专利名称：一种巷道底鼓主控应力测量的方法
技术领域：
本发明专利涉及一种巷道底鼓主控应力测量的方法。
背景技术：
随着水利水电、公路隧道及地下资源开采等岩土工程施工规模和作业深度的不断扩大，其所面临的各种工程问题也日益严重。其中以各种硐室及巷道开挖过程中因巷道严重变形对工程进度及人员安全的影响最为严重。以煤矿为例，我国煤矿开采深度正以每8 12m的速度增加，东部矿井开采深度正以每年10 25m的速度发展,可以预计在未来20a内我国很多煤矿将进入到1000 1500m的深度。随着开采深度的增加，巷道围岩变形量大(一般在500mm以上，有些巷道的位移高达3000mm以上，如淮南、铁法小康等矿区，金川镍钼矿区)，巷道维护普遍比较困难。据统计在底板不支护的深部开采中，巷道顶底板移近量的2/3 3/4是底鼓引起的，底鼓造成的巷道维修量占维修总量的50%。浅部资源的枯竭，转入深部开采势在必行。巷道围岩控制巷道底鼓的有效控制是深部资源开采中的首要问题和关键问题。而弄清造成巷道底鼓的主控应力是优化设计及控制技术选择的前提和基础。然而，由于深部复杂的地质条件和应力环境，不仅岩体的力学性质较浅部地下工程发生变化，其原岩应力的状态也将发生较大变化。为此，需要对巷道底板主受力层的应力大小及方向进行实测，明确巷道底鼓的类型和主要影响因素，进而开展有针对性的防治措施。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于回采工作面巷道受采动应力影响所造成底鼓评估，为巷道底鼓原因分析、开采设计及防治措施的选择提供依据的巷道底鼓主控应力测量的方法。为实现上述目的，本发明一种巷道底鼓主控应力测量的方法，具体为
1)通过地质综合柱状图弄清底板的主受力层，在采掘平面图上选取受采掘活动较小的待测区域；
2)采用钻机在巷道底板上同一钻孔先后钻取不同孔径的两个同心钻孔，钻孔深度达到底板主受力层，在钻孔内用定向仪同向安装内置三组应变花的改进型空芯包体应力计，采用套孔应力解除法完成对未采前巷道底板的主受力层的原始所受应力的大小及方向的测量;
3)在其附近的底板及巷帮围岩底脚处的围岩体内采用煤电钻钻取两个钻孔，钻孔内安装两个钻孔应力计，其中，垂直安装在底板上的钻孔应力计，深度要达到底板主受力层内，测量回采过程中巷帮岩体受采动应力影响而传递给底板端部应力的大小；水平安装在巷帮围岩底脚处的钻孔应力计深入围岩的距离为巷道宽度的1. 2-1. 5倍，测量回采过程中采动应力对底板主受力层的作用力大小； 通过对初始安装在巷道主力层内的空芯包体应力计进行解除，获得采后底板主受力层所受应力的大小及方向；通过对比未采动前初始主受力层的应力状态，进而评估造成巷道底鼓的主控应力，确定巷道底鼓的类型。进一步,所述步骤2)中两个同心钻孔的直径分别为130mm和28mm。进一步，所述步骤3)中钻孔的直径为42mm。进一步，所述步骤3)中通过手动液压泵使钻孔应力计上的钢枕与围岩接触，记录此时的初始应力值；随着工作面的回采，巷道围岩的应力会在采动应力影响下重新分布，待回采工作面推过钻孔应力计位置后，钻孔应力计停止记录。进一步，待回采结束后，采用套孔应力解除法对最初并排同向安装在巷道底板主受力层内的所述空芯包体应力计进行解除，测得回采后巷道底板主受力层所受应力的变化,记录此时的应力大小及方向。进一步，待采后巷道底板主受力层的应力状态测量完成后，分别对回采前后底板及巷帮底脚处所述钻孔应力计随回采过程的应力变化进行对比，获得采动应力对巷道围岩底板的垂直应力增量及底板主受力层采动水平应力增量。进一步，对回采前后经所述空芯包体应力计测得的底板主受力层应力大小及方向进行对比，分析其受力大小方向的变化；如果采动前后主受力层大小及方向变化不大，说明造成巷道底鼓的主控应力为初始所测的原岩地应力，对于深部地下工程，为以水平应力为主的构造应力；如果测定结果仅大小变化较大而方向未变，则说明造成巷道底鼓的主控应力为采动应力；若大小及方向均发生变化，则说明造成巷道底鼓的主控应力为原岩应力与采动应力的耦合应力。进一步，所述改进型空芯包体应力计包括用环氧树脂制成的空心圆筒及三个电阻应变花，在空心圆筒的中间部位沿同一圆周等间距嵌埋着三个电阻应变花，每个电阻应变花由四支应变片组成，相互间隔45°。进一步，所述电阻应变花包括周向三支A90、B90、C90应变片，轴向三支AO、B0、CO应变片，与轴线成+45°方向三支A+45、B+45、C+45应变片，以及与轴线成-45°方向三支A-45、B-45、C-45应变片，其中，AO、B0、CO应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量轴向应变，A90、B90、C90应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量周向应变，A+45、B+45、C+45应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成+45°方向应变，A-45、B-45、C-45应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成-45°方向应变。进一步，所述钻孔应力计为KSE-11-1型钻孔应力计。本发明解决了深部地下工程资源开采过程中，在“三高一扰动”环境下，巷道底鼓严重而影响因素复杂难以判断的的问题，不但可以实现对巷道底板地应力的测试，为矿井采掘布置和支护设计提供参考，测定了采动应力的大小，也可对工作面回采后，造成巷道底鼓的主控应力的大小及方向进行评估，确定底鼓类型。
图1为改进型空心包体应变计结构 图2为改进型空心包体应变计电阻应变片排列图； 图3为空芯包体套孔应力解除过程示意 图4为KSE-11-1型钻孔应力计结构示意图。
具体实施例方式下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下” “左” “右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。本发明一种巷道底鼓主控应力测量的方法，借助于地质综合柱状图和相关地质力学资料，弄清巷道底板的主受力层。通过煤电钻机在底板上打孔至主受力层并用定向仪在巷道底板主受力层内并排同向安装两个内置三组应变花的改进型空芯包体应力计，通过套孔应力解除法对其中一个应力计进行解除，完成对巷道底板主受力层所在位置原岩应力的大小及方向进行测定。之后，在测点附近位置的底板及巷帮底脚处分别安装钻孔应力计，采用油压泵撑起液压钢枕使其与孔壁接触，记录此时的初始相对应力值。随着工作面的推进所产生的采动应力将造成围岩应力重新分布，记录两个钻孔应力计的相对应力变化，待工作面推过后，完成对第二个空芯包体应力计的解除，测定采动影响后巷道底板主受力层的地应力大小和方向，通过对比钻孔应力计及巷道底板主受力层回采前后应力的变化得出造成巷道底鼓的主控应力大小及方向。本发明的具体步骤为首先借助地质综合柱状图弄清底板的主受力层，在采掘平面图上选取受采掘活动较小的待测区域。采用钻机在巷道底板上同一钻孔先后钻取直径分别为130mm和28mm的两个同心钻孔，钻孔深度达到底板主受力层。利用定向仪安装内置有三组应变片的改进型空芯包体应力计在底板主受力层内，采用套孔应力解除法完成对未采前巷道底板的主受力层的原始所受应力的大小及方向的测量，为工作面回采后底版主受力层在原岩应力与采动应力耦合作用下的受力评估提供对比所需原始数据。通过套孔应力解除法获得未采动前巷道底板主受力层的初始应力大小及方向后，由于类似简支梁结构，巷道底板的主受力层端部也会因覆岩自重应力及采动应力叠加作用而发生屈曲变形，诱发底鼓。为此，在其附近的底板及巷帮围岩底脚处的围岩体内采用煤电钻钻取两个直径为42_的钻孔，孔内安装两个钻孔应力计。(如果巷道一侧存在煤柱，在煤柱的底脚处也需安装一个钻孔应力计)其中，垂直安装在底板上的钻孔应力计，深度要达到底板主受力层内。水平安装在巷帮围岩底脚处的钻孔应力计深入围岩的距离为巷道宽度的1. 2-1. 5倍，并通过手动液压泵使钻孔应力计上的钢枕与围岩接触，记录此时的初始应力值。随着工作面的回采，巷道围岩的应力会在采动应力影响下重新分布，待回采工作面推过钻孔应力计位置后，钻孔应力计停止记录。
待回采结束后，采用套孔应力解除法对最初并排同向安装在巷道底板主受力层内的另一个空芯包体应力计进行解除，测得回采后巷道底板主受力层所受应力的变化，记录此时的应力大小及方向。待采后巷道底板主受力层的应力状态测量完成后，分别对回采前后底板及巷帮底脚处钻孔应力计随回采过程的应力变化进行对比，获得采动应力对巷道围岩底板的垂直应力增量及底板主受力层采动水平应力增量。对回采前后经空芯包体应力计测得的底板主受力层应力大小及方向进行对比，分析其受力大小方向的变化。如果采动前后主受力层大小及方向变化不大，说明造成巷道底鼓的主控应力为初始所测的原岩地应力，对于深部地下工程，多为以水平应力为主的构造应力。如果测定结果仅大小变化较大而方向未变，则说明造成巷道底鼓的主控应力为采动应力。若大小及方向均发生变化，则说明造成巷道底鼓的主控应力为原岩应力与采动应力的耦合应力。根据不同的巷道底鼓主控应力类型进行底鼓防治措施的选择。本发明的有益效果在于1、能够满足现代水利水电、隧道地铁以及深部地下资源开采过程中，复杂应力场下造成巷道底板地应力的大小及方向，为矿井采掘布置和支护设计提供参考。2、能够对造成巷道底鼓的主控应力进行区分。由于造成巷道底鼓的应力基本可分为原岩应力及采动应力，通过对比回采前后底板主受力层应力状态的变化及回采前后钻孔应力计的变化，得出造成巷道底鼓的主控应力类型，为巷道底板受力分析及支护强度的设计提供依据。3、通过对巷道底鼓主控应力的测量，不仅可以指导工作面布置及巷道支护强度设计，也可以对所测区域地应力的类型进行评估，对于提供资源采出率、节约支护成本及避免各种动力灾害具有重要意义。实施例一新疆四棵树煤矿二号斜井巷道底鼓主控应力测量(浅部巷道底鼓) 新疆乌苏四棵树煤矿始建于1952年，位于乌苏市西南41km处，行政区划属乌苏县白杨
沟镇。2000年改制成立乌苏四棵树煤炭有限责任公司。二号斜井1992年投产，井田面积约1. 1754km2，“十一五”期间改扩建现核定生产能力为60万t/年，井田构造简单，煤层倾角小，埋藏浅；水小，低瓦斯，开采技术条件较有利。现核定生产能力为60万t/年，是四棵树煤炭有限公司的主力生产矿井之一。二号斜井北区A504工作面采用走向长壁式回采方法，主采煤层A5煤层平均后5m，煤的单轴抗压强度为10. 99MPa，抗拉强度为O. 82MPa，属于中硬煤层。顶板的单轴抗压强度为13. 99MPa，抗拉强度为O. 92MPa，属于来压较为明显，顶板节理较为发育的复合型顶板，底板单轴抗压强度为21. 27MPa，抗拉强度1. 49MPa。巷道采用锚网索+工字钢棚支护。在回采过程中，工作面巷道矿压显现强烈，运输顺槽、轨道顺槽巷道变形量大，底鼓严重，巷道经常需要落地返修，极大的影响了煤矿的安全生产。然而，由于矿井正位于北天山脚下，构造较发育，导致区域应力影响复杂，很难确定造成巷道底鼓的主控应力，即是采动应力还是构造应力引起的。为此，采用本专利测试方法进行研究。首先，在A504工作面轨道顺槽附近的卸压硐室内(受工程扰动影响相对较小的区域)，在底板的厚硬砂质泥岩内安装两个空心包体，记录初始的安装方向，并通过套孔应力解除法对一个空芯包体进行应力解除，获得初始的应力大小及方向。分别为13.42MPa，方向为181. 43°，倾角为-90.28°。同时，在卸压硐室对面的煤层巷帮腰线附近及底脚内安装两个钻孔应力计，压力枕方向与竖直方向垂直。随着工作面的推进，记录钻孔应力计的数据。分析测得二号斜井A504工作面运输顺槽超前支承应力影响范围为13-19m，煤体内的相对峰值应力值为9.4-16MPa，相对于初始应力，其应力集中系数为1.80-2.07。底板钻孔应力计的峰值应力为9.3-17.8MPa，应力集中系数为2.23-2.8。此时，对卸压硐室内的另一个空芯包体进行应力解除，获得解除其最大应力值为14.88MPa，方向为208.V，倾角为-91.54。。见表 I。表1:二号斜井底鼓主控应力各测点实测值
权利要求
1.一种巷道底鼓主控应力测量的方法，其特征在于，该方法具体为: 1)通过地质综合柱状图弄清底板的主受力层，在采掘平面图上选取受采掘活动较小的待测区域； 2)采用钻机在巷道底板上同一钻孔先后钻取不同孔径的两个同心钻孔，钻孔深度达到底板主受力层，在钻孔内用定向仪同向安装内置三组应变花的改进型空芯包体应力计，采用套孔应力解除法完成对未采前巷道底板的主受力层的原始所受应力的大小及方向的测量; 3)在其附近的底板及巷帮围岩底脚处的围岩体内采用煤电钻钻取两个钻孔，钻孔内安装两个钻孔应力计，其中，垂直安装在底板上的钻孔应力计，深度要达到底板主受力层内，测量回采过程中巷帮岩体受采动应力影响而传递给底板端部应力的大小；水平安装在巷帮围岩底脚处的钻孔应力计深入围岩的距离为巷道宽度的1.2-1.5倍，测量回采过程中采动应力对底板主受力层的作用力大小； 通过对初始安装在巷道主力层内的空芯包体应力计进行解除，获得采后底板主受力层所受应力的大小及方向；通过对比未采动前初始主受力层的应力状态，进而评估造成巷道底鼓的主控应力，确定巷道底鼓的类型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中两个同心钻孔的直径分别为130mm 和 28mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中钻孔的直径为42mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中通过手动液压泵使钻孔应力计上的钢枕与围岩接触，记录此时的初始应力值；随着工作面的回采，巷道围岩的应力会在采动应力影响下重新分布，待回采工作面推过钻孔应力计位置后，钻孔应力计停止记录。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待回采结束后，采用套孔应力解除法对最初并排同向安装在巷道底板主受力层内的所述空芯包体应力计进行解除，测得回采后巷道底板主受力层所受应力的变化，记录此时的应力大小及方向。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待采后巷道底板主受力层的应力状态测量完成后，分别对回采前后底板及巷帮底脚处所述钻孔应力计随回采过程的应力变化进行对t匕，获得采动应力对巷道围岩底板的垂直应力增量及底板主受力层采动水平应力增量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对回采前后经所述空芯包体应力计测得的底板主受力层应力大小及方向进行对比，分析其受力大小方向的变化；如果采动前后主受力层大小及方向变化不大，说明造成巷道底鼓的主控应力为初始所测的原岩地应力，对于深部地下工程，为以水平应力为主的构造应力；如果测定结果仅大小变化较大而方向未变，则说明造成巷道底鼓的主控应力为采动应力；若大小及方向均发生变化，则说明造成巷道底鼓的主控应力为原岩应力与采动应力的耦合应力。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改进型空芯包体应力计包括用环氧树脂制成的空心圆筒及三个电阻应变花，在空心圆筒的中间部位沿同一圆周等间距嵌埋着三个电阻应变花，每个电阻应变花由四支应变片组成，相互间隔45°。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电阻应变花包括周向三支A90、B90、C90应变片，轴向三支AO、B0 、CO应变片，与轴线成+45°方向三支A+45、B+45、C+45应变片，以及与轴线成-45°方向三支A-45、B-45、C-45应变片，其中，Α0、Β0、CO应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量轴向应变，A90、B90、C90应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量周向应变，A+45、B+45、C+45应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成+45°方向应变，A-45、B-45、C-45应变片是在孔周互成120°的三个位置独立测量与轴线成-45°方向应变。
10.如权利要求1所述的方法， 其特征在于，所述钻孔应力计为KSE-11-1型钻孔应力计。
全文摘要
本发明公开了一种巷道底鼓主控应力测量的方法，通过在巷道底板主受力层内并排同向安装两个空芯包体应力计，采用套孔应力解除法对巷道底板主受力层所在位置原岩应力的大小及方向进行测定，在测点附近底板及巷帮底脚处分别安装钻孔应力计，记录工作面回采前后应力计的相对应力值变化，待工作面推过后，完成对采动影响后巷道底板主受力层的地应力测量，通过对比钻孔应力计及巷道底板主受力层回采前后应力的变化得出造成巷道底鼓的主控应力大小及方向。
文档编号G01L1/22GK103076119SQ20121058219
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者赵善坤, 齐庆新, 欧阳振华 申请人:煤炭科学研究总院