【技术实现步骤摘要】
本申请涉及钻孔间距布置领域，特别涉及一种三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统。
技术介绍
1、煤炭是我国关键的工业原料，其巨大的需求量使得矿井开采逐年向深部延伸。深部开采条件下，硐室、巷道和钻孔的围岩稳定性控制是研究的重点和难点。巷道的开挖会打破原有的应力平衡状态，使得应力重新分布而产生应力集中的现象，在高应力环境和叠加采动的影响下巷道围岩会产生较大的膨胀变形，单一锚杆索支护对巷道围岩的稳定性控制效果较差。为此，采用钻孔卸压的方式将巷道周边集中的高应力向深部稳定岩体转移，减小巷道围岩的变形和破坏程度，是一种行之有效的辅助支护手段。
2、然而，目前在进行钻孔卸压方案设计时，大多采用经验类比的方法或数值模拟的方法确定卸压钻孔布置参数，缺乏理论依据和定量分析手段。少数研究虽然开展了理论计算，但大多将计算模型简化为平面应变问题，忽略了地下岩体的真实三维应力环境，未能准确反映卸压钻孔与复杂地应力场的相互作用机制，导致所得钻孔布置参数与实际工程条件存在偏差。由于钻孔间距确定不合理，常出现部分区域卸压不充分、卸压效果不理想以及高应力难以向深部转移等问题，最终导致巷道围岩稳定性控制效果不佳，严重时甚至会引发冒顶片帮、大面积锚杆/索失效等动力灾害，给煤矿安全生产带来隐患。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的卸压钻孔布置不合理导致巷道围岩应力集中的问题，本申请提供了一种三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统，通过获取支承压力峰值对应的地应力大小和方向，建立地应力坐标系、大地直角坐标系
2、本申请的目的通过以下技术方案实现。
3、本申请的一个方面提供一种三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，包括：s1，通过钻孔应力计获取巷道支承压力峰值范围；s2，通过地应力测量获得支承压力峰值范围对应的地应力大小、地应力方位角和倾角；s3，通过岩石力学试验确定巷道围岩的参数，参数包含内聚力c、内摩擦角φ和泊松比v；s4，根据施工矿井的工程地质参数和施工条件，确定卸压钻孔半径；s5，建立地应力坐标系、大地直角坐标系和钻孔坐标系，通过坐标转换方法将s2获得的地应力坐标系下的地应力大小、方位角和倾角转换为钻孔坐标系下的应力载荷；s6，在钻孔坐标系下，基于kirsch求解法并利用s4确定的钻孔半径和s5获得的钻孔坐标系下的应力载荷，得到钻孔坐标系下孔洞预设范围内任意一点的正应力σr、σt、σv和切应力τrt、τrv、τtv；s7，基于三维状态的m-c强度准则，利用s3获得的岩石力学参数，建立钻孔周边塑性区边界的隐式方程，将s6得到的钻孔坐标系下孔洞预设范围内任意一点的应力分量带入隐式方程，求解得到卸压钻孔增透圈半径r；s8，根据卸压钻孔增透圈半径r，确定相邻两个卸压钻孔的排距pr和卸压钻孔的布置方式。
4、具体的，支承压力峰值：巷道围岩在开挖后，由于应力重分布而在巷道超前位置形成的最大支承压力值。支承压力峰值反映了巷道周围岩石的受力状态，是确定地应力测量位置的重要依据。钻孔应力计：一种用于测量钻孔内岩体应力状态的仪器。通过在钻孔内安装应变片或其他传感器，可以获得钻孔壁面上的应变数据，进而计算出岩体的应力大小和方向。地应力方位角和倾角：反映地应力空间方向的两个角度参数。方位角表示地应力在水平面内与正北方向的夹角，取值范围为0°至360°；倾角表示地应力与水平面的夹角，取值范围为0°至90°。地应力坐标系：以地应力主方向为坐标轴建立的正交坐标系。通常将最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3分别作为坐标轴，用于表示地应力的空间分布状态。钻孔坐标系：以钻孔轴线为坐标轴建立的正交坐标系。通常将钻孔轴线方向作为z轴，钻孔半径方向作为x轴，垂直于x轴和z轴的方向作为y轴。钻孔坐标系用于分析钻孔周边应力分布。kirsch求解法：一种用于求解圆形孔洞周边应力分布的解析方法。基于全平面应变状态下的kirsch解，可以得到孔洞周边任意一点的正应力和切应力状态。mohr-coulomb强度准则(m-c强度准则)：一种描述岩土材料剪切强度特性的经验准则。卸压钻孔增透圈：以卸压钻孔为中心，钻孔周边岩体由于钻孔卸压作用而形成的应力降低区域。卸压钻孔增透圈的半径反映了单个钻孔的卸压范围，是确定钻孔间距的关键参数。
5、更具体的，在确定卸压钻孔半径时，需要综合考虑施工矿井的工程地质参数和施工条件等因素。根据矿井的地质资料，获取巷道周围岩石的岩性、地层结构、岩体完整性等地质参数。岩性：确定巷道围岩的主要岩石类型，如砂岩、泥岩、灰岩等，不同岩性的力学特性和卸压效果不同。地层结构：分析巷道所处地层的倾角、厚度、层理特征等，评估地层结构对钻孔施工和卸压效果的影响。岩体完整性：评估巷道围岩的节理裂隙发育程度，岩体完整性越高，钻孔施工难度越大，但卸压效果越好。结合矿井的施工条件，确定钻孔施工的工艺参数。钻孔直径：根据现有钻机设备的规格和施工能力，选择合适的钻头直径，通常为50～100mm。钻孔深度：根据巷道围岩应力分布特点和卸压需求，确定钻孔深度，一般为2～5m。钻孔倾角：根据卸压设计要求和现场条件，确定钻孔倾角，通常为与巷道壁面垂直或呈小角度倾斜。在本申请中，钻孔半径的取值范围为0.1m至0.5m。
6、进一步的，s2，通过地应力测量获得支承压力峰值范围对应的地应力大小、地应力方位角和倾角，包括：在步骤s1确定的支承压力峰值范围内，通过地应力测量获得相应范围内的最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3；通过地应力测量获得最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3对应的应力倾角α1、α2和α3，以及应力方位角β1、β2和β3。
7、进一步的，s5，建立地应力坐标系、大地直角坐标系和钻孔坐标系，通过坐标转换方法将s2获得的地应力坐标系下的地应力大小、方位角和倾角转换为钻孔坐标系下的应力载荷，包括：以步骤s2获得的最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3的方向作为坐标轴，建立正交坐标系o-xyz。x轴与最大主应力σ1方向重合，y轴与中间主应力σ2方向重合，z轴与最小主应力σ3方向重合。以钻孔施工位置为原点，建立大地直角坐标系o-x'y'z'。x'轴指向正东，y'轴指向正北，z'轴指向竖直向上。根据钻孔空间布置位置相对于大地坐标系的钻孔倾角δ和钻孔方位角w，建立钻孔坐标系o-x”y”z”。钻孔倾角δ是指钻孔轴线与竖直方向(z'轴)的夹角，取值范围为0°～90°。钻孔方位角w是指钻孔轴线在水平面上的投影(x'o'y'平面)与正北方向(y'轴)的夹角，取值范围为0°～360°。z”轴与钻孔轴线重合，x”轴和y”轴在钻孔截面上与z”轴正交。根据坐标转换公式，将地应力坐标系o-xyz下的应力状态转换为钻孔坐标系o-x”y”z”下的应力载荷。地应力坐标系下的应力状态由最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3以及对应的应力本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统，包括：
2.根据权利要求1所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
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9.根据权利要求8所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
10.一种三维应力场中卸压钻孔间距确定系统，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统，包括：
2.根据权利要求1所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法及系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的三维应力场中卸压钻孔间距确定方法，其特征在于：
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪涛，韩子俊，周光东，梁嘉璐，郭晓菲，王银伟，张盼栋，程文聪，张子初，吴双，徐振涿，韩向阳，游康睿，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
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