【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于深埋巷道冲击地压灾害防治，尤其涉及一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法。
技术介绍
1、随着煤矿开采深度逐年加深，巷道围岩所处应力环境更为复杂，冲击地压显现频度和强度不断增加，对矿井生产及人员安全造成严重威胁。目前国内大直径钻孔卸压是防治冲击地压的主要手段之一，合理的大直径钻孔参数不仅能够减少对巷道围岩的破坏，还能有效防治冲击地压的发生。
2、大直径钻孔参数主要包括直径、间距以及深度。大直径钻孔直径一般为150-200mm，间距根据国家标准及工作面冲击危险程度划分，一般为1-3m，而深度则一般根据煤层厚度以及各矿井的生产实践经验总结得出，一般为15m、20m、25m。然而，冲击地压的发生与煤岩体力学属性密切相关，简单的根据煤层厚度确定大直径钻孔深度缺乏相应的理论指导。实际上，冲击地压是一种能量驱动下的煤岩状态失稳现象，在冲击地压发生前，必将伴随着弹性能区域积聚现象，该区域一般称为储能区，在冲击地压发生后，储存能量转化为动能并以煤岩体崩飞溅射的形式释放。因此，从能量角度研究巷道围岩储能分区规律，进而通过大直径钻孔破坏储能区围岩结构，降低围岩储能极限，可以有效防止冲击地压的发生。
3、对于常规固定大直径钻孔深度而言，在不同巷道围岩条件下，常出现卸压过度导致的巷道围岩变形破坏严重和锚固支护结构失效现象，以及卸压不充分煤体弹性能积累导致的冲击地压现象，对巷道围岩合理、适度的卸压十分有必要，因此，亟需一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法。
技术实现思
1、本专利技术的目的在于：为了提高大直径钻孔卸压效果，避免巷道内大直径钻孔深度基于经验设计导致的煤层卸压不充分问题或过度卸压问题，而提出的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，包括以下步骤：
4、步骤a.搜集现场资料；
5、步骤b.煤岩力学属性测定；
6、步骤c.巷道近场围岩分区储能理论；
7、步骤d.数值模拟计算；
8、步骤e.进行能量监测；
9、步骤f.构建巷道围岩动态能量分区演化模型；
10、步骤g.根据巷道围岩储能区范围设计大直径卸压钻孔深度；
11、步骤h.检验及优化。
12、作为上述技术方案的进一步描述：所述现场资料主要包括：钻孔柱状图、地应力分布规律研究报告等，用来确定煤岩层类型及厚度、巷道围岩应力环境等；通过收集以上数据可以对现场情况进行初步了解，为数值模型尺寸、边界条件等参数设计提供数据支撑。
13、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤b中，在研究目标区域钻孔取样，将现场取出的岩芯加工为标准试件，通过开展室内单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三轴试验等，获得煤岩层力学属性，其主要包括体积模量、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度等，为数值模型参数设计提供数据支撑。
14、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤c中，在冲击地压发生过程中，巷道两帮浅部煤体属于释能区，最终会因应力超载或能量超限而发生破坏；巷道两侧的顶板及深部弹性区煤体属于储能区，在浅部煤体破坏瞬间，顶板下方以及深部煤体侧向的约束力突然减小，被压缩的顶板恢复变形、受约束的煤体侧向膨胀，两者均会释放应变能供给浅部煤体，转化为浅部煤体裂纹扩展耗散能以及煤块抛出的动能；因此，“释能区+储能区”共同影响冲击地压是否发生及其发生剧烈程度的大小。
15、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤d中，首先，由于天然状态下岩体内部未受人工开挖扰动也会存在初始应力，因此要对模型施加地应力，从而让模型应力条件更接近真实情况；其次，将前期准备工作步骤a中收集到的现场数据以及步骤b中煤岩力学试验测定的参数赋予给模型；最后，模拟工作面采掘活动。
16、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤e中，首先，利用flac3d等数值模拟软件中的相关语言编写能量计算程序，模型单元i的能量密度u计算公式为
17、
18、式中，σ1、σ2、σ3分别为单元i的最大主应力、中间主应力和最小主应力，mpa；μ为单元的泊松比；e为单元体的弹性模量，gpa，利用数值模拟软件计算巷道围岩能量密度u；若数值模拟软件具备该功能，则不需要编程直接进行下一步；
19、其次，在构建好的数值模型中布置能量测线，考虑到冲击地压一般发生在巷道掘进迎头后方300m以及采场前方500m的位置，因此，测线一般布置在巷道两帮及顶底板，具体测线数目、间距等根据模型及实际工程应力复杂程度而定，如图1所示；最后，根据数值模拟结果，将布置在各巷道不同位置的能量测线上的数据进行整理及输出，通过origin等数据分析软件绘制巷道围岩弹性能密度分区曲线，如图2所示，图中将弹性能密度低于e的区域定义为释能区，大于1.3e的区域为储能区，从而得出工作面采掘期间巷道围岩弹性能密度分布特征。
20、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤f中，基于数据分析结果和输出的弹性能密度分区曲线，建立图3所示的巷道近场围岩分区储能模型；根据本模型，可将巷道围岩划分为释能区和储能区；在巷道开挖前，距离巷道较近的顶底板在初始地应力作用下积聚了弹性能，在巷道开挖后，顶底板储存的弹性能得到释放，形成了释能区；由于煤层相比岩层更易储存弹性能，在巷道迎头前方出现了储能区；对于巷帮煤体，距离巷道较近的煤体内部储存的弹性能得到释放，形成了释能区；而距离巷道一定范围的煤体以及巷道迎头前方形成了储能区，如图3所示。
21、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤g中，首先，大直径卸压钻孔深度的设计要符合生产实际，根据煤层厚度以及矿井的生产实践经验，煤层开采厚度小于3.5m时，钻孔深度一般不小于15m；煤层开采厚度为3.5m～8m时，钻孔深度一般不小于20m；煤层开采厚度大于8m时，钻孔深度一般不小于25m；
22、表1基于煤层厚度的大直径钻孔深度
23、 煤厚/m ≤3.5 3.5～8 ≥8 孔深/m 15 20 25
24、因此，本专利技术的钻孔设计深度在煤层开采厚度小于3.5m时，钻孔深度范围不超过10-20m的范围；煤层开采厚度为3.5m～8m时，钻孔深度范围不超过15-25m；煤层开采厚度大于8m时，钻孔深度范围不超过20-30m；...
【技术保护点】
1.一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述现场资料主要包括：钻孔柱状图、地应力分布规律研究报告，用来确定煤岩层类型及厚度、巷道围岩应力环境；通过收集以上数据可以对现场情况进行初步了解，为数值模型尺寸、边界条件参数设计提供数据支撑。
3.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤B中，在研究目标区域钻孔取样，将现场取出的岩芯加工为标准试件，通过开展室内单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三轴试验，获得煤岩层力学属性，其主要包括体积模量、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度，为数值模型参数设计提供数据支撑。
4.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤C中，在冲击地压发生过程中，巷道两帮浅部煤体属于释能区，最终会因应力超载或能量超限而发生破坏；巷道两侧的顶板及深部弹性区煤体属于储能区，在浅部煤体破坏瞬间，顶板下方以及深部煤体侧向的约束力突然减
5.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤D中，首先，由于天然状态下岩体内部未受人工开挖扰动也会存在初始应力，因此要对模型施加地应力，从而让模型应力条件更接近真实情况；其次，将前期准备工作步骤A中收集到的现场数据以及步骤B中煤岩力学试验测定的参数赋予给模型；最后，模拟工作面采掘活动。
6.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤E中，首先，利用FLAC3D数值模拟软件中的相关语言编写能量计算程序，模型单元i的能量密度U计算公式为
7.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤F中，基于数据分析结果和输出的弹性能密度分区曲线，建立图3所示的巷道近场围岩分区储能模型；根据本模型，可将巷道围岩划分为释能区和储能区；在巷道开挖前，距离巷道较近的顶底板在初始地应力作用下积聚了弹性能，在巷道开挖后，顶底板储存的弹性能得到释放，形成了释能区；由于煤层相比岩层更易储存弹性能，在巷道迎头前方出现了储能区；对于巷帮煤体，距离巷道较近的煤体内部储存的弹性能得到释放，形成了释能区；而距离巷道一定范围的煤体以及巷道迎头前方形成了储能区，如图3所示。
8.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤G中，首先，大直径卸压钻孔深度的设计要符合生产实际；
9.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤H中，首先，通过超前钻孔探测前方的地质构造；如遇到断层、褶曲特殊地质构造，无论是正断层还是逆断层，采掘扰动及其产生的应力叠加是断层冲击地压发生的必要条件之一；因而，当钻孔临近煤层断层地质构造时，钻孔孔深应不少于3.5倍的煤层厚度，需要在原有的钻孔深度基础上适当增加钻孔深度；其次，利用数值模拟的方法，结合现场实际情况，如采空区、煤柱影响，在原有模型的基础上增加钻孔，将设计好的大直径卸压钻孔深度参数代入巷道围岩能量分区演化模型，并将数据输出，观测其能量变化是否符合储能区范围下降或者往深部转移；最后，采用现场检验的方法，通过观察巷道矿压显现以及使用钻孔应力计或是采用钻屑法方式检验所设计的大直径钻孔深度是否有理想的卸压效果。
...【技术特征摘要】
1.一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述现场资料主要包括：钻孔柱状图、地应力分布规律研究报告，用来确定煤岩层类型及厚度、巷道围岩应力环境；通过收集以上数据可以对现场情况进行初步了解，为数值模型尺寸、边界条件参数设计提供数据支撑。
3.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤b中，在研究目标区域钻孔取样，将现场取出的岩芯加工为标准试件，通过开展室内单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三轴试验，获得煤岩层力学属性，其主要包括体积模量、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度，为数值模型参数设计提供数据支撑。
4.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤c中，在冲击地压发生过程中，巷道两帮浅部煤体属于释能区，最终会因应力超载或能量超限而发生破坏；巷道两侧的顶板及深部弹性区煤体属于储能区，在浅部煤体破坏瞬间，顶板下方以及深部煤体侧向的约束力突然减小，被压缩的顶板恢复变形、受约束的煤体侧向膨胀，两者均会释放应变能供给浅部煤体，转化为浅部煤体裂纹扩展耗散能以及煤块抛出的动能；因此，“释能区+储能区”共同影响冲击地压是否发生及其发生剧烈程度的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区的大直径钻孔深度设计方法，其特征在于，所述步骤d中，首先，由于天然状态下岩体内部未受人工开挖扰动也会存在初始应力，因此要对模型施加地应力，从而让模型应力条件更接近真实情况；其次，将前期准备工作步骤a中收集到的现场数据以及步骤b中煤岩力学试验测定的参数赋予给模型；最后，模拟工作面采掘活动。
6.根据权利要求1所述的一种基于巷道围岩储能分区...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟耀，孙鹏，李博，陈玏昕，谭云亮，张东晓，张磊，赵勇强，张骞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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