CN114320318B - 一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法 - Google Patents
一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及巷道支护技术领域，具体涉及一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，包括：选取矿井巷道外周一定厚度的围岩作为注浆加固区；对注浆加固区外周的围岩进行弱化损伤处理作为碎裂弱化区；对碎裂弱化区进行封闭，并对注浆加固区进行注浆改性。利用改性后的煤岩体吸收伴随冲击地压发生而传递至巷道支护体上极具破坏性的冲击能量，为煤矿安全生产构筑最后一道屏障，防止事故灾害，保证煤矿生产安全。
Description
技术领域
本发明属于冲击地压矿井的巷道支护技术领域，具体涉及一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法。
背景技术
冲击地压是矿山岩石力学与采矿工程领域的研究热点，近年来，70%以上的煤矿冲击地压发生在巷道中。冲击荷载作用导致巷道支护失效带来的破坏不仅会直接造成人员伤亡和财产损失，还会诱发次生灾害从而导致更为严重的事故。
目前，冲击地压已经成为当前我国煤矿开采中的主要灾害之一，形势非常严峻。但是，受研究对象的复杂性，研究手段的有限性，灾害显现的突发性等因素影响，现阶段还不可能做到准确预测冲击发生的时间、地点和强度，实施的解危措施也难以完全消除冲击地压的发生。目前的理论研究和技术水平还远远没有达到能够有效遏制冲击地压灾害发生，确保煤矿安全生产的要求，煤矿冲击地压的防治任重而道远。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，包括：
选取矿井巷道外周一定厚度的围岩作为注浆加固区；
对注浆加固区外周的围岩进行弱化损伤处理作为碎裂弱化区；
对碎裂弱化区进行封闭，并对注浆加固区进行注浆改性。
优选地，对矿井巷道外周的围岩进行钻孔，通过小药量爆破或水压致裂的方法进行弱化损伤处理。
优选地，通过小药量爆破进行弱化损伤处理的方法包括：
确定爆破深度：根据巷道围岩应力分布特征，确定巷帮应力峰值区域，爆破深度要大于或等于支承应力峰值距煤壁的长度；
确定爆破药量：采取小药量多次爆破的方式，测试不同装药量爆破的巷道破碎程度，以获取爆破所需的药量；
确定钻孔间距：爆破理论计算钻孔间距，使爆破后形成的粉碎区及破裂区相互贯通。
优选地，对钻孔在注浆加固区与碎裂弱化区的交界处进行封堵，实现对碎裂弱化区的封闭。
优选地，在进行不同装药量爆破测试时，采用钻孔窥视仪对爆破卸压影响区域进行围岩结构进行探测，计算巷道围岩锚固范围内的裂隙扩展率，并以此作为评定巷道围岩的破碎程度的数据。
优选地，所述方法还包括：
确定碎裂弱化区煤岩体的破碎程度：基于碎裂弱化区宽度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体的各项参数模拟对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出的碎裂弱化区的损伤度；
确定碎裂弱化区煤岩体的厚度：基于碎裂弱化区的损伤度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体厚度。模拟对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出碎裂弱化区岩体的厚度。
优选地，所述方法还包括：
确定注浆加固区强度：基于注浆加固区的宽度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体的各项参数，模拟对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区岩体的强度参数；
确定注浆加固区厚度：基于注浆加固区的加固强度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体厚度，模拟对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区的岩体厚度。
优选地，在巷道内布置多个监测装置，用于监测巷道外围岩数据。
优选地，所述监测装置包括：
钻孔应力计，用于对注浆加固区、碎裂弱化区和未改造区进行应力监测；
位移监测传感器，对巷道内壁的位移进行监测；
微震监测系统，用于监测巷道所受到的冲击载荷。
优选地，根据巷道围岩的岩石力学参数性质进行参数优化，基于模拟结果对爆破影响范围内损伤巷道进行针对性补强加固。
有益效果：利用改性后的煤岩体吸收伴随冲击地压发生而传递至巷道支护体上极具破坏性的冲击能量，为煤矿安全生产构筑最后一道屏障，防止事故灾害，保证煤矿生产安全。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的碎裂弱化区封闭示意图。
图中：1、巷道；2、注浆加固区；3、碎裂弱化区；4、煤层；5、顶板；6、底板；7、爆破区；8、封堵区；9、注浆区。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-2所示，一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，包括：选取矿井巷道外周一定厚度的围岩作为注浆加固区；对注浆加固区外周的围岩进行弱化损伤处理作为碎裂弱化区；对碎裂弱化区进行封闭，并对注浆加固区进行注浆改性；利用改性后的煤岩体吸收伴随冲击地压发生而传递至巷道支护体上极具破坏性的冲击能量，为煤矿安全生产构筑最后一道屏障，防止事故灾害，保证煤矿生产安全。
在另一可选实施例中，对矿井巷道外周的围岩进行钻孔，通过小药量爆破或水压致裂的方法进行弱化损伤处理。小药量爆破或水压致裂两种方法均技术成熟，在煤矿行业均有较高的普及度。可根据不同矿井地质情况任一选择，达到围岩破裂弱化即可。在本实施例中，水压致裂弱方法就是利用高压水弱化岩体强度的特点，对赋存坚硬的顶板岩层中注入高压水，在水压及渗透作用下，破坏岩层的整体结构和理化性质，致使岩体内部的节理与裂隙发育扩展，降低岩层强度，从而实现对坚硬顶板的弱化。
在另一可选实施例中，本申请采取小药量爆破进行弱化损伤处理，具体包括：
确定爆破深度：根据巷道围岩应力分布特征，采用应力在线监测技术，确定巷帮应力峰值区域，爆破深度要大于或等于支承应力峰值距煤壁的长度； 其中，采用钻屑法或应力监测方法分析巷道围岩应力分布特征，根据应力集中程度调整爆破深度，应力集中程度越高，爆破深度越大，装药量越大。
确定爆破药量：采取小药量多次爆破的方式，测试不同装药量爆破的巷道破碎程度，其中，设计孔深为应力集中峰值区域，采取小药量多次爆破的方式，测试不同装药量爆破的巷道破碎程度，并最终取得最佳值，以获取爆破所需的药量。
确定钻孔间距：爆破理论计算钻孔间距，使爆破后形成的粉碎区及破裂区相互贯通，以形成完全卸压带，具体间距根据爆破形成破裂区的半径确定。
在本实施例中，根据爆破理论计算破裂区半径：
式中:
为爆破破裂区半径；
为爆破孔直径；
为煤体抗拉强度； 
为爆炸初始冲击力；
为波速比，
为应力波衰减系数，
；
为炸药密度；
为炸药爆破速度；
为炸药直径；
为爆破孔直径；
为爆生气体产生的应力增大系数。
在另一可选实施例中，对钻孔在注浆加固区与碎裂弱化区的交界处进行封堵，实现对碎裂弱化区的封闭。具体在注浆加固区将靠近碎裂弱化区交界处的钻孔进行封堵处理，并在在注浆加固区进行注浆处理，改性成注浆加固区。
在另一可选实施例中，对围岩进行小药量爆破或水压致裂操作后，围岩内部会产生裂隙形成破碎环， 在不同装药量爆破测试时，采用钻孔窥视仪对爆破卸压影响区域进行围岩结构进行探测，计算巷道围岩锚固范围内的裂隙扩展率，并以此作为评定巷道围岩的破碎程度的数据。其中，爆破卸压影响区域包括注浆加固区和碎裂弱化区，该区域外围不做处理从而形成破裂弱化区，内围区域进行注浆加固形成注浆加固区。
在另一可选实施例中，待数值模拟计算出破裂弱化区和注浆加固区的具体宽度和厚度后，再根据数值模拟结果进行施工。具体方法还包括：
确定碎裂弱化区煤岩体的破碎程度：基于碎裂弱化区宽度，该宽度沿巷道延伸方向的长度。在本实施例中，对巷道的原味改性贯穿整个巷道，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体的各项参数模拟其变化对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出的碎裂弱化区的损伤度；
确定碎裂弱化区煤岩体的厚度：基于碎裂弱化区的损伤度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体厚度，模拟对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出碎裂弱化区岩体的厚度。
确定注浆加固区强度：基于注浆加固区的宽度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体的各项参数，模拟其变化对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区岩体的强度参数；
确定注浆加固区厚度：基于注浆加固区的加固强度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体厚度，模拟其变化对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区的岩体厚度。
在本实施例中，可通过Flac3D或Abaqus软件实现建模分析，针对具体的工程地质条件进行分析模拟。
在另一可选实施例中，在巷道内布置多个监测装置，用于监测巷道外围岩数据。
所述监测装置包括：钻孔应力计，在巷道周边煤岩体中埋设一孔多点钻孔应力计，使注浆加固区、碎裂弱化区和未改造区均有应力计布置，监测巷道不同深度围岩的应力，用于对注浆加固区、碎裂弱化区和未改造区进行应力监测；位移监测传感器，在巷道表面布置位移测点，对巷道内壁的位移进行监测；微震监测系统，用于监测巷道所受到的冲击载荷，监测冲击荷载的大小和位置。采用微震监测、应力监测或钻屑法检验等方法对对爆破卸压效果进行检验。
在另一选实施例中，结合监测数据分析冲击荷载作用下巷道围岩原位改性支护结构自身强度、应力转移和吸收、巷道变形及能量耗散等特征，考察防冲效果。
在另一选实施例中，根据巷道围岩的岩石力学参数性质进行参数优化，具体可在数值模拟过程中更改材料的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、密度等参数来模拟不同硬度和完整度的岩石。基于模拟结果对爆破影响范围内损伤巷道进行针对性补强加固。
在另一可选实施例中，本专利依托工程为宽沟煤矿工作面，结合实际工况及工程地质条件，工作面对应地面标高为+1612m~+1660m，倾斜长度186m，可采走向长度1565m，采高3.2m，放煤厚度6.3m，工作面倾角平均14°。并最终确定注浆加固区与碎裂弱化区参数为：注浆加固区的加固环厚度5m、加固程度10%；碎裂弱化区的破碎环厚度4m、破碎程度90%。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，其特征在于，包括：
选取矿井巷道外周一定厚度的围岩作为注浆加固区；
对注浆加固区外周的围岩进行弱化损伤处理作为碎裂弱化区；
对碎裂弱化区进行封闭，并对注浆加固区进行注浆改性；矿井巷道外周的围岩进行钻孔，通过小药量爆破或水压致裂的方法进行弱化损伤处理；
确定碎裂弱化区煤岩体的破碎程度：基于碎裂弱化区宽度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体的各项参数模拟对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出的碎裂弱化区的损伤度；
确定碎裂弱化区煤岩体的厚度：基于碎裂弱化区的损伤度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整碎裂区煤岩体厚度；模拟对吸收能量抵抗冲击荷载的影响，根据模拟结果得出碎裂弱化区岩体的厚度；
确定注浆加固区强度：基于注浆加固区的宽度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体的各项参数，模拟对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区岩体的强度参数；
确定注浆加固区厚度：基于注浆加固区的加固强度，结合实际工程地质条件进行建模分析，通过调整加固区煤岩体厚度，模拟对抵抗冲击荷载及巷道整体稳定性的影响，根据模拟结果得出注浆加固区的岩体厚度；
其中，爆破卸压影响区域包括注浆加固区和碎裂弱化区，该区域外围不做处理从而形成破裂弱化区，内围区域进行注浆加固形成注浆加固区；在注浆加固区将靠近碎裂弱化区交界处的钻孔进行封堵处理，并在注浆加固区进行注浆处理，改性成注浆加固区；
对矿井巷道外周的围岩进行钻孔，通过小药量爆破进行弱化损伤处理的方法包括：
确定爆破深度：根据巷道围岩应力分布特征，确定巷帮应力峰值区域，爆破深度要大于或等于支承应力峰值距煤壁的长度；采用钻屑法或应力监测方法分析巷道围岩应力分布特征，根据应力集中程度调整爆破深度，应力集中程度越高，爆破深度越大，装药量越大；其中，设计孔深为应力集中峰值区域；
确定爆破药量：采取小药量多次爆破的方式，测试不同装药量爆破的巷道破碎程度，以获取爆破所需的药量；在不同装药量爆破测试时，采用钻孔窥视仪对爆破卸压影响区域进行围岩结构进行探测，计算巷道围岩锚固范围内的裂隙扩展率，并以此作为评定巷道围岩的破碎程度的数据；
确定钻孔间距：爆破理论计算钻孔间距，使爆破后形成的粉碎区及破裂区相互贯通。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，其特征在于，对钻孔在注浆加固区与碎裂弱化区的交界处进行封堵，实现对碎裂弱化区的封闭。
3.根据权利要求1所述的煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，其特征在于，在巷道内布置多个监测装置，用于监测巷道外围岩数据。
4.根据权利要求3所述的煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，其特征在于，所述监测装置包括：
钻孔应力计，用于对注浆加固区、碎裂弱化区和未改造区进行应力监测；
位移监测传感器，对巷道内壁的位移进行监测；
微震监测系统，用于监测巷道所受到的冲击载荷。
5.根据权利要求1所述的煤矿巷道围岩原位改性防冲方法，其特征在于，根据巷道围岩的岩石力学参数性质进行参数优化，基于模拟结果对爆破影响范围内损伤巷道进行针对性补强加固。
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