极近距离煤层开采无煤柱自成巷控制方法研究

极近距离煤层传统长壁开采,受上层遗留煤柱和采空区垮落等因素的影响,下煤层开采过程中应力环境复杂、矿压显现剧烈,易诱发巷道围岩大变形。为解决上述问题,提出了极近距离条件下巷道定向切顶–约束高强支护无煤柱自成巷控制方法。通过顶板定向预裂切顶,主动改变顶板悬臂结构,切断采空区向巷道顶板的应力传递。充分利用矿山压力和岩体碎胀特性,取消煤柱留设,结合高强支护加强巷道顶板整体性,共同实现切顶自成巷。建立了极近距离煤层开采覆岩结构模型,计算了下煤层切顶自成巷巷旁支护阻力。以典型极近距离煤层为工程背景,开展了不同开采方法的数值试验对比研究,结果表明,提出的自成巷控制方法使巷道围岩应力降低59.8%,巷道顶板变形减少70.8%,并明确了极近距离煤层开采无煤柱自成巷控制机理。在此基础上,开展了典型极近距离煤层工程设计及现场应用研究,结果表明该方法有效降低了矿压显现程度,保证了自成巷的安全稳定控制。

基于切削能密度的岩体强度-裂隙随钻识别方法

岩体强度与裂隙参数是反映工程岩体质量的基本参数,其准确获取是进行地下工程围岩分级与支护合理设计优化的前提。传统的岩体强度测试方法需要对现场围岩取芯并运至实验室测试,测试结果难以反映工程现场环境下的岩体力学性质,而对于岩体强度与裂隙参数的原位测试方法研究较少。本文基于能量守恒定律,建立了岩石切削能密度与随钻参数的关系式,构建了岩体等效强度随钻反演模型(ES-DP模型),系统开展了岩体数字钻进试验。结果表明,相对于传统测试方法,岩体等效强度随钻测试结果平均差异率为2.4%,验证了ES-DP模型对岩体等效强度测试的有效性。在此基础上,建立了岩体裂隙参数随钻识别模型,与实际测量结果相比,该模型测得的岩体裂隙位置与宽度平均精度分别为1.8和1.6 mm,测试精度较高。基于上述研究,本文提出了一种岩体强度-裂隙随钻识别方法,为实现地下工程围岩强度参数与结构特征的原位实时测试提供了新方法。

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。

基于数字钻探和支持向量机预测岩体单轴抗压强度的方法

针对常规的现场岩体单轴抗压强度(UCS)测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试技术预测岩体UCS的方法。利用自主研发的岩体数字钻探测试系统,开展了不同强度岩石试件的数字钻探试验和单轴压缩试验,基于支持向量机(SVM)建立了随钻参数与UCS的关系模型。作为模型输入参量的随钻参数,包括由传感器测定的钻进速率、转速、扭矩、推进力,也包括通过能量分析推导的岩石单位切削能ηc。结果显示,验证集中关系模型预测的UCS和单轴压缩试验测得的UCS相近,拟合优度R2为0.977,平均绝对误差MAE为3.037 MPa,表明基于SVM方法建立的随钻参数与UCS关系模型,在岩体UCS预测方面取得了较好的效果;同时表明数字钻探测试技术可实现对岩体UCS的有效预测。

基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐,周期长、成本高,无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径,实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此,本文根据岩石切削破碎特征,建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型,弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面,从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力,得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析,两者平均差异率为8.44%,验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上,提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法,并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析,结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%,证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷,可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。

地下工程围岩数字钻探测试系统研发与应用

岩体力学参数与结构特征是地下工程稳定性分析的基础,围岩参数的实时获取对支护设计至关重要。地下工程建设常面临高应力、极软岩等复杂地质条件,导致围岩松散破碎,锚注支护是破碎围岩控制的有效方法,注浆前后破碎围岩体的力学性能是锚注参数设计的基本依据。数字钻探测试技术为实现围岩参数实时获取与锚注效果定量评价提供了新的手段。在前期岩体力学随钻理论研究、多功能真三轴岩体钻探测试系统(室内TRD系统)自主研制与大量室内试验的基础上,研发了本安型地下工程围岩数字钻探测试系统(现场SDT系统),基于该系统开展了完整岩石层、破碎岩体层和注浆岩体层等不同组合条件下分层岩体的数字钻探试验,结果显示:(1)现场SDT系统控制和监测性能良好,与室内TRD系统匹配程度高;(2)随钻参数在岩层界面处响应明显,基于现场SDT系统测试的岩体等效单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角与室内岩石力学测试结果的平均差值率均小于15%;(3)基于现场SDT系统测试的注浆后破碎岩层等效单轴抗压强度为注浆前的3.5倍。现场SDT系统可有效实现岩层界面准确识别、岩体等效力学参数实时测试和破碎岩体注浆效果定量评价。

注浆岩体强度随钻评价试验研究

复杂条件地下硐室安全控制的难点在于破碎围岩的有效支护,锚注支护是破碎围岩有效控制的主要手段,注浆后的岩体强度是锚注支护参数合理设计优化的重要依据。目前对于注浆岩体强度的定量测试评价方法研究较少,数字钻进测试技术为实现注浆岩体强度的定量获取提供了新思路,其关键在于建立数字钻进参数与注浆岩体强度参数的定量关系。基于此,本文以厚冲积层高应力矿井——万福煤矿为工程背景,利用研发的岩体数字钻进试验系统,开展注浆岩体数字钻进试验,讨论分析不同水灰比及不同岩体粒径因素对钻进参数、切削能量和抗压强度的响应规律。在此基础上,结合回归分析方法,得到数字钻进PDC钻头条件下的钻进能耗系数和钻进能耗常数,以及钻进岩体破碎系数,建立基于能量分析的注浆岩体钻进参数与等效强度定量关系模型(EDP-ECS模型),提出注浆岩体等效强度随钻评价方法。本文研究为基于数字钻进测试实现地下工程注浆围岩强度的定量评价提供了理论与方法基础。

岩体力学参数旋切钻进测试方法研究进展

岩体力学参数的准确获取是矿山巷道围岩稳定性分析与支护设计的前提,传统采用围岩取心进行实验室测试的方法,难以适应煤矿深部开采与智能化发展对岩体力学参数获取的时效性要求。数字钻进测试技术是一种利用钻孔过程中实时监测的钻速、转速、钻压、扭矩等随钻参数对岩体力学参数进行反分析的方法,该方法为实现巷道现场围岩力学参数的原位实时获取提供了新途径,其关键在于建立随钻参数与岩体力学参数的定量关系,并研发与随钻测试理论相匹配的智能钻进设备。设计研发了数字解析钻头,得到了基于旋切钻进参数的岩体切削强度与切削能量理论解,建立了岩体抗压强度与弹性模量随钻反演模型。研发了真三轴岩体数字钻进试验系统(TRD系统)和高精度岩体智能旋切试验系统(RCT系统),开展了系列岩体数字钻进试验。在此基础上,研发了智能地质随钻探测系统(IDE系统),建立了巷道围岩力学参数随钻原位探测方法。研究成果为巷道围岩原位实时智能感知提供了理论与技术支撑。

深部软岩硐室群破坏机制与施工过程优化

为了降低深部软岩硐室群施工过程互扰影响,以厚冲积层矿井万福煤矿为工程背景,对井底车场在扰动影响下的围岩变形发展模式、松动范围扩展规律、锚索承载有效性进行了监测与分析.在此基础上,开展了煤仓硐室群不同断面尺寸、不同间距、不同开挖次序下施工过程数值模拟,建立了围岩表征变形量、围岩表征变形增量等评价指标,明确了硐室群扰动影响机制,得到了煤仓硐室群最优开挖次序.利用本文结论指导了现场施工.结果表明:煤仓硐室群采用最优开挖方案后,围岩最大变形量168mm,满足工程建设需求.