CN110162882A - 一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法 - Google Patents

一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法，包括以下步骤：（1）对断层破坏区域进行地应力反演，以确定巷道穿越区域地应力分布规律；（2）取巷道围岩断层带泥岩，进行重塑性试验，采用地质强度指标（GSI）方法确定围岩的物理力学性质；（3）采用离散元仿真方法，优选出断层带围岩控制方案，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法；（4）巷道围岩矿压观测。本发明针对断层破碎带岩层岩性变化快、岩层破碎的特点通过地质力学和数值模拟方法，掌握巷道附近应力分布规律和巷道围岩类别，实现巷道围岩的精准控制。

Description

一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法
技术领域
本发明属于煤矿巷道围岩控制技术领域，尤其涉及一种煤矿巷道穿越断层区的围岩精准控制方法。
背景技术
随着煤炭开采强度的加大，我国东部各矿井已经陆续进入复杂难采区域，这些区域断层发育，或需要延深原有的开拓系统，进入新的开采水平，穿越断层破碎带为常见的现象。如九里山煤矿三水平穿越马坊泉断层带、兖州新驿煤矿穿越长沟支五大断层、永煤公司城郊煤矿二水平西翼大巷、方庄一矿-400m大巷等。断层带岩层岩性多变，一般比较破碎，多为泥质胶结，遇水膨胀，巷道变形量大，失修严重。
针对穿越断层破碎带的巷道围岩软弱，泥化严重，不能够钻取岩芯进行标准的岩石力学试验，造成工程地质条件模糊；另外，断层破碎带围岩支护设计多采用工程类比方法，支护形式一般为锚杆+锚索+网+注浆等主动支护方法或封闭支架等联合支护方法，对地层变化不敏感，造成支护强度过高或偏低，不能很好地适应断层带围岩的变化。
发明内容
本发明为了解决现有断层带巷道支护设计及方法的不足之处，提供了一种系统、简单可行的煤矿巷道穿越断层区的围岩精准控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种煤矿巷道过断层围岩精准控制方法，包括以下步骤：
（1）采用数值模拟软件，对断层破坏区域进行地应力反演，以确定巷道穿越区域地应力分布规律；
（2）取巷道围岩断层带泥岩，进行重塑性试验，确定断层带巷道围岩的物理力学性质和遇水膨胀力学性质；
（3）采用离散元仿真方法，优选出断层带围岩控制方案，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法。
优选的，所述步骤（1）具体为：
①三维模型：根据矿井地质纲要和煤层综合钻孔柱状图，同时对断层附近的地层进行一定的概化处理，除去一些小的对整体影响不大的地质构造或者把几个小的地质构造整合成一个地质构造，使模型与现场因地质构造产生的影响基本相符，采用三维建模软件建立包含断层、褶曲等地质构造三维地层模型，然后导入有限差分FLAC3D软件得到相应的节点、网格和断层等结构面，便于以后有限差分FLAC3D的计算和分析；
②边界条件：通过理论研究、地质调查和大量的地应力资料可知，实测铅直应力基本等于上覆岩层的重量，在深度为25~2700m范围内，铅直应力呈线性增长，大致相当于按平均体积力γ等于27kN/m3计算出来的重力γH。水平应力普遍大于铅直应力，最大水平应力与铅直应力的比值，一般为0.5~5.5。根据煤矿地质科提供的相关数据和上述理论来确定铅直应力和构造应力边界；
③岩层物理力学性质：根据已有的钻孔综合柱状资料和已有的结构面资料确定各岩层及结构面物理力学性质；
④本构模型：选取Hoek-Brown本构模型；
⑤地应力反演：根据前述准备的基础资料和数值计算模型，即可进行地应力反演分析，绘出应力分布的等值线和云图。
优选的，所述步骤（2）具体为：
a、取样：根据巷道掘出后揭露的围岩，采取断层带泥质胶结样品并密封；
b、根据揭露的巷道围岩裂隙发育情况，确定围岩的完整性系数，采用地质因子方法（GSI）确定工程岩体类别；
c、岩层矿物成份和结构测试：采用X射线衍射仪分析断层带矿物成份，分析断层破碎带岩体变形破坏的机理；
d、制作重塑样：把裂隙发育的岩样在球磨机上加工成200目的岩粉，然后加入5%的水，在200kN的载荷作用下稳压30min，制作成标准的重塑样；
e、重塑样常规力学试验：在RMT150C试验机上测量重塑样的力学性质，根据Aydan提出的经验公式推导出重塑样单轴抗压强度与原岩层泊松比、弹性模量和内摩擦角之间的关系，而后推导出粘结力；
f、重塑样膨胀力学试验：在侧限膨胀试验装置上，测量重塑岩样在浸水条件下的侧限膨胀力和自由膨胀量；
g、根据前述试验方法和结果，通过重塑样单轴抗压强度，推算出岩体的弹性模量、泊松比、粘结力和内摩擦角，确定后续数值模拟中用到的岩体参数（密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角等岩体参数）。
优选的，所述步骤（3）具体为：
1）根据所揭露的断层破碎带情况和确定的围岩类别，采用工程类比方法确定巷道围岩的支护方式；
2）采用离散元软件3DEC对不同类别围岩、不同支护方式的巷道进行仿真模拟，采用的支护方式包括：锚杆+网+锚索+喷层支护、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢支架、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢封闭支架进行模拟；
3）岩体参数：来自g步骤中所确定的密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角等岩体参数，将其用在3DEC和FLAC3D数值模拟中；
4）根据模拟结果，对巷道围岩位移、塑性区分布等指标进行分析，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法。
本发明产生的有益效果是：本发明针对断层破碎带岩层岩性变化快、岩层破碎的特点，不同级别的围岩需要差异化和精准的控制技术，避免一刀切，以便节省支护费用。本发明通过地质力学和数值模拟方法，在获取断层附近岩体物理力学参数的基础上，掌握断层带的应力分布特征，搞清巷道穿越断层带时的围岩破坏特征，优化围岩控制技术，做到有的放矢，实现巷道围岩的精准控制。
附图说明
图1为井田构造纲要图；
图2为巷道穿越断层图；
图3为巷道穿越断层的剖面图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法包括：（1）断层破坏区域地应力的反演；（2）围岩断层带泥岩的重塑及断层带巷道围岩的物理力学性质和遇水膨胀力学性质确定；（3）离散元法仿真模拟，优选断层带围岩控制方案，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法；（4）根据所提出的围岩控制方法，对巷道围岩矿压进行观测来反馈和改进支护方案。
所述步骤（1）包括如下内容：
① 三维模型：根据矿井地质纲要和煤层综合钻孔柱状图，同时对断层附近的地层进行一定的概化处理，除去一些小的对整体影响不大的地质构造或者把几个小的地质构造整合成一个地质构造，使模型与现场因地质构造产生的影响基本相符，采用三维建模软件建立包含断层、褶曲等地质构造三维地层模型，然后导入有限差分FLAC3D软件得到相应的节点、网格和断层等结构面，便于以后有限差分FLAC3D的计算和分析；
② 边界条件：通过理论研究、地质调查和大量的地应力资料可知，实测铅直应力基本等于上覆岩层的重量，在深度为25~2700m范围内，铅直应力呈线性增长，大致相当于按平均体积力γ等于27kN/m3计算出来的重力γH。水平应力普遍大于铅直应力，最大水平应力与铅直应力的比值，一般为0.5~5.5。根据煤矿地质科提供的相关数据和上述理论来确定铅直应力和构造应力边界；
③ 岩层物理力学性质：根据已有的钻孔综合柱状资料和已有的结构面资料确定各岩层及结构面物理力学性质；
④ 本构模型：选取Hoek-Brown本构模型；
⑤ 地应力反演：根据前述准备的基础资料和数值计算模型，即可进行地应力反演分析，绘出应力分布的等值线和云图。
所述步骤（2）包括如下内容：
a、取样：根据巷道掘出后揭露的围岩，采取断层带泥质胶结样品并密封；
b、根据揭露的巷道围岩裂隙发育情况，确定围岩的完整性系数，采用地质因子方法（GSI）确定工程岩体类别；
c、岩层矿物成份和结构测试：采用X射线衍射仪分析断层带矿物成份，分析断层破碎带岩体变形破坏的机理，通过分析断层岩体破坏机理来矫正围岩的物理力学参数，使得巷道围岩控制仿真更加贴近现场，得出的数据更加精确，从而做到精准控制围岩；
d、制作重塑样：把裂隙发育的岩样在球磨机上加工成200目的岩粉，然后加入5%的水，在200kN的载荷作用下稳压30mins，制作成标准的重塑样；
e、重塑样常规力学试验：在RMT150C试验机上测量重塑样的单轴抗压强度，然后根据Aydan提出的经验公式，推导出重塑样单轴抗压强度σc与原岩层泊松比ν（公式1）、弹性模量E（公式2）和内摩擦角φ（公式3）之间的关系，而后由单轴强度σc与粘结力C和内摩擦角φ之间的关系（公式4），推导出粘结力；
日本Tokai大学的Adyan教授在调研大量隧道工程破碎岩体的基础上，以单轴抗压强度为自变量，对泊松比、弹性模量和内摩擦角等进行回归分析，得到公式（1-3）.（TheSqueezing Potential of Rocks Around Tunnels: Theory and Prediction,Rock Mech.Rock Engng. 1993(2),137-163）；
f、重塑样膨胀力学试验：测量重塑岩样在浸水条件下的侧限膨胀力和自由膨胀量，从而得到巷道围岩的膨胀变形和变形量的大致范围；
g、根据前述试验方法和结果，通过重塑样单轴抗压强度，推算出岩体的弹性模量、泊松比、粘结力和内摩擦角，确定后续数值模拟中用到的岩体参数（密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角等岩体参数）。
所述步骤（3）包括如下内容：
1）根据所揭露的断层破碎带情况和确定的围岩类别，采用工程类比方法确定巷道围岩的支护方式；
2）采用离散元软件3DEC对不同类别围岩、不同支护方式的巷道进行仿真模拟，采用的支护方式包括：锚杆+网+锚索+喷层支护、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢支架、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢封闭支架进行模拟；
3）岩体参数：来自g步骤中所确定的密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角等岩体参数，将其用在3DEC和FLAC3D数值模拟中；
4）根据模拟结果，对巷道围岩应力、位移及塑性区分布等指标进行分析，通过对塑性区的分析，可以清楚地知道巷道围岩的破裂区、塑性区、弹性区及原岩应力区的范围，从而确定锚杆锚索的长度；通过对位移及应力云图来确定锚杆锚索的支护密度及预紧力，从而达到确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法。
所述步骤（4）包括如下内容：
A、在巷道施工现场按照所确定的巷道支护方案进行工业性试验；
B、在穿越断层破碎带巷道表面设置测站，采用十字交叉法测量巷道表面变形，采用多点位移计测量围岩深部位移进行观测；采用液压枕测量支护受力；采用钻孔窥视仪对巷道塑性区范围进行观测；
C、根据现场矿压观测结果，对所选择的巷道支护方案进行反馈，如果多点位移计、液压枕显示的数据和巷道位移量比较大，则表明支护强度不够，则可增大支护参数；如果多点位移计、液压枕显示的数据和巷道位移量比较小，则可以适当的减小支护参数，降低支护成本，从而达到精准巷道穿越断层破碎带的围岩控制方法。

Claims (5)

1.一种煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）采用数值模拟软件，对断层破坏区域进行地应力反演，以确定巷道穿越区域地应力分布规律；
（2）取巷道围岩断层带泥岩，进行重塑性试验，确定断层带巷道围岩的物理力学性质和遇水膨胀力学性质；
（3）采用离散元仿真方法，优选出断层带围岩控制方案，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法。
2.如权利要求1所述煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法，其特征在于所述步骤（1）具体为：①三维模型：根据矿井地质纲要和煤层综合钻孔柱状图，采用三维建模软件建立地质构造三维地层模型，然后导入有限差分FLAC3D软件得到相应的节点、网格和断层；
②边界条件：根据地质构造和埋深确定铅直应力和构造应力边界；
③岩层物理力学性质：根据已有的钻孔综合柱状资料和已有的结构面资料确定各岩层及结构面物理力学性质；
④本构模型：选取Hoek-Brown本构模型；
⑤地应力反演：根据前述准备的基础资料和数值计算模型，即可进行地应力反演分析，绘出应力分布的等值线和云图。
3.如权利要求1所述煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法，其特征在于所述步骤（2）具体为：
a、取样：根据巷道掘出后揭露的围岩，采取断层带泥质胶结样品并密封；
b、根据揭露的巷道围岩裂隙发育情况，确定围岩的完整性系数，采用地质因子方法（GSI）确定工程岩体类别；
c、岩层矿物成份和结构测试：采用X射线衍射仪分析断层带矿物成份，分析断层破碎带岩体变形破坏的机理；
d、制作重塑样：把裂隙发育的岩样在球磨机上加工成200目的岩粉，然后加入5%的水，在200kN的载荷作用下稳压30min，制作成标准的重塑样；
e、重塑样常规力学试验：在RMT150C试验机上测量重塑样的力学性质，根据Aydan提出的经验公式推导出重塑样单轴抗压强度与原岩层泊松比、弹性模量和内摩擦角之间的关系，而后推导出粘结力；
f、重塑样膨胀力学试验：在侧限膨胀试验装置上，测量重塑岩样在浸水条件下的侧限膨胀力和自由膨胀量；
g、根据前述试验方法和结果，通过重塑样单轴抗压强度，推算出岩体的弹性模量、泊松比、粘结力和内摩擦角，确定后续数值模拟中用到的岩体参数。
4.如权利要求1所述煤矿巷道穿越断层区围岩精准控制方法，其特征在于所述步骤（3）具体为：
1）根据所揭露的断层破碎带情况和确定的围岩类别，采用工程类比方法确定巷道围岩的支护方式；
2）采用离散元软件3DEC对不同类别围岩、不同支护方式的巷道进行仿真模拟；
3）岩体参数：来自g步骤中所确定的密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角等岩体参数，将其用在3DEC和FLAC3D数值模拟中；
4）根据模拟结果，对巷道围岩位移、塑性区分布等指标进行分析，确定巷道穿越断层破碎带的精准围岩控制方法。
5.如权利要求1所述煤矿巷道过断层围岩精准控制方法，其特征在于所述步骤2）中的支护方式包括：锚杆+网+锚索+喷层支护、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢支架、锚杆+网+锚索支护+注浆+喷层+U型钢封闭支架。
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