CN109063299B - 岩石力学参数以及锚杆安装参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用钻机钻进速度确定岩石力学参数的方法，以及利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法，通过测定钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F，计算得到岩石力学参数，然后通过钻入深度‑岩石力学参数关系图确定出硬岩位置和厚度，评价该硬岩承受悬吊载荷的能力，从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础，获取锚杆的长度、外径和疏密度。因此，该方法可指导锚杆支护工作，针对巷道中不同的地方，选择不同的锚杆长度、外径，并设定不同的锚杆间距和排距，使得锚杆支护的稳定性一致，提高锚杆支护的整体性和牢靠性，避免锚杆支护区中有的地方牢靠有的地方不牢靠的情况，增加安全性。

Description

岩石力学参数以及锚杆安装参数确定方法

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种石力学参数以及锚杆安装参数的确定方法。

背景技术

锚杆支护是近年来发展较快的一种井巷支护方法，通过锚入围岩内的锚杆，改善围岩本身的力学状态，使支护体与围岩本身形成一个统一的能够承受载荷的结构体，从而提高岩体自身的强度，阻止或延缓围岩的变形发展，有效地保持围岩的完整性和巷道端面形状。

由于围岩各处的性能不同，锚杆支护的情况也不同，比如，围岩较硬的地方，锚杆相对容易固定，钻入的锚杆可以相对较短或者较细，钻入的深度可以较浅，而围岩较软的地方，锚杆不容易固定，就需要较粗的锚杆，钻入较深的距离等。由于巷道内各处的围岩性能是不同的，不能实时掌握巷道围岩的岩石性质，使得锚杆的选择以及钻入的深浅没有一个标准。不同性质的围岩使用相同的锚杆钻入相同的深度，会使锚杆支护各处的性能不统一，整体性不好；不同性质的围岩中，锚杆分布的数密度也会影响锚杆支护的稳定性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种岩石力学参数以及锚杆安装参数的确定方法，利用锚杆钻获取岩石力学参数进而确定锚杆安装参，以解决背景技术中锚杆支护整体性不好的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种用钻机钻进速度确定岩石力学参数的方法，包括如下步骤：

随着钻机的钻进，获取在不同深度岩层中，钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F。

根据获得的转速R、钻进速度V、和钻杆推力F计算岩石力学参数

第二方面，本发明提供一种利用上述的岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法，所述方法包括，

获取K和钻进深度的曲线分布图；寻找K曲线的拐点，并根据曲线分布图寻找硬岩位置和厚度，评价该硬岩承受悬吊载荷的能力，从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础，获取锚杆的长度、外径和疏密度。

根据钻杆钻入深度H、以及计算得到的岩石力学参数K，获取钻入深度-岩石力学参数关系图。

上述方法中，根据钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F计算得到了岩石力学参数K的值，随着锚杆钻机的钻入，对应于每个钻入深度H都有一个确定的岩石力学参数K值，根据钻入深度H、以及岩石力学参数K绘图，可得到钻入深度-岩石力学参数关系图。

根据钻入深度-岩石力学参数关系图确定硬岩的位置和厚度。

随着钻机的钻入，首先钻入的是巷道顶板较软弱岩层，穿过较软弱岩层后到达硬岩层，从较软弱岩层进入硬岩时，钻入深度-岩石力学参数关系图中出现明显的拐点，从这个拐点开始便进入了硬岩层，锚杆钻机钻入的总长度减去钻入深度-岩石力学参数关系图中拐点位置以下的软弱岩层的厚度即为硬岩的厚度。当然，存在这种可能：在较软弱岩层中有一块较硬的岩石，此时在钻入深度-岩石力学参数关系图中也出现拐点，但在钻机经过了此硬岩石块时，钻入深度-岩石力学参数关系图中再次出现拐点恢复至较软弱岩层的曲线。因此，从出现明显拐点开始，钻入深度-岩石力学参数关系图持续出现硬岩的曲线，才可确定拐点是到达硬岩的拐点。

根据硬岩的位置和厚度来评价该硬岩承受悬吊载荷的大小；从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础；进而获取锚杆的长度、外径和疏密度。

锚杆支护的目的是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定硬岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，而硬岩层需要将锚杆悬吊。

在K曲线分布图中寻找K值由低向高转变的拐点。确定高K值岩层的厚度，用锚固药卷安装长度范围的钻孔壁抗剪切强度评价高K值岩层承受悬吊载荷的能力，从而确认其作为锚杆支护的悬吊基础。在K曲线分布图中确定低K值岩层的厚度，确定其为需悬吊岩层的厚度，根据锚固药卷安装长度、需悬吊岩层的厚度和锚杆托盘装置的厚度和确定锚杆的长度；根据低K值岩层的厚度和巷道顶板的宽度确定悬吊岩层的载荷大小，从而确定悬吊锚杆的密度和单根悬吊锚杆的载荷；根据低K值岩层的K值分类确定悬吊该岩层时单根锚杆需要的承托面积，从而确定托盘的大小；根据单根锚杆的载荷确定锚杆的直径大小。由此，确定出锚杆的长度、直径、密度、锚固长度和托盘大小等支护参数。

钻入深度-岩石力学参数关系图中，不同性质的岩层的接触点会出现不同程度的拐点，根据K值的拐点可以判断岩石的软硬性质，比如岩石是软、中软或者硬，钻入深度-岩石力学参数关系图中对应于每个K值都有一个确定的H值，根据H也同时确定了各性质岩石的厚度。

第三方面，本发明提供一种用钻杆钻进速度确定岩石力学参数的装置，所述装置包括锚杆钻机，所述锚杆钻机上固定有用于获取钻机钻入岩石时钻杆的转速R的转速传感器、用于获取钻机钻入岩石时钻头的钻进速度V的位移传感器和用于获取钻机钻入岩石时钻杆推力F的压力传感器。

转速传感器和位移传感器可以设置在锚杆钻机的上部，压力传感器可以设置在锚杆钻机的下部，以方便获取所需的信息，转速传感器、位移传感器和压力传感器的固定位置不唯一，可根据实际需要设定。

钻杆的转速R由转速传感器测定，转速传感器设置于靠近钻杆的位置，用于测定钻杆的转速；推力F通过设置在钻机底座上的压力传感器进行测定，利用作用力和反作用力的原理，钻机底座收到的推力即为钻杆前进过程中钻杆收到的推力；钻杆的前进位移通过位移传感器测定，位移传感器对钻杆的位移进行实时测量。

由以上方案可见，本公开提供的用钻机钻进速度确定岩石力学参数的方法，以及利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法，通过测定钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F，计算得到岩石力学参数，然后通过钻入深度-岩石力学参数关系图确定出硬岩位置和厚度，然后评价该硬岩承受悬吊载荷的能力，从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础，获取锚杆的长度、外径和疏密度。因此，该方法可指导锚杆支护工作，针对巷道中不同的地方，选择不同的锚杆长度、外径，并设定不同的锚杆间距和排距，使整个锚杆支护区中各个地方的锚杆适应不同的岩石特性，使得锚杆支护的稳定性一致，提高锚杆支护的整体性和牢靠性，避免锚杆支护区中有的地方牢靠有的地方不牢靠的情况，增加安全性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种钻入深度-岩石力学参数关系图。

图3为本发明实施例提供的一种用钻机钻进速度确定岩石力学参数的装置的结构示意图。

图中所示：转速传感器01、位移传感器02、压力传感器03。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

本发明提供一种利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法。参见图1，所示为本发明提供的一种利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法的流程示意图。

由图1可知，所述方法包括：

S101：根据钻杆钻入深度H、以及计算得到的岩石力学参数K，获取钻入深度-岩石力学参数关系图。

首先，利用钻机钻进速度确定岩石力学参数，随着钻机的钻进，获取在不同深度岩层中，钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F。根据获得的转速R、钻进速度V、和钻杆推力F计算岩石力学参数

随着锚杆钻机的钻入，对应于每个钻入深度H都有一个确定的岩石力学参数K值，然后，根据钻入深度H、以及岩石力学参数K绘图，可得到钻入深度-岩石力学参数关系图，本实施例得到的钻入深度-岩石力学参数关系图如图2所示。

S102：根据钻入深度-岩石力学参数关系图确定硬岩的位置和厚度。

图2中所示，在中软层进入硬岩层时有明显的拐点，从此拐点开始进入硬岩层，锚杆钻机钻入的总深度，减去拐点位置的深度，即为硬岩的厚度。为了更直观的表述拐点位置，

图2中在钻入深度-岩石力学参数关系图的左侧增设了相应的岩层，还示例性的设置了锚杆钻机，如图2所示，随着锚杆钻机的钻入，钻杆首先经过软岩层，然后经过中软岩层，最后进入应岩层，在软岩层和中软岩层的接触点，出现较小的拐点，在中软岩层和应岩层的接触点，出现较为明显的拐点。为了准确找到进入硬岩的拐点，可在形成钻入深度-岩石力学参数关系图的设备中设置拐点的标准，当达到此标准时方可确定进入硬岩。

S103：根据硬岩的位置和厚度来评价该硬岩承受悬吊载荷的大小。

锚杆支护的目的是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定硬岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，而硬岩层需要将锚杆悬吊。

S104：从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础。

S105：进而获取锚杆的长度、外径和疏密度。

对应于上述的方法，本发明实施例提供一种用钻机钻进速度确定岩石力学参数的装置。

参见图3，所示为本发明实施例提供一种用钻机钻进速度确定岩石力学参数的装置图。由图3可知，所述装置包括锚杆钻机，在锚杆钻机上固定有用于获取钻机钻入岩石时钻杆的转速R的转速传感器01、用于获取钻机钻入岩石时钻头的钻进速度V的位移传感器02和用于获取钻机钻入岩石时钻杆推力F的压力传感器03。

钻杆的转速R由转速传感器01测定，转速传感器01设置于靠近钻杆的位置，用于测定钻杆的转速；推力F通过设置在钻机底座上的压力传感器03进行测定，利用作用力和反作用力的原理，钻机底座收到的推力即为钻杆前进过程中钻杆收到的推力；钻杆的前进位移通过位移传感器02测定，位移传感器02对钻杆的位移进行实时测量。

图3中示出的转速传感器01、位移传感器02和压力传感器03的位置仅是示例性的，并不表示具体固定位置。转速传感器01、位移传感器02可以如图3所示，设置在锚杆钻机的上部，压力传感器03可以设置在锚杆钻机的下部，以方便获取所需的信息，转速传感器01、位移传感器02和压力传感器03的固定位置及固定形式不唯一，可根据实际需要设定，但无论固定在哪儿，以何种形式固定，必须能够实时获取相应的钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻机钻入岩石时钻头的钻进速度V、以及钻机钻入岩石时钻杆推力F。

基于上述方法，本发明实施例还提供一种利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的装置，所述装置包括：

钻入深度-岩石力学参数关系图获取模块：用于获取钻入深度-岩石力学参数关系图。

硬岩的位置和厚度获取模块：用于根据钻入深度-岩石力学参数关系图确定硬岩的位置和厚度。对应于上述方法，硬岩的位置和厚度获取模块中可预设拐点的变化阈值，当某一点的变化值达到阈值时，说明钻杆开始进入硬岩层。

硬岩承受悬吊载荷能力评价模块：用于根据硬岩的位置和厚度评价该硬岩承受悬吊载荷的能力。

悬吊岩层的厚度和悬吊基础确定模块：用于确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础。

锚杆参数获取模块：用于获取锚杆的长度、外径和疏密度。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (2)

1.一种利用岩石力学参数确定锚杆安装参数的方法，其特征在于，所述方法包括：

随着钻机的钻进，获取在不同深度岩层中某一位置的以下参数：钻机钻入岩石时钻杆的转速R、钻头的钻进速度V、以及钻杆推力F；

计算岩石力学参数K=R*F/V；

获取K和钻进深度的曲线分布图；寻找K曲线的拐点，并根据曲线分布图寻找硬岩位置和厚度，评价该硬岩承受悬吊载荷的能力，从而确定需悬吊岩层的厚度和悬吊基础，获取锚杆的长度、外径和疏密度；

在K和钻进深度的曲线分布图中寻找K值由低向高转变的拐点；

确定高K值岩层的厚度，用锚固药卷安装长度范围的钻孔壁抗剪切强度评价高K值岩层承受悬吊载荷的能力，从而确认其作为锚杆支护的悬吊基础；

在K曲线分布图中确定低K值岩层的厚度，确定其为需悬吊岩层的厚度，根据锚固药卷安装长度、需悬吊岩层的厚度和锚杆托盘装置的厚度和确定锚杆的长度；

根据低K值岩层的厚度和巷道顶板的宽度确定悬吊岩层的载荷大小，从而确定悬吊锚杆的密度和单根悬吊锚杆的载荷；

根据低K值岩层的K值分类确定悬吊该岩层时单根锚杆需要的承托面积，从而确定托盘的大小；根据单根锚杆的载荷确定锚杆的直径大小；

由此，确定出锚杆的长度、直径、密度、锚固长度和托盘大小支护参数。

2.一种用钻杆钻进速度确定岩石力学参数的装置，其特征在于，采用权利要求1所述的方法，还包括锚杆钻机，所述锚杆钻机上固定有用于获取钻机钻入岩石时钻杆的转速R的转速传感器(01)、用于获取钻机钻入岩石时钻头的钻进速度V的位移传感器(02)和用于获取钻机钻入岩石时钻杆推力F的压力传感器(03)。

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