后取芯，其中，根据受采动影响不同8#顶板在7#开采后8#开采之前(如图2所示)、8#开采之后11#开采之前(如图3所示)及11#开采之后(如图4所示)分别取芯1次，11#顶板在8#开采之后11#开采之前(如图5所示)及11#开采之后(如图6所示)分别取芯1次。

为保证尽量减少对现场生产的影响影响，本着施工简便、快捷的原准则，针对8#、11#现场前后取芯位置有所不同(取芯位置位于同一联络巷，前后取芯位置相差2～10m左右)，但遵循总体保持相同层位岩性一致的原则。

对取出的岩芯按照步骤s₁中的密封方式进行处理。

s₃标准试件加工

对步骤s₁和步骤s₂取回的岩芯通过钻取、切割、打磨三道工序，加工为标准试件；

标准试件加工的具体要求为：

①标准试件为整齐的圆柱体，圆柱体直径为50mm，标准试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍；标准试件高度与直径之比为2.0；

②标准试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm，标准试件高度和直径的误差不得大于0.3mm，端面应垂直于标准试件轴线，最大偏差不得大于0.25°。

s₄将标准试件分类

根据受采动影响次数将加工完成的标准试件分为3类：

第Ⅰ类为未受采动影响的无损岩石试件；第Ⅱ类为受一次采动影响的岩石试件；第Ⅲ类为受二次采动影响的岩石试件；其中，每一类岩石试件保证与层位岩性一一对应；

s₅单轴、三轴试验

将第Ⅰ类岩石试件通过单轴压缩试验获取其单轴抗压强度；

对第Ⅱ类试件(要求与第Ⅰ类试验的试件同层位、同岩性且取样地点尽最大可能保持一致)进行三轴试验，每组试样分别施加5～40MPa的围压，然后施加轴压，直至试样破坏，记录整个加载过程的中荷载位移曲线；

再次对第Ⅲ类试件进行与第Ⅱ类试件相同过程的三轴试验；

s₆求取Hoek-Brown参数的m、s值

根据Hoek-Brown准则计算每组条件下的m值和s值，计算过程如下：

将变形为：(σ₁-σ₃)²＝mσ₃σ_ci+sσ_ci ²；

式中，σ₁、σ₃分别为岩体破坏时的最大主应力、最小主应力(压应力为正)，σ_ci为完整岩块的单轴抗压强度，m、s为与岩体特性有关的材料常数：m反映了岩块的坚硬程度，其取值为1×10^-7(高度破碎岩体)～25(坚硬完整岩石)；而s反映岩体的破碎程度，其取值范围为0(破碎岩体)～1(完整岩石)；

对于第Ⅰ类试件，令s＝1，利用3～5组试验数据，取其平均值便可得出完整岩体的m值；

对于第Ⅱ类试件及第Ⅲ类试件利用至少4组实验数据进行数据拟合，获得m、s值。

如图7至图10给出了完整岩石(11#及8#顶板细砂岩、粉砂岩)不同围压条件下的应力位移曲线；如图11至图14给出了受一次采动影响岩石(11#及8#顶板细砂岩、粉砂岩)不同围压条件下的应力位移曲线；如图15至图16给出了受二次采动影响岩石(8#顶板细砂岩、粉砂岩)不同围压条件下的应力位移曲线；

通过测试结果可以表明：同一位置、同一岩性的岩石随着采动次数的增加，其强度及Hoek-Brown参数m、s值均呈不同程度的降低，但弹性模量(斜率)几乎不变。

表2为本实施例中求得的受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s值。

表2

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其特征在于，包括如下步骤：

s₁采前取芯

根据现场实际，并结合岩层柱状图确定取芯的地点及岩性；制定取芯方案；将取出的岩芯进行密封处理；

s₂采后取芯

在本煤层开采之后，下煤层开采之前对开采煤层上覆岩层再次取芯，并将取出的岩芯进行密封处理；

待下煤层开采之后，对开采过的上煤层顶板再次取芯，并将取出的岩芯进行密封处理；

s₃标准试件加工

对步骤s₁和步骤s₂取回的岩芯通过钻取、切割、打磨三道工序，加工为标准试件；

s₄将标准试件分类

根据受采动影响次数将加工完成的标准试件分为3类：第Ⅰ类为未受采动影响的无损岩石试件；第Ⅱ类为受一次采动影响的岩石试件；第Ⅲ类为受二次采动影响的岩石试件；

其中，上述每一类岩石试件保证与层位岩性一一对应；

s₅单轴、三轴试验

将第Ⅰ类岩石试件通过单轴压缩试验获取其单轴抗压强度；

对第Ⅱ类试件进行三轴试验，每组试样分别施加5～40MPa的围压，然后施加轴压，直至试样破坏，记录整个加载过程的中荷载位移曲线；

对第Ⅲ类试件进行与第Ⅱ类试件相同过程的三轴试验；

s₆求取Hoek-Brown参数的m、s值

根据Hoek-Brown准则计算每组条件下的m值和s值，计算过程如下：

将 ${\mathrm{\σ}}_1={\mathrm{\σ}}_3+\sqrt{{\mathrm{m\σ}}_3{\mathrm{\σ}}_{ci}+{\mathrm{s\σ}}_{ci}^2}$ 变形为： ${({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)}^2={\mathrm{m\σ}}_3{\mathrm{\σ}}_{ci}+{{\mathrm{s\σ}}_{ci}}^2;$

式中，σ₁、σ₃分别为岩体破坏时的最大主应力、最小主应力，σ_ci为完整岩块的单轴抗压强度，m、s为与岩体特性有关的材料常数：m反映了岩块的坚硬程度，其取值为1×10^-7～25；而s反映岩体的破碎程度，其取值范围为0～1；

对于第Ⅰ类试件，令s＝1，利用3～5组试验数据，取其平均值便可得出完整岩体的m值；

对于第Ⅱ类试件及第Ⅲ类试件利用至少4组实验数据进行数据拟合，获得m、s值。

2.根据权利要求1所述的一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其特征在于，所述步骤s₁中，

取芯方案包括确定岩芯的直径、宽度，打钻取芯的角度、孔深。

3.根据权利要求1所述的一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其特征在于，所述步骤s₁和s₂中，对岩芯密封处理的大致过程如下：

岩芯取出后，利用保鲜袋在现场将岩芯密封，并贴上带有岩芯所在层位及深度的标签，并将各个岩芯装于长筒内。

4.根据权利要求1所述的一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其特征在于，所述步骤s₂中，再次取芯时，需保持相同层位岩性一致。

5.根据权利要求1所述的一种受不同采动影响坚硬岩体Hoek-Brown参数m、s的求取方法，其特征在于，所述步骤s₃中，标准试件的加工要求为：

①标准试件为整齐的圆柱体，圆柱体直径为50mm，标准试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍；标准试件高度与直径之比为2.0；

②标准试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm，标准试件高度和直径的误差不得大于0.3mm，端面应垂直于标准试件轴线，最大偏差不得大于0.25°。