CN116595809B - 地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了地下工程围岩钻进卸压‑探测评价方法，涉及地下工程技术领域，解决了现有钻孔卸压无法有效防治冲击地压的问题，提高了钻孔卸压的精度和效果，具体方案如下：进行围岩原位钻进测试，获取随钻参数；根据随钻参数，确定围岩的岩体等效抗压强度；在现场进行围岩地应力测试，以确定围岩原岩应力；根据岩体等效抗压强度和围岩原岩应力，确定围岩的冲击地压等级，并根据冲击地压等级进行钻孔卸压控制设计；根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，确定卸压后的围岩冲击等级，评价钻孔卸压效果；根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，特别是涉及地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法。
背景技术
深部矿山巷道面临高地应力、高地温、高岩溶水压、强开采扰动“三高一扰动”的复杂力学环境，以岩爆、冲击地压为代表的岩体动力灾害事故频发。冲击地压发生的本质在于围岩积聚能量的突然释放，对于埋深大、应力高的巷道，极易出现冲击，对施工人员和设备造成巨大威胁，影响施工进度。目前常用的局部解危措施主要包括深孔断顶爆破、钻孔卸压、断底爆破、水力压裂等方法。上述卸压方式都需要进行钻孔作业，如果在钻孔的同时能够测试岩体强度，并对岩体冲击地压的等级进行定量评价，实现卸压与评价卸压效果同时进行，根据评价结果来优化卸压设计参数，可大大提高施工效率。
发明人发现，目前针对钻孔卸压效果评价的研究主要有微震法、钻屑法等，利用微震法进行钻孔卸压效果评价时，评价结果容易受到回采的影响，导致评价结果不准确；利用钻屑法对钻孔卸压效果进行评价时，评价结果不是定量的，且需要在钻孔卸压前后进行大量的打孔取屑，增加施工人员的工作量，且影响施工进程，不能实时反映钻孔卸压效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，能够同时实现围岩钻孔卸压和岩体强度测试，根据冲击地压等级测试结果反馈优化钻孔卸压设计参数，为钻孔卸压参数设计提供科学依据，降低冲击地压发生风险。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明提供了地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，具体如下：
进行围岩原位钻进测试，获取随钻参数；
根据随钻参数，确定围岩的岩体等效抗压强度；
在现场进行围岩地应力测试，以确定围岩原岩应力；
根据岩体等效抗压强度和围岩原岩应力，确定围岩的冲击地压等级，并根据冲击地压等级进行钻孔卸压控制设计；
根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，确定卸压后的围岩冲击等级，评价钻孔卸压效果；
根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
作为进一步的实现方式，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进扭矩增量、钻进压力和钻进压力增量。
作为进一步的实现方式，所述冲击地压等级根据围岩的冲击能量确定，围岩的冲击能量通过岩体等效抗压强度和围岩所受的最大应力计算获得。
作为进一步的实现方式，根据围岩的冲击能量确定冲击地压等级，包括：
如果冲击能量小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为无冲击；
如果冲击能量大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为轻微冲击；
如果冲击能量大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为中等冲击；
如果冲击能量大于第三预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为强烈冲击。
作为进一步的实现方式，在进行钻孔卸压控制设计时，使得钻孔深度保证高应力区域岩体非稳定失稳破坏时不影响围岩的稳定，钻孔间排距使各钻孔周围卸压区相互贯通形成弱化带。
作为进一步的实现方式，利用智能钻进根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，钻孔卸压完成后，根据卸压过程中获取的随钻参数，计算获得钻孔卸压后的冲击能量，进而确定卸压后的围岩冲击等级。
作为进一步的实现方式，利用微震监测传感器对围岩稳定性进行监测，根据岩体破裂微震能量特征对围岩控制效果进行评价，得到评价结果，根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
作为进一步的实现方式，所述钻孔卸压控制设计的参数主要包括钻孔深度、钻孔间距、钻孔直径和钻孔布置方式。
作为进一步的实现方式，所述围岩地应力测试为应力解除法、水压致裂法、声发射法中的任意一种。
作为进一步的实现方式，采用智能钻机进行围岩原位钻进测试，智能钻机含有数字解析钻头，数字解析钻头包括实心钢制胎体和镶嵌在实心钢制胎体中的方形复合片。
上述本发明的有益效果如下：
（1）本发明能够同时实现围岩钻孔卸压和岩体冲击地压等级定量评价，根据冲击地压等级评价结果反馈优化钻孔卸压控制设计参数，对卸压后岩体进行冲击地压等级评价，明确钻孔卸压效果，实现动态优化钻孔卸压控制参数方案，且根据随钻参数确定围岩的岩体等效抗压强度，实现了岩体强度参数的现场原位测试，保证了岩体强度参数的准确度。
（2）本发明通过在岩体中布置卸压钻孔，使各钻孔卸压区域之间相互连接，破坏卸压区域岩体的承载结构，降低其承载能力；同时，使峰值应力大大降低，应力峰值位置向深部转移，降低岩体的冲击危险性。
附图说明
构成本发明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。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法的流程示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的冲击能量计算模型示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的钻孔卸压弱化机制示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1、智能钻机；2、数字解析钻头；3、液压伺服阀；4、卸压钻孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，目前钻孔卸压参数布置主要依靠现场经验和工程类比进行确定，导致现场防治过程中经常出现卸压不充分或者过度卸压情况，不能根据实际围岩情况有效防治冲击地压的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，具体如下：
采用智能钻机1进行围岩原位钻进测试，以获取智能钻机1的随钻参数。
其中，随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进扭矩增量、钻进压力和钻进压力增量。
根据所述随钻参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度。
具体的，将随钻参数带入岩体强度随钻测试模型即可计算获得岩体等效抗压强度，岩体强度随钻测试模型的计算公式为：
（1）
式中，σe为岩体等效抗压强度，V表示钻进速度，N表示钻头转速，M表示钻进扭矩，F表示钻进压力，Mz表示钻进扭矩增量，Fz表示钻进压力增量，α为第一拟合系数，β为第二拟合系数，第一拟合系数、第二拟合系数可通过前期试验获得。
根据随钻参数确定围岩的岩体等效抗压强度，实现了岩体强度参数的现场原位测试，保证了岩体强度参数的准确度。
在现场进行围岩地应力测试，以确定围岩原岩应力。
围岩地应力测试可以是应力解除法、水压致裂法、声发射法中的任意一种，具体的可根据实际现场工况选择确定。
其中，应力解除法是将包含应变计的岩石通过取芯将其从周围围岩应力场中隔离开来，由于岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出此岩块的三维膨胀变形，通过现场弹模律定来确定其弹性模量，再由胡可定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向；
水压致裂法是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔岩体，然后泵入液体对该段钻孔施压，直至岩体产生破裂，根据压裂过程曲线的压力特征值与压裂缝方向，确定地应力量值、方向及其沿深度的变化规律；
声发射法是利用Kaiser效应测量地应力，主要步骤如下：测点处沿六个不同方向钻取岩芯，记录该六个方向的方位角及倾角，将钻孔岩芯加工成高径比为2:1～3:1圆柱试件；将加工的岩石试件在实验室内进行单轴压缩试验，并利用声发射设备采集岩样加载过程中的声发射事件；对试验过程中的声发射事件及应力试验参数进行分析，并绘制出声发射事件-应力曲线，确定沿六个钻孔方向的岩样Kaiser效应点，得到该方向的原岩应力值，进而实现对原岩应力大小和方向的确定。
通过围岩地应力测试可获得围岩原岩应力，利用围压原岩应力以及围岩所受最大应力模型即可获得围岩所受的最大应力值。
具体的，围岩所受最大应力模型，其计算公式为：
（2）
其中，表示围岩所受的最大应力，/>表示围岩原岩应力，/>为地应力集中系数，本实施例中的/>是通过数值计算或理论分析获得的。
根据所述岩体等效抗压强度和围岩原岩应力，确定所述围岩的冲击地压等级，根据所述冲击地压等级进行钻孔卸压控制设计。
具体的，利用岩体等效抗压强度和根据围岩原岩应力计算所得的围岩所受的最大应力，可通过围岩冲击能量模型计算获得围岩的冲击能量，进而确定围岩的冲击地压等级。
其中，围岩冲击能量模型的计算公式为：
（3）
其中，∆E表示冲击能量；σ1c表示围岩所受的最大应力；εc表示单轴抗压强度对应的应变，为岩石等效抗压强度与岩石弹性模量的比值；σe表示岩体等效抗压强度。
当计算获得围岩的冲击能量后，可根据冲击能量确定围岩的冲击地压等级，具体的：
如果所述的冲击能量小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的冲击地压等级为无冲击；
如果所述的冲击能量大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定所述围岩的冲击地压等级为轻微冲击；
如果所述的冲击能量大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定所述围岩的冲击地压等级为中等冲击；
如果所述的冲击能量大于第三预设阈值，则确定所述围岩的冲击地压等级为强烈冲击。
具体的，可以预先设置冲击能量∆E与冲击地压等级划分范围的对应关系，如表1所示，围岩冲击地压等级可以分为无冲击、轻微冲击、中等冲击和强烈冲击。无冲击对应的围岩能量∆E的范围为∆E≤M1、轻微冲击对应的围岩能量∆E的范围为M1＜∆E≤M2、中等冲击对应的围岩能量∆E的范围为M2＜∆E≤M3、强烈冲击对应的围岩能量∆E的范围为M3＜∆E。
表1
可以理解的是，分级阈值M1、M2、M3的具体数值根据可根据实际实验数据进行确定，具体的这里不做过多的限制。
在进行钻孔卸压控制设计时，应使得钻孔深度保证高应力区域岩体非稳定失稳破坏时不影响围岩的稳定，钻孔深度的范围为8~20m；钻孔间排距应使各钻孔周围卸压区相互贯通形成弱化带。
其中，对于单排水平布置方式，钻孔间距的范围为0.5-10m；对于两排三花布置方式，即锚杆一排两根、另外一排一根的交叉布置方式，本实施例中的间排距的组合方式为0.8×0.4m、1.0×0.4m、1.0×0.6m、1.2×0.4m、1.2×0.6m，在其他实施例中也可以是五花布置，即一排三根锚杆，另外一排两根锚杆的交叉布置。
需要注意的是，钻孔直径的确定需综合考虑岩层厚度、冲击地压等级、施工条件等因素，钻孔直径的范围为95mm~200mm；随着围岩冲击地压等级越高，应相应增加钻孔深度和钻孔直径，减小钻孔间距。
根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，钻孔卸压施工完成后，再次利用智能钻机1对卸压控制设计中的最后三个钻孔进行围岩原位钻进测试，获取钻孔卸压后的随钻参数，进而确定卸压后的围岩冲击等级，评价钻孔卸压效果。
具体的，根据钻孔卸压后的岩体等效抗压强度和围岩原岩应力，确定钻孔卸压控制设计后围岩的冲击能量的公式为：
（4）
其中，表示钻孔卸压后的冲击能量；/>表示钻孔卸压后的围岩所受的最大应力；εc表示单轴抗压强度对应的应变；/>表示钻孔卸压后的岩体等效抗压强度。
根据计算获得的钻孔卸压后的冲击能量，获取围岩钻孔卸压后的冲击地压等级，进而评价钻孔卸压效果。
根据围岩冲击地压等级评价结果反馈优化钻孔卸压设计参数。
具体的，安装微震监测传感器对围岩稳定性进行监测，根据岩体破裂微震能量特征对围岩控制效果进行评价，得到评价结果，根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
其中，钻孔卸压控制设计参数主要包括钻孔深度、钻孔间距、钻孔直径和钻孔布置方式。
如图3所示，智能钻机1采用数字解析钻头2，数字解析钻头2包括方形复合片和实心钢制胎体，方形复合片镶嵌于实心钢制胎体中，进而形成数字解析钻头2的钻头切削刃。
智能钻机1根据随钻参数，通过液压伺服阀3动态调整进油量，控制智能钻机1的钻进速度和钻头转速保持恒定，或控制智能钻机1的钻进压力和钻头转速保持恒定，以使智能钻机1以恒钻进速度和恒钻头转速，或恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
通过在岩体中合理布置卸压钻孔4，从而使各钻孔卸压区域之间相互连接，破坏卸压区域岩体的承载结构，降低其承载能力；同时，使峰值应力大大降低，应力峰值位置向深部转移，降低岩体的冲击危险性。
本实施例中利用智能钻机1对围岩进行钻进，以实现卸除围岩冲击地压的同时，对围岩卸压效果进行评价，一边卸压一边评价的方式可大大保证现场卸压的效果及效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，具体如下：
进行围岩原位钻进测试，获取随钻参数；
根据随钻参数，确定围岩的岩体等效抗压强度，将随钻参数带入岩体强度随钻测试模型即可计算获得岩体等效抗压强度，岩体强度随钻测试模型的计算公式为：
式中，σe为岩体等效抗压强度，V表示钻进速度，N表示钻头转速，M表示钻进扭矩，F表示钻进压力，Mz表示钻进扭矩增量，Fz表示钻进压力增量，α为第一拟合系数，β为第二拟合系数，第一拟合系数、第二拟合系数可通过前期试验获得；
在现场进行围岩地应力测试，以确定围岩原岩应力，所述围岩地应力测试为应力解除法、水压致裂法、声发射法中的任意一种；
根据岩体等效抗压强度和围岩原岩应力，确定围岩的冲击地压等级，并根据冲击地压等级进行钻孔卸压控制设计；
所述冲击地压等级根据围岩的冲击能量确定，围岩的冲击能量通过岩体等效抗压强度和围岩所受的最大应力计算获得，围岩冲击能量模型的计算公式为：
其中，∆E表示冲击能量；σ1c表示围岩所受的最大应力；εc表示单轴抗压强度对应的应变，为岩石等效抗压强度与岩石弹性模量的比值；σe表示岩体等效抗压强度；
根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，确定卸压后的围岩冲击等级，评价钻孔卸压效果，具体包括：利用智能钻机根据钻孔卸压控制设计的参数进行钻孔卸压，钻孔卸压完成后，根据卸压过程中获取的随钻参数，计算获得钻孔卸压后的冲击能量，进而确定卸压后的围岩冲击等级；
根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进扭矩增量、钻进压力和钻进压力增量。
3.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，根据围岩的冲击能量确定冲击地压等级，包括：
如果冲击能量小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为无冲击；
如果冲击能量大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为轻微冲击；
如果冲击能量大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为中等冲击；
如果冲击能量大于第三预设阈值，则确定围岩的冲击地压等级为强烈冲击。
4.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，在进行钻孔卸压控制设计时，使得钻孔深度保证高应力区域岩体非稳定失稳破坏时不影响围岩的稳定，钻孔间排距使各钻孔周围卸压区相互贯通形成弱化带。
5.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，利用微震监测传感器对围岩稳定性进行监测，根据岩体破裂微震能量特征对围岩控制效果进行评价，得到评价结果，根据评价结果动态优化钻孔卸压控制设计参数。
6.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，所述钻孔卸压控制设计的参数主要包括钻孔深度、钻孔间距、钻孔直径和钻孔布置方式。
7.根据权利要求1所述的地下工程围岩钻进卸压-探测评价方法，其特征在于，采用智能钻机进行围岩原位钻进测试，智能钻机含有数字解析钻头，数字解析钻头包括实心钢制胎体和镶嵌在实心钢制胎体中的方形复合片。
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