CN111911209A - 一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法。在高地应力条件下，巷道围岩呈现具有显著方向性的张拉、剪切破断和持续变形等特性，通过理论和试验研究可以获得并掌握巷道围岩拉伸‑剪切裂隙的空间展布特征，通过采用具有一定目标性、方向性的锚网索支护和注浆加固技术，能够高效地实现巷道支护“对定向破裂的定位控制”，从而实现精准靶向控制。
Description
技术领域
本发明涉及矿山技术领域，具体涉及一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法。
背景技术
深部岩体高地应力、高地温、高渗透压现象对深部巷道围岩的长期稳定性带来巨大威胁，造成高地应力软岩大变形、岩爆、冲击地压、突水等剧烈的矿井灾害事故，严重威胁着深部矿井的安全生产；在深部成巷条件下，许多已采用锚-网-索联合支护的大断面煤(岩)层巷道在深部诸多灾变因素的协同影响下依然出现了大变形、破坏甚至严重失稳现象，为巷道的正常使用造成了极大困难和安全隐患。深究这些问题的成因，均是由于对深部岩体变形、破裂机制、锚杆-围岩耦合作用机理尚不清楚，盲目采用经验化、均一化的锚固支护方案所造成的；当前，锚杆支护作为应用最为广泛的支护方法，大多基于普氏理论、悬吊理论和松动圈理论相结合的工程类比法开展支护设计，但是这些现有技术中的支护方法忽略了对于岩体破裂方向、形态以及破裂性质的考虑，仅考虑了宏观碎裂范围。这种支护技术在很多情况下难以满足现场支护要求，易出现大变形、破裂失稳等失效灾变现象。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于，包括以下工艺流程：
(1)首先，获取目标巷道周围地质条件与开采情况的相关资料；
(2)对巷道所处应力环境采用孔壁应力解除法进行地应力测试，获得巷道周围的原始地应力和采动应力分布情况，并获得三个主应力方向θ1、θ2、θ3及三个主应力值σ1、σ2、σ3，其中：θ1为最大主应力方向，σ1为最大主应力值；
(3)采用原位测量或实验室测量方式，对巷道围岩的岩石力学参数进行测定；
(4)基于上述巷道围岩的岩石力学参数、巷道周围地质条件和开采情况、原始地应力及采动应力分布状态建立FDEM数值模型，通过工作站进行计算，获得巷道周围张拉及剪切裂隙分布图，分析并预测软岩巷道周围可能存在的张拉裂隙和剪切裂隙的发育性质、长度与方向等重要特征参数；
(5)通过钻孔窥视的方法验证破断裂隙位置及分布是否与预测一致：探测并绘制巷道围岩内实际破断裂隙分布图，并与数值模拟或预测结果进行反复对照，揭示其真实机理并作出判断；
(6)进行取芯裂隙性质验证；
(7)鉴定完毕后，即获得软岩巷道围岩内拉剪裂隙分布特征及性质状态，并绘图；
(8)设计或改进支护方案；
(9)通过对浅部巷道围岩采用锚注支护精准控制后，浅部巷道围岩形成稳定的精准锚固圈层；采用锚索或锚索束将精准控制后的浅部圈层悬吊于深部稳定岩层，以减小围岩整体位移；
(10)基于对软岩巷道围岩拉剪破裂发育位置的确定，分别对其进行靶向注浆加固补强，对浅部破裂区进行靶向注浆加固补强时，应控制合适的注浆压力；
(11)通过上述工艺流程的实施，整体实现了对软岩巷道围岩的精准靶向控制；
(12)加强巷道围岩变形、围岩应力以及支护体受力状态的实时监测并进行及时补强。
进一步的，所述巷道周围地质条件和开采情况资料包括巷道周围的主要岩性、地质构造和工作面开采情况，所述地质构造包括断层、褶皱、陷落柱，所述开采情况包括已经开采和正在开采情况。
进一步的，所述力学参数包括弹性模量Ed、抗拉强度σt、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力C、内摩擦角Φ。
进一步的，所述钻孔窥视的方法为采用ZXZ20A矿用钻孔窥视仪进行裂隙分布探测验证，在矩形或拱形巷道顶部、两帮及重点关注位置各打孔2～3个，所述重点关注位置为数值模拟拉剪裂隙发育严重区域，探测孔孔径大于探测头直径，所述探测孔孔径不小于30mm，钻孔深度结合巷道直径确定为10～15m，每间隔5m布置一个测站。
进一步的，钻孔窥视的方法为采用断面均布钻孔窥视验证法，在巷道两帮和顶板布置均布钻孔，断面内钻孔角度在0～180°范围内每间隔30°布置一个钻孔，钻孔深度10～15m，共监测2个测站，测站间距5m。
进一步的，所述取芯裂隙性质验证采用XY-2型钻机进行，在矩形或拱形巷道顶板、两帮重点关注位置或者均布全断面进行取芯，所述重点关注位置需结合前期裂隙分布验证结果确定，钻孔深度10～15m，取芯直径为89mm，对岩芯破断面性质进行鉴定，破裂面无接触且无擦痕为张拉破断，破裂面紧密接触并伴有擦痕则为剪切破断，由此鉴定每条破断裂隙的力学机理。
进一步的，所述支护方案采用适用于张拉变形的特种锚杆垂直于潜在张拉破裂布设，采用强力抗剪锚杆垂直于潜在剪切破裂布设，根据软岩巷道围岩张拉-剪切裂隙的空间分布特征，进行锚杆的靶向精准空间布设或增设，采用φ20～25mm的高预应力、高强度螺纹钢树脂锚杆进行补强，所述高预应力为大于锚杆屈服力30％，所述高强度为杆体屈服强度大于500MPa，结合裂隙发育范围，确定锚杆长度为1.6～3m,结合张拉和剪切裂隙发育特征，在一定范围内提高预紧力以保证支护质量,所述一定范围为锚杆屈服力30％～60％，在关键张拉破裂和剪切滑移部位进行适时的定向增密补强，加密锚杆间排距范围为0.6～1m。
进一步的，针对巷道两帮和顶部主要破裂位置，采用7～9m锚索进行悬吊加固，间排距为1m，为控制巷道底板在底角采用9m的三芯锚索束进行反悬吊。
进一步的，采用YHW300型本安型位移计进行位移监测，采用KBU101-200型顶底板移近量动态报警仪进行变形预警，采用MCS-400本安型锚杆锚索测力计进行锚杆、锚索受力诊断，一旦出现局部大变形、松弛、支护体破断等问题，及时进行精准支护补强，以维持巷道的长期稳定。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：(1)充分考虑了岩体的在特定地质、岩性和应力条件下的定向破裂过程，将锚注支护理论由定性向精细化的定量研究推进了一步；(2)该方法简单易行，对于相同地应力环境及构造特征条件下的软岩巷道，可以采用类似的精准靶向围岩控制方法；(3)重点解决了目前采用锚杆支护经验化、均一化的问题，提出了精准支护和精准补强的支护理念，通过本理念的实施能够显著提升巷道支护质量，保证巷道的长期稳定。
附图说明
图1为本发明中适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明中的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法如下：
(1)首先，结合地质和开采相关资料，掌握目标巷道周围的岩层赋存、地质构造和开采情况，地质构造包括断层、褶皱、陷落柱等，掌握其产状及性质，开采情况包括已经开采和正在开采情况；
(2)对巷道所处应力环境采用孔壁应力解除法进行地应力测试，获得巷道周围的原始地应力和采动应力分布状况，并获得三个主应力方向θ1、θ2、θ3及其应力值σ1、σ2、σ3，其中：θ1为最大主应力方向，σ1为最大主应力值；
(3)采用原位测量或者实验室测量的方式，对巷道围岩的岩石力学参数(弹性模量Ed、抗拉强度σt、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力C、内摩擦角Φ等)进行测定；
(4)基于上述岩石力学参数、构造特征和地应力环境建立FDEM数值模型，通过工作站运行计算，获得巷道周围张拉及剪切裂隙分布图，分析并预测软岩巷道周围可能存在的张拉裂隙和剪切裂隙的发育性质、长度与方向等重要特征参数；常规条件下，巷道围岩张拉裂隙沿最大主应力方向(如图1中巷道拱肩、拱脚处所示)，剪切滑移裂隙与最大主平面夹角为45°+φ/2，并随着最大主应力方向改变而逐渐偏转，呈现对数螺线形式(如图1中巷道拱肩、拱脚处所示)；
(5)采用ZXZ20A矿用钻孔窥视仪进行裂隙分布探测验证。在矩形(拱形)巷道顶部、两帮及重点关注位置(数值模拟拉剪裂隙发育严重位置)各打孔2～3个，探测孔孔径要大于探测头直径，一般不应小于30mm，钻孔深度结合巷道直径确定，一般在10～15m，每间隔5m布置一个测站。通过钻孔窥视的方法验证破断裂隙位置及分布是否与预测一致。与此同时，亦可采用断面均布钻孔窥视验证法，在巷道两帮和顶板布置均布钻孔，断面内钻孔角度在0～180°范围内每间隔30°布置一个钻孔，钻孔深度10～15m，共监测2个测站，测站间距5m。探测并绘制巷道围岩内实际破断裂隙分布，并与数值模拟或预测结果进行反复对照，揭示其真实机理并作出判断；
(6)采用XY-2型钻机进行取芯裂隙性质验证。在矩形(拱形)巷道顶板、两帮重点关注位置(结合前期裂隙分布验证结果)(或者均布全断面)进行取芯，钻孔深度10～15m，取芯直径为89mm，对岩芯破断面性质进行鉴定，破裂面无接触且无擦痕为张拉破断，破裂面紧密接触并伴有擦痕为剪切破断，由此鉴定每条破断裂隙的力学机理。
(7)鉴定完毕后，即获得软岩巷道围岩内拉剪裂隙分布特征及性质状态，并绘图；
(8)设计或改进支护方案。一般情况下，采用适用于张拉变形的特种锚杆垂直于潜在张拉破裂布设有利于抑制破裂发生和持续变形(图1中①所示)，采用强力抗剪锚杆垂直于潜在剪切破裂布设有利于抑制剪切破裂发生(图1中②所示)，所以，根据软岩巷道围岩张拉-剪切裂隙的空间分布特征，可以进行锚杆的靶向精准空间布设或增设。采用φ20～25mm的高预应力(大于锚杆屈服力30％)、高强度(杆体屈服强度大于500MPa)螺纹钢树脂锚杆记性补强，结合裂隙发育范围，确定锚杆长度，一般采用1.6～3m。结合张拉和剪切裂隙发育特征，在一定范围内(锚杆屈服力30％～60％)提高预紧力以保证支护质量。在关键张拉破裂和剪切滑移部位进行适时的定向增密补强，建议加密锚杆间排距范围为0.6～1m(图1中所示长2200mm、间距700mm)；
(9)将浅部巷道围岩采用锚注支护精准控制后，浅部巷道围岩形成稳定的精准锚固圈层。采用锚索或锚索束将精准控制后的浅部圈层悬吊于深部稳定岩层，以减小围岩整体位移。巷道两帮和顶部主要破裂位置，采用7～9m锚索进行悬吊加固(图1中所示锚索③)，间排距1m，为控制巷道底板在底角可以采用9m的三芯锚索束进行反悬吊加固(图1中所示锚索④)；
(10)根据对软岩巷道围岩拉剪破裂发育位置的确定，分别进行靶向注浆加固补强。对于浅部破裂，注意注浆压力控制；
(11)最后，通过上述工艺流程的实施，整体实现了对软岩巷道围岩的精准靶向控制；
(12)加强巷道围岩变形、围岩应力以及支护体受力状态的实时监测。采用YHW300型本安型位移计进行位移监测，采用KBU101-200型顶底板移近量动态报警仪进行变形预警，采用MCS-400本安型锚杆锚索测力计进行锚索受力诊断，一旦出现局部大变形、松弛、支护体破断等问题，及时进行精准支护补强，以维持巷道的长期稳定。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各块技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于，包括以下工艺流程：
(1)首先，获取目标巷道周围地质条件与开采情况的相关资料；
(2)对巷道所处应力环境采用孔壁应力解除法进行地应力测试，获得巷道周围的原始地应力和采动应力分布情况，并获得三个主应力方向θ1、θ2、θ3及三个主应力值σ1、σ2、σ3，其中：θ1为最大主应力方向，σ1为最大主应力值；
(3)采用原位测量或实验室测量方式，对巷道围岩的岩石力学参数进行测定；
(4)基于上述巷道围岩的岩石力学参数、巷道周围地质条件和开采情况、原始地应力及采动应力分布状态建立FDEM数值模型，通过工作站进行计算，获得巷道周围张拉及剪切裂隙分布图，分析并预测软岩巷道周围可能存在的张拉裂隙和剪切裂隙的发育性质、长度与方向等重要特征参数；
(5)通过钻孔窥视的方法验证破断裂隙位置及分布是否与预测一致：探测并绘制巷道围岩内实际破断裂隙分布图，并与数值模拟或预测结果进行反复对照，揭示其真实机理并作出判断；
(6)进行取芯裂隙性质验证；
(7)鉴定完毕后，即获得软岩巷道围岩内拉剪裂隙分布特征及性质状态，并绘图；
(8)设计或改进支护方案；
(9)通过对浅部巷道围岩采用锚注支护精准控制后，浅部巷道围岩形成稳定的精准锚固圈层；采用锚索或锚索束将精准控制后的浅部圈层悬吊于深部稳定岩层，以减小围岩整体位移；
(10)基于对软岩巷道围岩拉剪破裂发育位置的确定，分别对其进行靶向注浆加固补强，对浅部破裂区进行靶向注浆加固补强时，应控制合适的注浆压力；
(11)通过上述工艺流程的实施，整体实现了对软岩巷道围岩的精准靶向控制；
(12)加强巷道围岩变形、围岩应力以及支护体受力状态的实时监测并进行及时补强。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：所述巷道周围地质条件和开采情况资料包括巷道周围的主要岩性、地质构造和工作面开采情况，所述地质构造包括断层、褶皱、陷落柱，所述开采情况包括已经开采和正在开采情况。
3.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：所述力学参数包括弹性模量Ed、抗拉强度σt、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力C、内摩擦角Φ。
4.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：所述钻孔窥视的方法为采用ZXZ20A矿用钻孔窥视仪进行裂隙分布探测验证，在矩形或拱形巷道顶部、两帮及重点关注位置各打孔2～3个，所述重点关注位置为数值模拟拉剪裂隙发育严重区域，探测孔孔径大于探测头直径，所述探测孔孔径不小于30mm，钻孔深度结合巷道直径确定为10～15m，每间隔5m布置一个测站。
5.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：钻孔窥视的方法为采用断面均布钻孔窥视验证法，在巷道两帮和顶板布置均布钻孔，断面内钻孔角度在0～180°范围内每间隔30°布置一个钻孔，钻孔深度10～15m，共监测2个测站，测站间距5m。
6.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：所述取芯裂隙性质验证采用XY-2型钻机进行，在矩形或拱形巷道顶板、两帮重点关注位置或者均布全断面进行取芯，所述重点关注位置需结合前期裂隙分布验证结果确定，钻孔深度10～15m，取芯直径为89mm，对岩芯破断面性质进行鉴定，破裂面无接触且无擦痕为张拉破断，破裂面紧密接触并伴有擦痕则为剪切破断，由此鉴定每条破断裂隙的力学机理。
7.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：所述支护方案采用适用于张拉变形的特种锚杆垂直于潜在张拉破裂布设，采用强力抗剪锚杆垂直于潜在剪切破裂布设，根据软岩巷道围岩张拉-剪切裂隙的空间分布特征，进行锚杆的靶向精准空间布设或增设，采用φ20～25mm的高预应力、高强度螺纹钢树脂锚杆进行补强，所述高预应力为大于锚杆屈服力30％，所述高强度为杆体屈服强度大于500MPa，结合裂隙发育范围，确定锚杆长度为1.6～3m,结合张拉和剪切裂隙发育特征，在一定范围内提高预紧力以保证支护质量,所述一定范围为锚杆屈服力30％～60％，在关键张拉破裂和剪切滑移部位进行适时的定向增密补强，加密锚杆间排距范围为0.6～1m。
8.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：针对巷道两帮和顶部主要破裂位置，采用7～9m锚索进行悬吊加固，间排距为1m，为控制巷道底板在底角采用9m的三芯锚索束进行反悬吊。
9.根据权利要求1所述的一种适用于深部软岩巷道的精准靶向锚注控制方法，其特征在于：采用YHW300型本安型位移计进行位移监测，采用KBU101-200型顶底板移近量动态报警仪进行变形预警，采用MCS-400本安型锚杆锚索测力计进行锚杆、锚索受力诊断，一旦出现局部大变形、松弛、支护体破断等问题，及时进行精准支护补强，以维持巷道的长期稳定。
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