CN105631102A - 一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，模拟前先取试验巷道围岩岩样在实验室中进行加卸载试验，拟合得到岩样强度参数与损伤变量的衰减关系，并将其嵌入FLAC^3D内置应变软化本构模型中，以试验巷道实测矿压显现规律作为已知特征值，反演岩体的数值计算模型参数。建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，模拟分析卸压钻孔方位、卸压时机及钻孔参数（直径、长度、间排距）对巷道围岩稳定性的影响规律，提出上述影响卸压效果的各因素的确定方法，完善钻孔卸压技术体系。本发明在确定卸压钻孔参数时考虑了卸压程度与围岩稳定性的相互作用关系，设计的卸压钻孔可在保证围岩稳定的前提下发挥最大卸压效果，方法简单，具有很强的应用价值。

Description

一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法

技术领域

本发明涉及深部巷道围岩应力转移及围岩变形控制数值模拟的分析领域,具体为尤其是一种考虑围岩峰后强度参数衰减影响的深部巷道应力转移及围岩变形控制的数值模拟确定钻孔卸压参数的分析方法。

背景技术

近年来，我国煤炭资源需求量及开采强度的增加，导致浅部煤炭资源日益枯竭，许多矿区已相继转入深部开采阶段。进入深部开采后，煤岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生了根本性变化，巷道掘出后围岩易表现出软岩力学特征，碎胀、扩容等大变形现象严重，巷道维护效果极差，严重制约了深部煤炭资源的安全高效生产。

钻孔卸压技术通过人为钻孔的方法在巷道浅部围岩内部形成一个弱化区，将其周边高应力转移至深部稳定围岩中，同时为围岩膨胀变形提供补偿空间，减小巷道变形。作为巷内应力转移技术的一种，钻孔卸压技术具有工艺简单、施工速度快、工程量小等优点，但制约该技术推广应用的主要原因是钻孔卸压参数的确定，目前对于钻孔卸压参数的设计多是参考一些经验，忽略了钻孔对开挖卸荷后煤岩体的再次扰动及弱化效应，导致巷道冒顶、片帮事故时常发生。总结钻孔卸压参数设计主要存在的问题有：

1)采用数值模拟确定钻孔卸压参数时，对深部巷道围岩强度衰减规律认识不足，很少考虑岩石峰后强度参数的衰减过程，或将峰后衰减过程做简单的线性简化，二者均与实际情况偏差较大，缺少室内试验与现场工程岩体参数的反演与校验过程，导致岩体参数的选取具有一定的盲目性，影响了运算结果的输出；

2)设计钻孔卸压参数时，仅考虑了直径、长度等常规参数，忽略了钻孔直径与间排距的相互作用关系，且对于其它一些影响卸压效果的钻孔参数(如卸压时机、方位等)并未全局考虑，导致钻孔卸压参数的确定无法形成完整的技术体系，制约了钻孔卸压技术的推广应用。

因此，提供一种能够能够为克服上述现有技术中的不足而通过数据模拟确定钻孔卸压参数的涉及提供正确而准确的分析方法，从而为钻孔卸压参数的设定提供精准保障，已经是一个值得研究的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数确定的数值模拟方法。

本发明技术解决方案：

深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，包括以下步骤：

步骤1)在工程现场调研阶段：对试验巷道进行①围岩变形破坏特征实时监测和②完整岩样取芯两项工作；工作①分别监测巷道不同深度处围岩位移变化规律、应力演化规律、支护体受力变化规律及围岩节理裂隙、破裂区的扩展演化规律等内容，工作②采用取芯钻对试验巷道完整岩样进行取芯；

步骤2)对步骤1)所取岩样进行实验室加卸载试验：将岩样加载至至峰后应变软化段设计目标点后卸载，获取不同损伤程度的初始损伤岩样，测定初始损伤岩样的力学参数，拟合得到初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型；

步骤3)采用FISH编程语言对FLAC^3D软件进行二次开发：将步骤2)获得的围岩强度衰减模型嵌入软件内置应变软化本构关系中；建立深部巷道开挖数值计算模型，以步骤1)现场实测获得的真实矿压显现规律作为已知特征值，反演得到岩体的数值计算模型参数；

步骤4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型：采用步骤3)获得的岩体参数对模型赋参，通过改变卸压钻孔开挖方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度等工程施工参数，分析各工况下深部巷道围岩应力演化规律及变形破坏特征，选择合理的指标评价巷道的卸压程度，提出巷道钻孔卸压参数的确定方法；

步骤5)采用步骤4)确定的钻孔参数：对试验巷道进行工程应用，验证钻孔卸压参数确定方法的合理性。

所述的步骤1)主要监测设备及监测内容如下：

a)采取布置巷道表面位移测站和多基点位移计的方法，监测试验巷道不同深度处围岩位移变化规律；

b)采用安设钻孔测力计的方法，监测试验巷道开挖后围岩应力演化规律；

c)采用安设压力测试装置的方法，监测试验巷道支护体受力变化规律；

d)采用电磁辐射、地质雷达、钻孔窥视仪等现场测试仪器监测顶板和两帮节理、裂隙、破裂区的扩展演化规律。

所述的步骤2)通过实验室加卸载试验获取损伤变量与损伤岩样力学参数函数关系的方法，具体如下：

步骤a)在工程现场调研阶段，对试验巷道完整岩样进行取芯，在实验室内先进行单轴、三轴压缩试验，测定岩样的峰值强度σ₁、轴向应变ε₁及环向应变ε₃，拟合得到σ₁与围压σ₃的函数关系，根据Mohr-Coulomb强度准则：σ₁＝Aσ₃+B，式中_A和_B均为强度准则参数，计算式分别为：和计算得到岩样的内聚力c和内摩擦角

步骤b)以步骤a)获得的相应围压下(巷道真实应力环境)岩样峰值强度σ₁的70％-80％作为卸围压点，将完整岩样加载至该点时卸除围压σ₃，继续加载σ₁，设计9个目标卸载点，分别由σ₁的90％逐级递减至10％，加载至目标卸载点后进行卸载，测定卸载点岩样的轴向应变ε₁和环向应变ε₃，获取不同损伤程度的初始损伤岩样；

步骤c)采用单块法测定初始损伤岩样的力学参数，围压σ₃等级为5MPa，逐级递增至巷道实际受力状态，测定初始损伤岩样不同σ₃等级下的峰值强度σ₁，拟合得到σ₁与σ₃的函数关系，以步骤a)中Mohr-Coulomb强度准则表达式，计算得到初始损伤岩样的内聚力c和内摩擦角

步骤d)选取塑性剪切应变γ_p作为损伤变量，由下式γ_p＝|ε₁-ε₃|计算得到初始损伤岩样的塑性剪切应变，结合步骤a)和步骤c)试验结果，拟合得到γ_p和c、间的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型。

所述的步骤3)反演岩体数值计算模型参数的方法，具体如下：

e)步骤d)将围岩强度衰减模型中γ_p与FLAC^3D应变软化本构模型的参数ε_ps按式进行替换推导，式中ψ为岩样剪胀角，得到ε^ps、c和表示的深部巷道围岩强度衰减模型；

步骤f)采用FLAC^3D内置FISH编程语言将步骤e)替换推导得到的围度衰减模型编写成运算代码，嵌入软件内置应变软化模型中，数值模拟过程直接调用二次开发后的应变软化模型；

步骤g)建立单位尺寸(1m×1m×1m)的FLAC^3D运算模型，按模型按步骤a)获得的岩样参数赋参，模型下边界设置位移约束，水平方向施加载荷模拟围压，围压等级与室内试验时相同，输出模型的全应力-应变曲线，与室内试验结果对比，校验围步骤d)岩强度衰减模型的合理性，校验无误后继续步骤h：；

步骤h)建立深部巷道开挖数值计算模型，模型侧边界及底边界位移固定，按试验巷道真实应力环境施加应力边界条件，按照按照步骤a)获得的岩样参数进行初始赋参，开挖相同断面尺寸的巷道，运算平衡后输出巷道围岩塑性区及位移数据，与现场实测数据进行比较，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始赋参，直至二者基本吻合为止，此时输出的围岩力学参数即为校验获取的岩体数值计算模型参数。

所述的步骤4)提出深部巷道钻孔卸压参数的确定方法，具体如下：

采用分类法建立2种不同的深部巷道钻孔卸压数值计算模型：I相同直径不同方位和II相同方位不同直径，模型I用以确定卸压钻孔方位，模型II用以确定开挖时间、开挖尺寸及开挖密度，模型侧边界及底边界位移固定，巷道开挖尺寸与现场一致，采用反演得到岩体参数对模型赋参；

i)对模型I分别施加静水应力场、垂直应力场和水平应力场3种应力边界条件，并对不同应力环境下巷道开挖不同方位的卸压钻孔，即巷帮水平钻孔、肩角倾斜钻孔、顶板垂直钻孔及不同方位钻孔交互开挖，以无钻孔时作为对比模型，每种应力场8种方案，共24种方案，分析不同应力环境下开挖不同方位钻孔对巷道卸压效果的影响规律，判定不同方案下巷道卸压程度，提出卸压钻孔方位的确定方法；

j)步骤i)完成后，按照试验巷道真实应力环境建立模型II，固定卸压钻孔长度、直径和间排距等参数，模拟卸压钻孔开挖时间对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压时机的确定方法；

k)步骤j)完成后，采用模型II，固定卸压时机、钻孔直径和间排距等参数，模拟卸压钻孔长度对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压钻孔长度的确定方法；

l)步骤k)完成后，采用模型II，固定卸压时机、钻孔长度等参数，模拟卸压钻孔密度(直径、间排距)对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压钻孔直径、间排距的确定方法。

作为一种评价方法，步骤4)所述巷道卸压程度的评价具体如下：以开挖卸压钻孔后巷道周边高应力的转移效果和围岩变形控制效果作为评价卸压效果的直接指标，并依据不同卸压钻孔参数对应的卸压程度不同，提出卸压程度3种分类标准——①非充分卸压、②充分卸压和③过度卸压。

作为一种评价方法，巷道周边应力转移效果的评价具体如下：选取围岩应力增高区内的一个重要特征值——应力峰值，表征巷道周边高应力，以巷道无卸压钻孔时围岩应力峰值(原应力峰值)σ_peak及峰值位置L(σ_peak)作为已知特征值，通过对不同卸压钻孔参数下巷道围岩产生的新应力峰值σ′_peak和位置L(σ′_peak)、以及原应力峰值位置L(σ_peak)的应力变化规律综合对比分析，综合评判巷道周边高应力的转移效果。

作为一种评价方法，巷道围岩变形控制效果的评价具体如下：以巷道无卸压钻孔时围岩表面位移量作为已知特征值，通过对不同卸压钻孔参数下巷道围岩表面位移数值模拟结果的对比分析，评判巷道围岩变形控制效果；

所述的巷道卸压程度的分类具体如下：

①非充分卸压：卸压钻孔参数不足以转移巷道周边高应力，或在应力转移效果不明显的情况下，同时增加了巷道围岩变形量，称为非充分卸压；

②充分卸压：卸压钻孔参数在有效转移巷道周边高应力的同时，又能对巷道围岩变形起到一定的控制效果，称为充分卸压；

③过度卸压：卸压钻孔参数的改变对于巷道周边应力的转移作用较小，且由于卸压程度过高，导致巷道围岩变形量的急剧增加，围岩已不能保持自稳状态，称为过度卸压。

所述的卸压钻孔参数的确定具体如下：

①卸压钻孔方位：以巷道所处应力环境作为判定依据，合理的卸压钻孔方位应垂直于巷道最大主应力方向布置；巷道处于垂直应力场时，应以开挖巷帮水平钻孔为主，巷道处于水平应力场时，应以开挖顶板垂直钻孔为主，巷道处于静水应力场时，同时开挖巷帮水平钻孔和顶板垂直钻孔。

②卸压时机：卸压钻孔滞后巷道开挖时间越短卸压效果越好，滞后时间越长，钻孔对近乎趋于稳定的浅部围岩结构产生二次扰动，不利于巷道维护，现场工程应用中，卸压钻孔应尽量紧跟巷道迎头施工，尽可能实现巷道掘进与卸压钻孔开挖的平行作业；

③卸压钻孔长度：采用卸压钻孔长度_L与无钻孔时围岩应力峰值距巷道表面距离L(σ_peak)的比值L/L(σ_peak)作为卸压钻孔长度的确定指标，L/L(σ_peak)<1时，卸压钻孔无法有效转移巷道周边高应力，且破坏了浅部围岩结构的完整性，不利于巷道维护；L/L(σ_peak)≥2后，虽能一定程度转移围岩内部的应力峰值，但对原应力峰值区L(σ_peak)的应力作用并不明显，且延长了巷道不稳定时间，增加了钻孔工程量，同样不利于巷道的维护，因此，合理的卸压钻孔长度应在1≤L/L(σ_peak)<2范围内；

④卸压钻孔密度(直径、间排距)：卸压钻孔直径与间排距对卸压效果的影响具有一定的相关性，钻孔直径是确定间排距的基础，从减少钻孔工程量角度，应尽可能增大钻孔直径，进而增加钻孔间排距；采用巷道原应力峰值位置L(σ_peak)相邻两孔间的应力分布状态作为判定指标，当相邻两孔间的应力峰值相互叠加呈“单峰”曲线状态分布，且峰值强度不低于巷道围岩的原岩应力时，巷道处于充分卸压状态。

积极有益效果：本发明方法采用实验室加卸载试验的方法，拟合得到了初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型，采用FISH编程语言将获得的围岩强度衰减模型嵌入FLAC^3D软件内置应变软化本构关系中，反演得到岩体的数值计算模型参数，为数值计算提供了可靠的试验数据，使输出结果更为准确；同时，在确定卸压钻孔参数时考虑了卸压程度与围岩稳定性的相互作用关系，设计的卸压钻孔可在保证围岩稳定的前提下发挥最大卸压效果，且方法简单，具有很强的创新意义，拥有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的钻孔卸压参数数值模拟确定方法的流程图；

图2为岩样单轴、三轴压缩试验拟合得到σ₁与围压σ₃的函数关系图；

图3a为J₁-J₃岩样峰值强度与围压的拟合曲线；

图3b为J₄-J₆岩样峰值强度与围压的拟合曲线；

图3c为J₇-J₉岩样峰值强度与围压的拟合曲线；

图4a为初始损伤岩样内聚力与塑性剪切应变之间的拟合关系；

图4b为初始损伤岩样内摩擦角与塑性剪切应变之间的拟合关系；

图5为单轴、三轴压缩试验数值模型图；

图6为实验室试验与数值模拟输出全应力-应变曲线对比图；

图7为深部巷道开挖数值计算模型图；

图8a为数值模拟输出巷道围岩塑性区分布图；

图8b为现场实测巷道围岩松动圈范围图；

图9为巷道不同深度处围岩变形的数值模拟与现场实测对比图；

图10a为相同钻孔直径不同钻孔方位的数值计算模型图；

图10b为相同钻孔方位不同钻孔直径数值计算模型图；

图11a为不同卸压钻孔方位下巷帮垂直应力分布曲线图；

图11b为不同卸压钻孔方位下顶板水平应力分布曲线图；

图12a为静水应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量图；

图12b为垂直应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量图；

图12c为水平应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量图；

图13a为不同钻孔卸压时机下巷帮垂直应力分布曲线图；

图13b为不同钻孔卸压时机下巷道围岩变形曲线图；

图14a为不同钻孔长度下巷帮垂直应力分布曲线图；

图14b为不同钻孔长度下巷道围岩变形曲线图；

图15a为不同钻孔排距下巷帮垂直应力分布曲线图；

图15b为不同卸压钻孔排距下巷道围岩变形曲线图；图15c为不同卸压钻孔排距下邻近孔间垂直应力分布曲线图；

图16a为不同钻孔间距下巷帮垂直应力分布曲线图；

图16b为不同卸压钻孔间距下巷道围岩变形曲线图

图16c为不同卸压钻孔间距下邻近孔间垂直应力分布曲线图；

图17a为不同卸压钻孔直径下巷帮垂直应力分布曲线图；

图17b为不同卸压钻孔直径下巷道围岩变形曲线图；

图17c为不同卸压钻孔间距下邻近孔间垂直应力分布曲线图；

图18为采用设计卸压钻孔参数施工后巷道围岩变形监测曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的说明：

实施例1

实施例以徐矿集团张双楼煤矿-1000m西大巷的生产地质条件及巷道支护工程实践为例，该工程巷道平均埋深1030m，巷道掘进断面为直墙半圆拱形，断面尺寸(宽×高)为4.8m×4.4m，现采用本发明所述的技术对巷道钻孔卸压参数进行设计。本实例的钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，包括以下几个步骤：

1)根据本实施例的工程方案，对试验巷道完整围岩进行钻孔取样，并在实验室中进行加卸载试验：

分别对岩样进行单轴和三轴压缩试验，测定岩样的峰值强度σ₁、轴向应变ε₁及环向应变ε₃，拟合得到σ₁与围压σ₃的函数关系，如图2所示。根据Mohr-Coulomb强度准则，计算得到完整岩样的内聚力c和内摩擦角如表1所示。

表1不同阶段岩样力学参数

阶段	内聚力/MPa	内摩擦角/(°)
			峰值阶段	13.2597	37.324
残余阶段	2.9669	37.652

巷道真实应力环境约为25MPa，确定相应围压岩样峰值强度σ₁的80％(102.8MPa)作为卸围压点，将完整岩样加载至该点时卸除围压σ₃，继续加载σ₁至峰后卸载点，卸载点共9个，分别由σ₁的90％逐级递减至10％，获取初始损伤岩样，分别以J₁-J₉编号表示，测定卸载点岩样的轴向应变ε₁和环向应变ε₃。

采用单块法测定初始损伤岩样的力学参数，围压σ₃等级为5MPa，逐级递增至25MPa，测定初始损伤岩样不同σ₃等级下的峰值强度σ₁，拟合得到σ₁与σ₃的函数关系，如图3所示，图3a为J₁-J₃岩样峰值强度与围压的拟合曲线图，图3b为J₄-J₆岩样峰值强度与围压的拟合曲线图，图3b为J₇-J₉岩样峰值强度与围压的拟合曲线图。

依据Mohr-Coulomb度准则表达式，计算得到初始损伤岩样的内聚力c和内摩擦角如表2所示。

表2初始损伤岩样力学参数计算结果

选取岩样的塑性剪切应变γ_p作为损伤变量，由下式γ_p＝|ε₁-ε₃|计算得到初始损伤岩样的塑性剪切应变，计算结果如表3所示。

表3初始损伤岩样塑性剪切应变计算结果

依据试验结果，拟合得到γ_p和c、间的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型，如图4所示。图4a为初始损伤岩样内聚力与塑性剪切应变之间的拟合关系图，图4b为初始损伤岩样内摩擦角与塑性剪切应变之间的拟合关系图。

2)围岩强度衰减模型嵌入FLAC^3D软件，反演岩体数值计算模型参数：

将强度参数衰减关系式中γ_p与FLAC^3D应变软化本构模型的参数ε^ps按进行替换推导，式中ψ为岩样剪胀角，取12°，得到以ε^ps、c和表示的围岩强度参数衰减函数关系，如下式所示：

$c=21.8868e^{-{\mathrm{\&epsiv;}}^{ps}/0.000736}+5.2715(R^2=0.8295)$

采用FLAC^3D内置FISH编程语言将上式编写成运算代码，嵌入软件内置应变软化模型中，数值模拟过程直接调用二次开发后FISH语言。

建立单位尺寸(1m×1m×1m)的FLAC^3D运算模型，图5为单轴、三轴压缩试验数值模型图，模型按表1赋参，模型下边界设置位移约束，水平方向施加载荷模拟围压，围压等级取0MPa、5MPa、15MPa和25MPa，输出模型的全应力-应变曲线，与室内试验结果对比，校验围岩强度衰减模型的合理性，图6为实验室试验与数值模拟输出全应力-应变曲线对比图。

建立深部巷道开挖数值计算模型，如图7所示，模型侧边界及底边界位移固定，上表面施加25MPa载荷，按表1对模型进行初始赋参，开挖宽×高为4.8m×4.4m的巷道断面，输出巷道围岩塑性区与位移分布云图，与现场实测数据进行比较，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始赋参，直至二者基本吻合为止，此时输出的围岩力学参数即为校验获取的岩体数值计算模型参数，图8a为数值模拟输出巷道围岩塑性区分布图，图8b为现场实测巷道围岩松动圈范围，图9为巷道不同深度处围岩变形的数值模拟与现场实测对比图，表4为数值模拟反演岩体基本力学参数。

表4数值模拟反演岩体的基本力学参数

3)采用分类法建立2种深部巷道钻孔卸压数值计算模型，如图10所示。图10a为相同钻孔直径不同钻孔方位的数值计算模型图(模型I)，图10b为相同钻孔方位不同钻孔直径数值计算模型图(模型II)，模型I用以确定卸压钻孔方位，模型II用以确定钻孔卸压时机、开挖尺寸及开挖密度，模型侧边界及底边界位移固定，上表面施加25MPa载荷，按表4对模型进行赋参，开挖宽×高为4.8m×4.4m的巷道断面。

3.1)卸压钻孔方位的确定方法

对模型I施加静水应力场，即取侧压系数λ＝1，分别开挖不同方位的卸压钻孔，即巷帮水平钻孔、肩角倾斜钻孔、顶板垂直钻孔及不同方位钻孔交互开挖，以无钻孔时作为对比模型，共8种方案。图11a为不同卸压钻孔方位下巷帮垂直应力分布曲线图，图11b为不同卸压钻孔方位下顶板水平应力分布曲线图。

图8a显示，卸压钻孔方位对巷帮垂直应力转移效果影响的主次顺序为：巷帮水平钻孔＞肩角倾斜钻孔＞顶板垂直钻孔；当开挖水平钻孔时，对转移巷帮垂直应力效果最好，在水平钻孔开挖的基础上，同时开挖肩角和顶板钻孔对于垂直应力转移效果的改善并不明显。

图8b显示，卸压钻孔方位对顶板水平应力转移效果影响的主次顺序为：顶板垂直钻孔＞肩角倾斜钻孔＞巷帮水平钻孔；开挖顶板钻孔对转移顶板水平应力效果最好，在此基础上，同时施工肩角钻孔和巷帮钻孔对顶板水平应力峰值及位置的影响并不明显。

分别对模型I施加静水应力场、垂直应力场和水平应力场3种应力边界条件，并开挖不同方位的卸压钻孔，每种应力条件下计算8组模型。图12a为静水应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量，图12b为垂直应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量，图12c为水平应力场下不同卸压钻孔方位巷道围岩变形量。

图12显示，巷道处于垂直应力场时，巷帮变形量大于顶底板，对巷帮开挖水平卸压钻孔，即可有效转移巷帮围岩周边的高应力，控制围岩变形，且钻孔工程量最小；与之相反，巷道处于水平应力场时，合理的卸压钻孔方位应以布置顶板垂直钻孔为主；而巷道处于静水应力环境时，围岩的稳定性受垂直应力和水平应力共同作用，同时开挖巷帮及顶板钻孔可有效转移围岩内部高应力，控制围岩变形。因此，确定卸压钻孔方位应以巷道所处应力环境作为判定依据，合理的卸压钻孔方位应垂直于巷道最大主应力方向布置；巷道处于垂直应力场时，应以开挖巷帮水平钻孔为主，巷道处于水平应力场时，应以开挖顶板垂直钻孔为主，巷道处于静水应力场时，同时开挖巷帮水平钻孔和顶板垂直钻孔。试验巷道所处应力环境为垂直应力场，因此，应以布置巷帮水平钻孔。

3.2)卸压时机的确定方法

采用模型II，固定卸压钻孔长度、直径和间排距等参数，模拟卸压钻孔开挖时间对巷道卸压效果的影响规律。图13a为不同钻孔卸压时机下巷帮垂直应力分布曲线，图13b为不同钻孔卸压时机下巷道围岩变形曲线。

图13显示，卸压钻孔滞后巷道开挖时间越短，越能较早参与围岩应力调整过程，巷道控制效果越好；当在巷道围岩应力调整末期开挖钻孔，虽可一定程度上起到转移围岩高应力的作用，但钻孔的开挖同时破坏了近乎趋于稳定的浅部围岩结构，巷道将继续产生变形，反而对其维护不利。合理的钻孔卸压时机应在巷道开挖后至围岩应力调整趋于稳定之前，即在巷道应力调整剧烈期内开挖卸压钻孔较为合理，现场工程应用中，卸压钻孔应尽量紧跟巷道迎头施工，尽可能实现巷道掘进与卸压钻孔开挖的平行作业，在保证巷道一次支护完成的前提下，越早开挖卸压钻孔，对于控制巷道围岩变形越有利。

3.3)卸压钻孔长度的确定方法

采用模型②，固定卸压时机、钻孔直径和排距等参数，模拟卸压钻孔长度对巷道卸压效果的影响规律。图14a为不同钻孔长度下巷帮垂直应力分布曲线，图14b为不同钻孔长度下巷道围岩变形曲线。

图14显示，当L/L(σ_peak)<1时，巷道围岩变形量不减反增，主要由于钻孔长度不能有效转移巷道围岩周边的高应力，且钻孔开挖破坏了浅部围岩结构的完整性，导致巷道浅部围岩承载能力的降低，巷道变形量逐渐增加；当1≤L/L(σ_peak)<2时，钻孔可有效转移巷道周边高应力，同时可有效控制巷道变形，卸压效果最好；当L/L(σ_peak)≥2后，增加钻孔长度仅体现在改变巷道应力峰值位置方面，对于巷道原应力峰值处L(σ_peak)的应力并无明显改善，钻孔长度的增加无疑延长了巷道围岩应力的调整时间，反而不利于控制围岩变形，且增加了巷道钻孔工程量。因此，巷道合理的卸压钻孔长度的取值范围应为1≤L/L(σ_peak)<2，对于试验巷道，取L/L(σ_peak)＝1.5，即钻孔长度为10m。

3.4)卸压钻孔直径与间排距的确定方法

采用模型②，固定卸压时机、钻孔长度等参数，模拟卸压钻孔密度(直径、间排距)对巷道卸压效果的影响规律。图15a为不同钻孔排距下巷帮垂直应力分布曲线，图15b为不同卸压钻孔排距下巷道围岩变形曲线，图15c为不同卸压钻孔排距下邻近孔间垂直应力分布曲线，图16a为不同钻孔间距下巷帮垂直应力分布曲线，图16b为不同卸压钻孔间距下巷道围岩变形曲线，图16c为不同卸压钻孔间距下邻近孔间垂直应力分布曲线，图17a为不同卸压钻孔直径下巷帮垂直应力分布曲线，图17b为不同卸压钻孔直径下巷道围岩变形曲线，图17c为不同卸压钻孔间距下邻近孔间垂直应力分布曲线。

图15显示，卸压钻孔排距＞1.8m时，巷道处于非充分卸压状态；0.6m≤钻孔排距≤1.8m时，巷道处于充分卸压状态；钻孔排距＜0.6m时，巷道处于过度卸压状态。当巷道处于充分卸压状态时，原应力峰值位置L(σ_peak)相邻两孔间的应力相互叠加，形成单峰值曲线，且峰值量值大于巷道围岩的原岩应力。

图16显示，卸压钻孔排距＞1.8m时，巷道处于非充分卸压状态；1.2m≤钻孔排距≤1.8m时，巷道处于充分卸压状态；钻孔排距＜1.2m时，巷道处于过度卸压状态。当巷道处于充分卸压状态时，原应力峰值位置L(σ_peak)相邻两孔间的应力同样相互叠加，形成单峰值曲线，且峰值量值大于巷道围岩的原岩应力。

图17显示，巷道处于充分卸压状态时，减小钻孔直径可使卸压效果向非充分卸压转变，同样，钻孔直径的增大，将导致卸压状态向过度卸压转变，钻孔直径是确定卸压钻孔间排距的基础，卸压钻孔直径越大，其单孔作用半径将显著增加，此时，保证巷道处于充分卸压状态所需的间排距可适当加大，反之则减小。因此，确定卸压钻孔间排距之前，应首先确定卸压钻孔的直径。

卸压钻孔的直径与间排距是影响卸压效果的三个关键因素，三者对卸压效果的影响具有一定的相关性，卸压钻孔直径的改变影响着钻孔间排距的确定，钻孔直径是确定间排距的基础，从减少钻孔工程量角度，应尽可能增大钻孔直径，进而增加钻孔间排距。确定卸压钻孔间排距时，采用巷道原应力峰值位置L(σ_peak)相邻两孔间的应力分布状态作为判定指标，当相邻两孔间的应力峰值相互叠加呈“单峰”曲线状态分布，且峰值强度不低于巷道围岩的原岩应力时，巷道处于充分卸压状态。

受张双楼煤矿钻孔施工机具功率限制，卸压钻孔最大钻进直径为115mm，为使巷道处于充分卸压状态，应适当减小钻孔的间排距，最终确定卸压钻孔间排距分别为1000mm、800mm。

4)卸压效果现场工程验证

图18为采用设计卸压钻孔参数施工后巷道围岩变形监测曲线，图中监测曲线显示，卸压钻孔施工100d后，巷道两帮及顶底板移近量分别为79mm和111mm，并趋于稳定，变形量仅为未施工卸压钻孔同期变形的30％左右，围岩维护情况较好，表明设计卸压参数合理。

本发明方法采用实验室加卸载试验的方法，拟合得到了初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型，采用FISH编程语言将获得的围岩强度衰减模型嵌入FLAC^3D软件内置应变软化本构关系中，反演得到岩体的数值计算模型参数，为数值计算提供了可靠的试验数据，使输出结果更为准确；同时，在确定卸压钻孔参数时考虑了卸压程度与围岩稳定性的相互作用关系，设计的卸压钻孔可在保证围岩稳定的前提下发挥最大卸压效果，且方法简单，具有很强的创新意义，拥有广泛的工程应用前景。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在工程现场调研阶段，对试验巷道主要进行①围岩矿压数据实时监测和②岩样取芯两项工作；工作①分别采取布置巷道表面位移测站，安设多基点位移计、钻孔测力计、压力测试装置等矿压设备，监测巷道不同深度处围岩位移变化规律、应力演化规律及支护体受力变化规律等内容，采用电磁辐射、地质雷达、钻孔窥视仪等现场测试仪器监测顶板和两帮节理、裂隙、破裂区的扩展演化规律，为数值模拟岩体参数的校验提供现场数据；工作②采用取芯钻对巷道完整岩样进行取芯，为实验室加卸载试验提供测试岩样；

2)对步骤1)获得的取芯岩样进行实验室加卸载试验，主要包括①将岩样加载至峰后应变软化段各目标点后卸载，获取不同损伤程度的初始损伤岩样，并测定初始损伤岩样的力学参数；②选取合理的损伤变量评价岩样的损伤程度，拟合得到初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型；

3)采用FISH编程语言对FLAC^3D软件进行二次开发，将步骤2)获得的围岩强度衰减模型嵌入FLAC^3D软件内置应变软化本构关系中；建立深部巷道开挖数值计算模型，以步骤1)现场实测获得的真实矿压显现规律作为已知特征值，反演得到岩体的数值计算模型参数；

4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，采用步骤3)获得的岩体参数对模型进行赋参，通过改变卸压钻孔开挖方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度等工程因素的施工参数，分析各工况下深部巷道围岩应力演化规律及变形破坏特征，选择合理的指标评价巷道的卸压程度，得到卸压参数对深部巷道围岩稳定性的影响规律，从而提出巷道钻孔卸压参数的确定方法。

2.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：步骤2)所述的采用实验室加卸载试验获取初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型具体如下：

a)对试验巷道完整岩样进行取芯，对完整岩样进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验，测定完整岩样的峰值强度σ₁、轴向应变ε₁及环向应变ε₃，拟合得到σ₁与围压σ₃的函数关系，根据Mohr-Coulomb强度准则：σ₁＝Aσ₃+B，式中A和B均为强度准则参数，计算式分别为：和计算得到岩样的内聚力c和内摩擦角

b)根据试验巷道应力环境计算围岩受力状态，确定室内试验初始应力加载环境，以步骤a)获得的相应围压下岩样峰值强度σ₁的70％-80％作为卸围压点，将岩样加载至该点时卸除围压σ₃，模拟巷道开挖对围岩应力环境的扰动，继续加载σ₁，设计9个目标卸载点，分别由σ₁的90％逐级递减至10％，岩样加载至目标卸载点后卸载，测定卸载点岩样的轴向应变ε₁和环向应变ε₃，获取不同损伤程度的初始损伤岩样；

c)采用单块法测定初始损伤岩样的力学参数，围压σ₃等级为5MPa，逐级递增至巷道实际受力状态，测定损伤岩样不同σ₃等级下的峰值强度σ₁，拟合得到σ₁与σ₃的函数关系，以步骤a)中Mohr-Coulomb强度准则表达式，计算得到初始损伤岩样的内聚力c和内摩擦角

d)选取塑性剪切应变_γp作为损伤变量，由下式γ_p＝|ε₁-ε₃|计算得到初始损样的塑性剪切应变，结合步骤a)和步骤c)试验结果，拟合得到γ_p和c、函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型。

3.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：步骤3)所述的将围岩强度衰减模型嵌入FLAC^3D软件，反演岩体数值计算模型参数所采用的具体方法是：

e)将步骤d)获得的围岩强度衰减模型中γ_p与FLAC^3D应变软化本构模型的参数ε^ps按式进行替换推导，式中ψ为岩样剪胀角，得到以ε^ps、c和表示的深部巷道围岩强度衰减模型；

f)采用FLAC^3D内置FISH编程语言将步骤e)替换推导得到的围岩强度衰减模型编写成运算代码，嵌入软件内置应变软化模型中，数值模拟过程直接调用二次开发后的应变软化模型；

g)建立单位尺寸(1m×1m×1m)的FLAC^3D运算模型，模型按步骤a)获得的岩样参数赋参，模型下边界设置位移约束，水平方向施加载荷模拟围压，围压等级与步骤a)相同，输出模型的全应力-应变曲线，与室内试验结果对比，校验步骤d)得到的围岩强度衰减模型的合理性，校验无误后继续步骤h)；

h)建立深部巷道开挖数值计算模型，模型侧边界及底边界位移固定，按试验巷道真实应力环境施加应力边界条件，按照步骤a)获得的岩样参数进行初始赋参，开挖相同断面尺寸的巷道，运算平衡后输出巷道围岩塑性区及位移数据，与步骤1)现场实测数据进行比较，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始赋参，直至二者基本吻合为止，此时输出的围岩力学参数即为校验获取的岩体数值计算模型参数。

4.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：步骤4)所述的选择合理的指标评价巷道卸压程度的具体方法是，以开挖卸压钻孔后巷道周边高应力的转移效果和围岩变形控制效果作为评价卸压效果的直接指标，并依据不同卸压钻孔参数对应的卸压程度不同，提出卸压程度3种分类标准——①非充分卸压、②充分卸压和③过度卸压。

5.如权利要求4所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：评价巷道周边高应力转移效果的具体方法是，选取围岩应力增高区内的一个重要特征值——应力峰值，表征巷道周边高应力，以巷道无钻孔时围岩应力峰值(原应力峰值)σ_peak及峰值位置L(σ_peak)作为已知特征值，通过对不同卸压钻孔参数下巷道围岩产生的新应力峰值σ′_peak和位置L(σ′_peak)、以及原应力峰值位置L(σ_peak)的应力变化规律综合对比分析，综合评判巷道周边高应力的转移效果。

6.如权利要求4所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：评价巷道围岩变形控制效果的具体方法是，以巷道无钻孔时围岩表面位移量作为已知特征值，通过对不同卸压钻孔参数下巷道围岩表面位移的数值模拟对比分析，评判巷道围岩变形控制效果。

7.如权利要求4所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：评价巷道卸压程度的3种分类标准定义方法为：

①非充分卸压：卸压钻孔参数不足以转移巷道周边高应力，或在应力转移效果不明显的情况下，同时增加了巷道围岩变形量，称为非充分卸压；

②充分卸压：卸压钻孔参数在有效转移巷道周边高应力的同时，又能对巷道围岩变形起到一定的控制效果，称为充分卸压；

③过度卸压：卸压钻孔参数的改变对于巷道周边应力的转移作用较小，且由于卸压程度过高，导致巷道围岩变形量的急剧增加，围岩已不能保持自稳状态，称为过度卸压。

8.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：步骤4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，模拟不同钻孔方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度等因素对深部巷道围岩应力演化及变形规律影响时，采用分类法建立2种不同的深部巷道钻孔卸压数值计算模型：I相同直径不同方位和II相同方位不同直径，模型I用以确定卸压钻孔方位，模型II用以确定开挖时间、开挖尺寸及开挖密度，模型侧边界及底边界位移固定，巷道开挖尺寸与现场一致，采用步骤h)反演得到岩体参数对模型赋参，模拟具体方法是：

i)对模型I分别施加静水应力场、垂直应力场和水平应力场3种应力边界条件，并对不同应力环境下巷道开挖不同方位的卸压钻孔，即巷帮水平钻孔、肩角倾斜钻孔、顶板垂直钻孔及不同方位钻孔交互开挖，以无钻孔时作为对比模型，每种应力场8种方案，共24种方案，分析不同应力环境下开挖不同方位钻孔对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压钻孔方位的确定方法；

j)步骤i)完成后，按照试验巷道真实应力环境建立模型II，固定卸压钻孔长度、直径和间排距等参数，模拟卸压钻孔开挖时间对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压时机的确定方法；

k)步骤j)完成后，采用模型II，固定卸压时机、钻孔直径和排距等参数，模拟卸压钻孔长度对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压钻孔长度的确定方法；

l)步骤k)完成后，采用模型II，固定卸压时机、钻孔长度等参数，模拟卸压钻孔密度(直径、间排距)对巷道卸压效果的影响规律，提出卸压钻孔直径、间排距的确定方法。

9.如权利要求1和权利要求8所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于：卸压钻孔参数的确定方法具体如下：

①卸压钻孔方位：以巷道所处应力环境作为判定依据，合理的卸压钻孔方位应垂直于巷道最大主应力方向布置；巷道处于垂直应力场时，应以开挖巷帮水平钻孔为主，巷道处于水平应力场时，应以开挖顶板垂直钻孔为主，巷道处于静水应力场时，同时开挖巷帮水平钻孔和顶板垂直钻孔；

②卸压时机：卸压钻孔滞后巷道开挖时间越短卸压效果越好，滞后时间越长，卸压钻孔对近乎趋于稳定的浅部围岩结构产生二次扰动，不利于巷道维护，现场工程应用中，卸压钻孔应尽量紧跟巷道迎头施工，尽可能实现巷道掘进与卸压钻孔开挖的平行作业；

③卸压钻孔长度：采用卸压钻孔长度L与无钻孔时围岩应力峰值距巷道表面距离L(σ_peak)的比值L/L(σ_peak)作为卸压钻孔长度的确定指标，L/L(σ_peak)<1时，卸压钻孔无法有效转移巷道周边高应力，且破坏了浅部围岩结构的完整性，不利于巷道维护；L/L(σ_peak)≥2后，虽能一定程度转移围岩内部的应力峰值，但对原应力峰值区L(σ_peak)的应力作用并不明显，且延长了巷道不稳定时间，增加了钻孔工程量，同样不利于巷道的维护，因此，合理的卸压钻孔长度应在1≤L/L(σ_peak)<2范围内；

④卸压钻孔密度(直径、间排距)：卸压钻孔直径与间排距对卸压效果的影响具有一定的相关性，钻孔直径是确定间排距的基础，从减少钻孔工程量角度，应尽可能增大钻孔直径，进而增加钻孔间排距；采用巷道原应力峰值位置L(σ_peak)相邻两孔间的应力分布状态作为确定钻孔间排距的判定指标，当相邻孔间应力峰值相互叠加呈“单峰”曲线分布，且峰值强度不低于巷道围岩的原岩应力时，巷道处于充分卸压状态。