CN111794803B - 一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法 - Google Patents

一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，包括以下步骤：安装围岩应力采集仪和三维探测扫描仪，监测充填开采沿空留巷围岩应力峰值、围岩应力峰值距离、采空区体积和巷道收敛大小，分别计算围岩应力峰值变化率、围岩应力峰值距离变化率、采空区体积变化率和断面收敛率，确定有效围岩应力峰值变化率、有效围岩应力峰值距离变化率、有效采空区体积变化率和有效断面收敛率，利用权重分析法，建立充填开采沿空留巷稳定性综合评价值为R1，对充填开采沿空留巷的巷道稳定性进行定量评价。

Description

一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法
技术领域
本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及一种充填开采沿空留巷稳定性评价方法。
背景技术
我国浅部煤炭资源枯竭，三下压煤、煤柱留设等加剧了我国中东部地区煤炭资源的枯竭，而采用充填开采能够释放三下压覆的煤炭，增加煤炭可采储量，沿空留巷取消了护巷煤柱，增大了煤炭回采率，减少了煤炭浪费，延长了矿井的服务年限。
充填开采沿空留巷实施过程中，采空区的充填效果不仅影响地面建筑物的安全性，还影响沿空留巷的稳定性。当采空区充填不密实，采空区顶板下沉量大，工作面矿压显现剧烈，造成沿空留巷变形量大，支护构件失效，严重影响沿空留巷的效果和稳定性，因此，对充填开采沿空留巷稳定性进行定量评价，指导现场施工，优化充填开采工艺和沿空留巷支护参数。
现有技术存在下述问题：
一是工作面采用充填开采时，采空区的充填程度无法定量测定。二是目前还未有针对充填开采沿空留巷的稳定性评价方法。三是在实际工程中，采空区充填的效果直接影响工作面顶板断裂强度和工作面矿压显现规律，从而影响沿空留巷的变形，目前国内外充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法研究鲜见。
目前市场上出现了一种地下洞穴或采空区三维激光扫描仪，比如英国VS150坑道用采空区三维激光扫描仪,该设备可以对采空区或洞穴进行三维数字化，对地下空间进行精准测量，进而达到科学探测的目的。
发明内容
鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，为指导现场施工，优化充填开采工艺和沿空留巷支护参数提供依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，包括以下步骤：
步骤1，针对每个探测段内，在充填开采沿空留巷实体帮侧安装围岩应力采集仪，在充填开采沿空留巷的沿空帮上侧布置采空区三维激光扫描仪(也叫空腔探测仪)；
步骤2，工作面回采完，将待充填的采空区根据围岩移动规律沿巷道划分为三个区，分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和沿空留巷稳定区，并在采空区充填前、后对三个区分别数据采集，具体包括：
利用围岩应力采集仪对充填前、后三个区沿空留巷实体侧围岩进行监测，记录充填前、后围岩的应力峰值，以及围岩应力峰值距沿空留巷表面的距离；
利用空腔探测仪对采空区充填前、后三个区进行探测，记录采空区充填前、后体积大小；
人工记录采空区充填前、后三个区巷道顶板、底板、实体帮和沿空帮的位移；根据充填前后位移计算采空区充填前、后三个区的断面收敛面积；
进一步：步骤2中，围岩应力峰值以及围岩应力峰值距离的确定方法为：利用围岩应力采集仪，监测不同深度围岩应力变化，当巷道围岩应力监测点xi产生的围岩应力为σi，而在围岩应力监测点xi-1和xi+1产生的围岩应力均小于σi时，则监测点xi的围岩应力σi为围岩应力峰值，监测点xi到巷道表面的距离为围岩应力峰值距离。
步骤3，基于上述参数，计算充填开采沿空留巷围岩应力峰值变化率E、围岩应力峰值距离变化率H、采空区体积变化率G和断面收敛率F，利用权重分析法，确定充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值变化率E’、有效围岩应力峰值距离变化率H’、有效采空区体积变化率G’和有效断面收敛率F’；
进一步：
所述围岩应力峰值变化率为E＝(σ0-σ1)/σ0，σ0、σ1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值；
所述围岩应力峰值距离变化率为H＝(L0-L1)/L0，L0、L1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值距离。
所述采空区体积变化率为G＝(V0-V1)/V0，V0、V1分别为采空区充填前、后采空区体积；
所述断面收敛率为F＝(S0-S1)/S0，S0、S1分别为采空区充填前、后断面收敛面积。
进一步：步骤3中：
所述充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值变化率为E’＝B11E1+B12E2+B13E3，其中B11、B12和B13为权重系数，且B11+B12+B13＝1，E1，E2，E3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的围岩应力峰值变化率。
所述充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值距离变化率为H’＝B21H1+B22H2+B23H3，其中B21、B22和B23为相关系数，且B21+B22+B23＝1，H1，H2，H3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的围岩应力峰值距离变化率。
所述充填开采沿空留巷有效采空区体积变化率为G’＝B31G1+B32G2+B33G3，其中B31、B32和B33为相关系数，且B31+B32+B33＝1，G1，G2，G3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的采空区体积变化率。
所述充填开采沿空留巷有效断面收敛率为F’＝B41F1+B42F2+B43F3，其中B41、B42和B43为权重系数，且B41+B42+B43＝1，F1，F2，F3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的断面收敛率。
步骤4，基于步骤3得到的各种参数分析值，利用权重分析法，建立充填开采沿空留巷稳定性综合评价值R1，并将R1值与事先设定的充填开采沿空留巷稳定性评价效果统计标准值R0比较，根据比较结果即可得到充填开采沿空留巷的巷道稳定性；判定原则是：
当R1≤R0时，说明巷道是稳定的；
当R1﹥R0时，说明巷道是不稳定的。
进一步：步骤4中，所述充填开采沿空留巷稳定性综合评价值为R1＝F'M1+G'M2+E'M3+H'M4，Mi为权重系数，M1+M2+M3+M4＝1。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用采空区三维激光扫描仪对采空区进行三维探测，确定采空区充填的程度，从而调整充填的技术参数。
(2)本发明采用多因素综合加权定量评价方法，综合考虑不同因素因素对充填开采沿空留巷稳定性的影响，保证充填开采沿空留巷稳定性全面性和客观性。
附图说明
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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本发明充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法评价流程图。
图2本发明充填开采沿空留巷不同区域划分示意图。
其中：1、充填开采沿空留巷剧烈区，2、充填开采沿空留巷调整区，3、充填开采沿空留巷稳定区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本发明充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法的详细步骤为：
第一步：针对每个探测段，在巷道安装围岩应力采集仪和空腔探测仪，具体方法为：
(1)在充填开采沿空留巷实体帮侧且距底板相同位置安装5个不同深度的围岩钻孔应力采集仪，钻孔深度分别为2m、4m、6m、8m和10m，记录围岩应力变化，通过煤矿工业环网传输到地面，地面应力采集系统实时记录不同围岩应力采集仪数据。
(2)在充填开采沿空留巷的沿空帮上侧布置3～5个探测钻孔，钻孔中安设采空区三维激光扫描仪，利用采空区三维激光扫描仪探测采空区，记录采空区的体积。
第二步：工作面回采完，将待充填的采空区根据围岩移动规律沿巷道划分为三个区，分别是图2所示的充填开采沿空留巷剧烈区1、充填开采沿空留巷调整区2和充填开采沿空留巷稳定区3，并在采空区充填前、后对三个区分别数据采集，具体包括：
(1)利用围岩应力采集仪对充填前后三个区沿空留巷实体侧围岩进行监测，记录充填前、后围岩的应力峰值，以及围岩应力峰值距沿空留巷表面的距离；监测时，利用围岩应力采集仪，监测不同深度围岩应力变化，当巷道围岩应力监测点xi产生的围岩应力为σi，而在围岩应力监测点xi-1和xi+1产生的围岩应力均小于σi时，则监测点xi的围岩应力σi为围岩应力峰值，监测点xi到巷道表面的距离为围岩应力峰值距离；
(2)利用采空区三维激光扫描仪对采空区充填前后三个区进行探测，记录采空区充填前、后体积大小；
(3)人工测量采空区充填前、后三个区巷道顶板、底板、实体帮和沿空帮的位移，通过测得的前后位移计算得到充填前、后三个区的断面收敛面积。
第三步：分别确定充填开采沿空留巷剧烈区1、充填开采沿空留巷调整区2和充填开采沿空留巷稳定区3的有效围岩应力峰值变化率E’、有效围岩应力峰值距离变化率H’、有效采空区体积变化率G’和有效断面收敛率F’，具体方法如下：
(1)利用第二步得到的三个区充填前后围岩应力峰值、围岩应力峰值距离、采空区体积以及断面收敛面积，分别计算各个区的围岩应力峰值变化率E、围岩应力峰值距离变化率H、采空区体积变化率G和断面收敛率F；
所述围岩应力峰值变化率为E＝(σ0-σ1)/σ0，σ0、σ1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值；
所述围岩应力峰值距离变化率为H＝(L0-L1)/L0，L0、L1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值距离；
所述采空区体积变化率为G＝(V0-V1)/V0，V0、V1分别为采空区充填前、后采空区体积；
所述断面收敛率为F＝(S0-S1)/S0，S0、S1分别为采空区充填前、后断面收敛面积。
(2)在(1)的计算结果基础上，然后再利用权重分析法，确定三个区的有效围岩应力峰值变化率E’、有效围岩应力峰值距离变化率、有效采空区体积变化率和有效断面收敛率F’。
所述有效围岩应力峰值变化率为：充填开采沿空留巷剧烈区1、充填开采沿空留巷调整区2和充填开采沿空留巷稳定区3三个区的围岩应力峰值变化率的加权平均值，即为所述有效围岩应力峰值变化率E’。
所述有效围岩应力峰值距离变化率为：充填开采沿空留巷剧烈区、沿空留巷调整区和沿空留巷稳定区三个区的围岩应力峰值距离变化率的加权平均值，即为所述有效围岩应力峰值距离变化率H’。
所述有效采空区体积变化率为：充填开采沿空留巷剧烈区1、沿空留巷调整区2和沿空留巷稳定区3三个区的采空区体积变化率的加权平均值，即为所述有效采空区体积变化率G’。
所述有效断面收敛率为：充填开采沿空留巷剧烈区1、沿空留巷调整区2和沿空留巷稳定区3各自的断面收敛率的加权平均值，即为所述有效断面收敛率F’。
第四步：利用第三步计算结果对采动影响下掘进的巷道稳定性进行评价
基于步骤3得到的各种参数分析值，利用权重分析法，建立充填开采沿空留巷稳定性综合评价值R1，其中R1＝F'M1+G'M2+E'M3+H'M4，Mi为权重系数，M1+M2+M3+M4＝1，然后将R1值与事先设定的充填开采沿空留巷稳定性评价效果统计标准值R0比较，根据比较结果即可得到充填开采沿空留巷的巷道稳定性，稳定性判断原则为：当R1≤R0时，说明巷道是稳定的；当R1﹥R0时，说明巷道是不稳定的。
由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其实质或者必要特征的实施方案来实现，因此，就各方面而言，都只是举例说明，不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，针对每个探测段内，在充填开采沿空留巷实体帮侧安装围岩应力采集仪，在充填开采沿空留巷的沿空帮上侧布置采空区三维激光扫描仪；
步骤2，工作面回采完，将待充填的采空区根据围岩移动规律沿巷道划分为三个区，分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和沿空留巷稳定区，并在采空区充填前、后对三个区分别数据采集，具体包括：
利用围岩应力采集仪对充填前、后三个区沿空留巷实体侧围岩进行监测，记录充填前、后围岩的应力峰值，以及围岩应力峰值距沿空留巷表面的距离；
利用采空区三维激光扫描仪对采空区充填前、后三个区进行探测，记录采空区充填前、后体积大小；
人工记录采空区充填前、后三个区巷道顶板、底板、实体帮和沿空帮的位移；根据充填前后位移计算采空区充填前、后三个区的断面收敛面积；
步骤3，基于上述参数，计算充填开采沿空留巷围岩应力峰值变化率E、围岩应力峰值距离变化率H、采空区体积变化率G和断面收敛率F，利用权重分析法，确定充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值变化率E’、有效围岩应力峰值距离变化率H’、有效采空区体积变化率G’和有效断面收敛率F’；
步骤4，基于步骤3得到的各种参数分析值，利用权重分析法，建立充填开采沿空留巷稳定性综合评价值R1，并将R1值与事先设定的充填开采沿空留巷稳定性评价效果统计标准值R0比较，根据比较结果即可得到充填开采沿空留巷的巷道稳定性；判定原则是：
当R1≤R0时，说明巷道是稳定的；
当R1>R0时，说明巷道是不稳定的。
2.如权利要求1所述的充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，步骤2中，围岩应力峰值以及围岩应力峰值距离的确定方法为：利用围岩应力采集仪，监测不同深度围岩应力变化，当巷道围岩应力监测点xi产生的围岩应力为σi，而在围岩应力监测点xi-1和xi+1产生的围岩应力均小于σi时，则监测点xi的围岩应力σi为围岩应力峰值，监测点xi到巷道表面的距离为围岩应力峰值距离。
3.如权利要求1所述的充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，步骤3中：
所述围岩应力峰值变化率为E＝(σ0-σ1)/σ0，σ0、σ1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值；
所述围岩应力峰值距离变化率为H＝(L0-L1)/L0，L0、L1分别为采空区充填前、后沿空留巷围岩应力峰值距离；
所述采空区体积变化率为G＝(V0-V1)/V0，V0、V1分别为采空区充填前、后采空区体积；
所述断面收敛率为F＝(S0-S1)/S0，S0、S1分别为采空区充填前、后断面收敛面积。
4.如权利要求1所述的充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，步骤3中：
所述充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值变化率为E’＝B11E1+B12E2+B13E3，其中B11、B12和B13为权重系数，且B11+B12+B13＝1，E1，E2，E3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的围岩应力峰值变化率；
所述充填开采沿空留巷有效围岩应力峰值距离变化率为H’＝B21H1+B22H2+B23H3，其中B21、B22和B23为相关系数，且B21+B22+B23＝1，H1，H2，H3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的围岩应力峰值距离变化率；
所述充填开采沿空留巷有效采空区体积变化率为G’＝B31G1+B32G2+B33G3，其中B31、B32和B33为相关系数，且B31+B32+B33＝1，G1，G2，G3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的采空区体积变化率；
所述充填开采沿空留巷有效断面收敛率为F’＝B41F1+B42F2+B43F3，其中B41、B42和B43为权重系数，且B41+B42+B43＝1，F1，F2，F3分别为充填开采沿空留巷剧烈区、调整区和稳定区的断面收敛率。
5.如权利要求1所述的充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，步骤4中，所述充填开采沿空留巷稳定性综合评价值为R1＝F'M1+G'M2+E'M3+H'M4，Mi为权重系数，M1+M2+M3+M4＝1。
6.如权利要求1所述的充填开采沿空留巷充填效果监测与稳定性评价方法，其特征在于，步骤1中，在充填开采沿空留巷实体帮侧且距底板相同位置安装5个不同深度的围岩钻孔应力采集仪，钻孔深度分别为2m、4m、6m、8m和10m，记录围岩应力变化，通过煤矿工业环网传输到地面，地面应力采集系统实时记录不同围岩钻孔应力采集仪数据；在充填开采沿空留巷的沿空帮上侧布置3～5个探测钻孔，钻孔中安设采空区三维激光扫描仪，利用采空区三维激光扫描仪探测采空区，记录采空区的体积。
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