一种工程岩体力学特性的快速测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种围岩的快速测试方法，特别是一种工程岩体力学特性的快速测试方法。
【背景技术】
[0002]由于原位测试技术可克服室内试验扰动性、尺寸效应、无法保持岩体原有结构、原有含水率及原有应力状态等缺点，逐渐发展成为一种重要的岩体力学参数取值手段。目前，煤矿工程岩体性质测试多采用实验室岩块测试，弹模仪、剪切仪是常用的原位测试工具，弹模仪可以测取岩体的弹性模量，剪切仪可以测取岩体的内摩擦角、内聚力。
[0003]煤矿因其特殊性，巷道顶底板岩层的确切界限无法确定，受采掘扰动影响，巷道围岩并非完整，围岩内存在离层、破碎区。成像仪能直观、清晰显示钻孔内岩层层理、节理、裂隙等结构面发育状况及其破坏特征，因此被广泛用于煤矿领域，作为巷道支护设计中地质条件评估的重要手段。若将剪切仪、弹模仪应用于煤矿，须先确定实验测点的岩性及构造、破坏状态，成像仪是其重要的辅助手段。在工作面采动影响下，巷道受超前支承压力作用，围岩变形增大，裂隙发育，破碎程度增大，完整性变差，岩体力学性质也发生一定变化，若能测得采动影响下的巷道围岩岩体力学参数及破坏特征，在掘巷初期加以考虑，设计足够的支护强度，便可以将围岩变形控制在合理范围内，有利于矿井安全高效生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要提供一种工程岩体力学特性的快速测试方法，采动影响下巷道围岩工程力学特性及破坏特征的快速测试，获得岩体内摩擦角，内聚力，弹性模量及破坏特征及随工作面推进的变化情况，为巷道支护方案设计、巷道支护效果评价、补强支护方案设计提供依据。
[0005]本发明的目的是这样实现的，快速测试方法具体步骤如下:
[0006]步骤一、确定各钻孔位置，钻孔在巷道中距工作面不同距离布置；所述的不同距离为沿工作面前方应力增高区至应力不变区；
[0007]步骤二、利用成像仪进行钻孔窥视，并记录岩层分界线及钻孔孔壁完整段、破碎段深度范围，保存钻孔窥视录像文件；
[0008]步骤三、根据钻孔窥视状况，选择钻孔孔壁岩石完整段作为弹模仪器、剪切仪器实验点；
[0009]步骤四、进行钻孔弹模、剪切实验，记录钻孔编号，测点深度，测点岩性，及应力、弹模实验的位移，法向应力、剪切试验的切向应力；
[0010]步骤五、实验数据分析:处理实验数据，通过不同钻孔数据对比分析，获得不同工作面采动程度影响，包括微弱采动影响情况下巷道围岩工程力学的弹性模量、内摩擦角、内聚力特性、破坏特征及其间的联系。
[0011]有益效果:本方法将钻孔弹模仪、剪切仪引进到煤矿领域，结合成像仪对巷道围岩工程力学特性及破坏特征在进行测试，考虑了工作面回采对巷道围岩破坏及岩体力学参数的影响，可克服室内试验扰动性、尺寸效应、无法保持岩体原有结构、原有含水率及原有应力状态等缺点，对巷道支护设计、支护效果评价、补强支护设计等具有重要指导意义。优点:用时短，数据可靠性大大提高。
【附图说明】
[0012]图1是弹模仪示意图。
[0013]图2是剪切仪示意图。
[0014]图3是成像仪示意图。
[0015]图中，1-探头，2-仪表盘，3-推杆，4-线缆，5-高压油路，6-手动高压栗，7-调平托盘，8-千斤顶，9-固定螺母，10-深度编码器，11-线盘。
【具体实施方式】
[0016]快速测试方法具体步骤如下:
[0017]步骤一、确定各钻孔位置，钻孔在巷道中距工作面不同距离布置；所述的不同距离为沿工作面前方应力增高区至应力不变区；
[0018]步骤二、利用成像仪进行钻孔窥视，并记录岩层分界线及钻孔孔壁完整段、破碎段深度范围，保存钻孔窥视录像文件；
[0019]步骤三、根据钻孔窥视状况，选择钻孔孔壁岩石完整段作为弹模仪器、剪切仪器实验点；
[0020]步骤四、进行钻孔弹模、剪切实验，记录钻孔编号，测点深度，测点岩性，及应力、弹模实验的位移，法向应力、剪切试验的切向应力；
[0021]步骤五、实验数据分析:处理实验数据，通过不同钻孔数据对比分析，获得不同工作面采动程度影响，包括微弱采动影响情况下巷道围岩工程力学的弹性模量、内摩擦角、内聚力特性、破坏特征及其间的联系。
[0022]该方法通过成像仪得到巷道围岩地质特征与破坏特征，通过剪切仪、弹模仪得到巷道围岩弹性模量、内摩擦角、内聚力；
[0023]该方法通过钻孔窥视得到的钻孔孔壁特征为弹模仪、剪切仪实验选点提供依据。
[0024]该方法通过在巷道中布置距工作面不同距离(沿工作面前方应力增高区至应力不变区)的一系列钻孔，确定不同采动程度影响下巷道围岩弹性模量、内摩擦角、内聚力及破坏特征及其内在联系。
[0025]实施例1:方法步骤如下:
[0026](1)第一步:确定各钻孔位置
[0027]钻孔在巷道中距工作面不同距离(沿工作面前方应力增高区至应力不变区)布置，例:在巷道顶板布置钻孔5个，距离工作面距离分别为:5m，15m，30m，50m，80m，钻孔布置在巷道顶板，直径76_，孔深7m，成孔后立即进行测试。
[0028](2)第二步:利用成像仪进行钻孔窥视
[0029]通过3推杆不断推进1探头，拍摄影像由4线缆传输到2仪表盘，由仪表盘可直接观测到孔壁岩石层理、节理、裂隙发育状况及其所处的位置，在推杆过程中(纸笔)记录岩层分界线及钻孔孔壁完整段、破碎段深度范围，钻孔窥视结束后保存数据文件。
[0030](3)第三步:确定钻孔弹模、剪切试验点
[0031]根据步骤二中钻孔窥视记录，选择钻孔孔壁完整段作为弹模仪器、剪切仪器实验点，一个测点只能做一次弹模实验或剪切实验，剪切实验可以在同一深度旋转45°以获得最多4个测点，测点数应尽量多，以平衡随机误差(弹模实验1个测点获得1组数据，剪切实验施加不同法向应力的4个或以上测点获得一组数据)；
[0032](4)第四步:进行钻孔弹模、剪切试验
[0033]依次进行钻孔弹模、剪切实验，记录钻孔编号，测点深度，测点岩性及仪器数据。弹模实验:通过3推杆将1探头送至选定试验点，通过6手动高压栗给予初始应力使探头固定，逐级加压至最大应力(例:2Mpa，5Mpa，lOMpa...，最大应力视岩性而定)、逐级减压(至OMpa)，通过仪表盘2记录应力值及对应位移，卸压回油，重复上述步骤直至全部测点结束；剪切实验:通过推杆3将探头送至选定试验点，通过6手动高压栗施加法向应力使探头固定，依次安装7调平托盘、8千斤顶、9固定螺母，继续栗压至预设法向应力值，施加切向应力，记录最大切应力值及对应法向应力值，卸压回油，进行下一测点测试，直至全部测点结束。
[0034](5)第五步:实验数据分析
[0035]绘制应力-位移曲线(弹模实验)与法向应力-切向应力曲线(剪切实验)并计算得出弹性模量、内摩擦角、内聚力，根据钻孔窥视录像、孔壁展开图对岩层层理、节理、裂隙等结构面发育状况及其破坏特征进行分析，通过不同钻孔数据对比分析，获得不同工作面采动程度影响下(包括微弱采动影响情况)巷道围岩工程力学特性(弹性模量、内摩擦角、内聚力)、破坏特征及其间的联系。
【主权项】
1.一种工程岩体力学特性的快速测试方法，其特征是:快速测试方法具体步骤如下:步骤一、确定各钻孔位置，钻孔在巷道中距工作面不同距离布置；所述的不同距离为沿工作面前方应力增高区至应力不变区； 步骤二、利用成像仪进行钻孔窥视，并记录岩层分界线及钻孔孔壁完整段、破碎段深度范围，保存钻孔窥视录像文件； 步骤三、根据钻孔窥视状况，选择钻孔孔壁岩石完整段作为弹模仪器、剪切仪器实验占.V， 步骤四、进行钻孔弹模、剪切实验，记录钻孔编号，测点深度，测点岩性，及应力、弹模实验的位移，法向应力、剪切试验的切向应力； 步骤五、实验数据分析:处理实验数据，通过不同钻孔数据对比分析，获得不同工作面采动程度影响，包括微弱采动影响情况下巷道围岩工程力学的弹性模量、内摩擦角、内聚力特性、破坏特征及其间的联系。
【专利摘要】一种工程岩体力学特性的快速测试方法，属于工程测试方法。方法：(1)确定各钻孔位置，钻孔在巷道中距工作面不同距离布置、(2)利用成像仪进行钻孔窥视、(3)根据钻孔窥视状况，确定弹模仪器、剪切仪器实验点、(4)进行钻孔剪切、弹模实验、(5)实验数据分析。该方法在巷道中钻孔，通过钻孔窥视仪得到钻孔内结构面发育状况及其破坏特征，并作为弹模、剪切实验选点依据，通过弹模、剪切仪器测得岩体弹性模量、内摩擦角、内聚力，通过不同钻孔数据分析对比，确定不同采动程度影响下巷道围岩弹性模量、内摩擦角、内聚力及破坏特征及其内在联系。对巷道支护及效果分析、补强支护设计等具有重要指导意义，该方法简单直便，用时短，数据可靠。
【IPC分类】G01N3/24, G01N3/08, E21B47/00
【公开号】CN105259051
【申请号】CN201510785947
【发明人】姚强岭, 李学华, 王文韬, 谭英明, 王傲, 梁顺, 卫斐, 陈 田
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月16日