一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法与流程

1.本发明涉及矿山技术领域，具体涉及一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法。


背景技术：

2.在大规模、高强度煤炭开采中存在着采区大范围顶板切落和溃水溃砂等重大地质灾害、以及水土流失等环境损伤问题，尤其是溃水溃砂问题将造成财产损失及人员伤亡、严重影响矿井安全生产。
3.溃水溃砂是近松散层采掘时含砂量较高的水砂混合流体溃入井下工作面的一种矿井地质灾害；造成的原因主要是在覆岩破坏带影响下，含水层及基岩风化带容易发生渗透变形与破坏，因此为保证开采的安全，通常对工作面、覆岩实施注浆改造治理工程。
4.注浆改造工程实施后，相关的水文地质条件、覆岩岩土体工程地质条件以及溃水溃砂危险性等均发生明显变化，注浆加固后岩体完成程度较好，呈现强胶结状态，岩体强度明显提高，同时不同于岩石本身脆性变形破坏，注浆加固岩体具有一定的抗变形能力，可以很好的适应采动过程中产生的大变形，减少溃水溃砂的危害，因此注浆加固岩层抗变形能力直接关系到矿井安全生产；
5.然而，目前针对预防溃水溃砂区超前治理进行的注浆岩体抗变形能力的评价较少，一些评价方法只是考虑注浆材料、岩体岩性等因素，而忽略其之间相互作用等因素，影响因素的缺失将直接造成评价的不准确，并且一些评价方法无法对注浆岩体抗变形能力的结果进行量化，无法准确的评价注浆加固后覆岩岩土体抗变形能力。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法，不仅综合多种因素实现对注浆岩体抗变形能力得评价，避免影响因素的缺失将造成评价的不准确，而且实现对评价结果的量化，更加可靠合理。
7.为实现上述目的，本一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法，具体包括以下步骤：
8.步骤一，获取覆岩岩层裂隙空间分布规律，建立包括裂缝宽度、水平倾角的覆岩裂隙三维地质模型，建立注浆岩体单元地质模型；
9.步骤二，根据目标岩层各个钻孔岩芯的rqd指标、节理数量jn、节理粗糙度jr、节理倾角α，计算目标岩层的岩体质量标准q；
10.步骤三，选择合适得注浆材料，以应变软化指数作为评价注浆固结体抗变形能力的参数，对多组注浆固结体进行压缩试验，计算每组注浆固结体应变软化指数ds，并得到多组固结体应变软化指数ds的平均值ds'；
11.步骤四，以失稳断裂韧度作为评价目标岩石的抗变形能力的参数，选取多组所注浆的目标岩石，计算每组岩石的失稳断裂韧度并获得多组失稳断裂韧度的平均值
12.步骤五，获取注浆岩体的渗透系数k1,判定其渗透强度jw；
13.步骤六，计算得到注浆岩体抗变形能力评价指数r，其计算公式为
[0014][0015]
根据计算值确定注浆岩体抗变形能力评价指数r的等级。
[0016]
进一步的，步骤二中目标岩层的岩体质量标准q值的计算公式为
[0017][0018]
其中，n为目标岩层的钻孔数量。
[0019]
进一步的，步骤三中每组注浆固结体应变软化指数s，计算公式为
[0020][0021]
其中：
△
ε1为轴向应变增量，指应力应变曲线的峰值强度后3％应变；
△
q是偏应力的相应增量；
[0022]
多组注浆固结体应变软化指数ds的平均值d's的计算公式为：
[0023][0024]
其中：m为获取注浆固结体压缩试验的组数。
[0025]
进一步的，步骤四失稳断裂韧度的计算公式为：
[0026][0027][0028][0029]
其中，f
hmax
为最大水平荷载；t为注浆岩体厚度；h注浆岩体高度；α0为注浆裂隙有效长度；a、b、c为试验参数；
[0030]
多组失稳断裂韧度的平均值计算公式为：
[0031][0032]
其中：n为选取所注浆的目标岩石的组数。
[0033]
进一步的，步骤五中注浆岩体的渗透强度jw，取值范围为
[0034]
[0035]
进一步的，所述注浆岩体抗变形能力评价指数r的等级划分如下：
[0036]
当r的计算结果范围为0≤r《0.25时，则表明注浆岩体抗变形能力好；
[0037]
当r的计算结果范围为0.25≤r《0.5时，则表明注浆岩体抗变形能力较好；
[0038]
当r的计算结果范围为0.5≤r≤4.5时，则表明注浆岩体抗变形能力较差；
[0039]
当r的计算结果范围为r》4.5时，则表明注浆岩体抗变形能力差。
[0040]
与现有技术相比，本发明提供的一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法由于采用注浆岩体质量参数来表征岩体的完整性及注浆体在岩体中所占比重，采用注浆固结体的抗变形能力来表征注浆体的韧性，采用完整岩石的断裂韧度来表征岩石本身的失稳强度，采用注浆岩体的渗透强度来表示岩石与注浆体之间的相互作用，综合上述多种因素将注浆岩体抗变形能力作为评价对象，能够准确的评价注浆加固后覆岩岩土体抗变形能力，避免影响因素的缺失造成评价的不准确；另外对注浆岩体抗变形能力评价指数r的计算结果进行四个等级划分，能够形象使得数据与结果进行对等，实现对评价结果的量化，更加可靠合理。
附图说明
[0041]
图1是本发明的整体示意图；
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0043]
如图1所示，本一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法，具体包括以下步骤：
[0044]
步骤一，获取覆岩岩层裂隙空间分布规律，建立包括裂缝宽度、水平倾角的覆岩裂隙三维地质模型，建立注浆岩体单元地质模型；
[0045]
具体的为，比如采用钻孔、现场调查等方法获取覆岩岩层裂隙空间分布规律；
[0046]
三维地质模型可为后续目标岩层提供数据，比如计算岩层的rqd平均值，同时也可以根据三维地质模型中岩层破碎程度划分不同区域，分别评价不同区域的注浆岩体的柔性等级；
[0047]
注浆岩体单元地质模型则为后续测试注浆岩体的渗透系数、渗透强度提供地质模型。
[0048]
步骤二，根据目标岩层各个钻孔岩芯的rqd指标、节理数量、节理粗糙度、节理倾角，获得目标岩层平均rqd指标、平均节理数量、节理粗糙度、平均节理倾角，并计算目标岩层的岩体质量标准q；
[0049]
具体的为，岩芯的rqd指标是指岩芯中长度等于或大于10cm的岩芯的累计长度占钻孔进尺总长度的百分比；
[0050]
对目标岩层进行多孔钻孔以进行注浆，对各个钻孔取样进行统计，获得每个钻孔的钻孔岩芯的rqd指标、节理数量jn及粗糙度jr、节理倾角α；
[0051]
其多个钻孔相应的平均值，计算如下：
[0052]
[0053][0054][0055][0056]
其中，n为目标岩层的钻孔数量；
[0057]
进一步的，目标岩层的岩体质量标准q值的计算公式为
[0058][0059]
或者为
[0060][0061]
步骤三，选择合适的注浆材料，对多组注浆固结体进行压缩试验，获得每组应力应变曲线，计算每组注浆固结体应变软化指数ds，并得到多组固结体应变软化指数ds的平均值d's；
[0062]
具体的为，用注浆固结体的抗变形能力来表征注浆体本身的韧性，并采用应变软化指数ds来评估注浆固结体的抗变形能力；
[0063]
在压缩试验中选取多组注浆液固结体，以避免计算单一试验造成计算结果误差较大，获得每组试验结果中应力应变曲线，注浆固结体应变软化指数ds是指注浆固结体应力应变曲线的峰值强度后3％应力应变曲线经过线性拟合后的斜率，用来评估注浆固结体应变软化指数ds；相应的计算公式为：
[0064][0065]
其中：
△
ε1为轴向应变增量，指应力应变曲线的峰值强度后3％应变。
△
q是偏应力的相应增量。应变软化应力-应变曲线显示ds应为负值，ds越小，软化程度越大，一定程度上也可以放映出材料的柔性变形能力越大。
[0066]
因此多组注浆固结体应变软化指数ds的平均值d's的计算公式为：
[0067][0068]
其中：m为获取注浆固结体压缩试验的组数；
[0069]
步骤四，选取多组所注浆的目标岩石，计算每组岩石的失稳断裂韧度并获得多组失稳断裂韧度的平均值
[0070]
具体的为，断裂韧度是能表征材料自身属性的参数，能表征宏观裂缝扩展的韧性。双k断裂韧度准则是以线弹性断裂力学为基础，并结合虚拟裂缝模型的断裂模型，双k断裂模型包括应力强度因子k和断裂韧度kc，用此两个基本参数来描述岩石材料本身断裂的全
过程；
[0071]
起裂韧度是用来评价材料抵抗裂缝出现的能力，通常当材料的应力强度因子达到起裂韧度时，材料开始产生裂缝，并从弾性变形阶段进入塑性变形阶段。失稳断裂韧度是材料裂缝开始失稳扩展的极限值，当时，裂缝处于稳定扩展阶段；
[0072]
对于采动覆岩，当岩体裂隙达到失稳扩展阶段时，覆岩完全失去其抗变形能力，发生破坏，故而采用失稳断裂韧度作为评价目标岩石的抗变形能力的参数；
[0073]
失稳断裂韧度的计算公式为：
[0074][0075][0076][0077]
其中，f
hmax
为最大水平荷载，单位：kn；t为注浆岩体厚度，单位：m；h注浆岩体高度，单位：m；α0为注浆裂隙有效长度，单位：m；a、b、c为试验参数；
[0078]
因此多组失稳断裂韧度的平均值计算公式为：
[0079][0080]
其中：n为选取所注浆的目标岩石的组数；
[0081]
步骤五，获取注浆岩体的渗透系数k1，获得注浆岩体的渗透强度jw；
[0082]
具体的为，注浆岩体水力特性能够反映注浆体的封堵效果，受岩石、注浆体及二者在节理面中相互作用的影响，在一定程度上能够很好的反映注浆体与岩体的结合效果，因此可采用渗透强度来评价注浆岩体的渗透性；
[0083]
步骤六，计算得到注浆岩体抗变形能力评价指数r，其计算公式为
[0084][0085]
根据计算值对注浆岩体抗变形能力评价指数r划分等级；注浆岩体抗变形能力主要以注浆岩体的柔性/韧性进行评价；
[0086]
示例性的，目标岩层的岩体质量标准q分为四个等级，即当q取值范围为0≤q《30时，表明岩体质量较好，取值范围为30≤q《60时，表明其一般；当取值范围为60≤q≤90时，表明较差，当取值范围为》90时，表明其差；
[0087]
具体的为，所述rqd取值范围为0-100，粗糙度jr取值为0-20，节理面倾角α取值为0-90
°
；并相应的按照等级进行划分；
[0088]
具体的为，当rqd取值范围为0≤rqd《25时，表明岩块质量极差，取值范围为25≤rqd《50时，表明其较差；当取值范围为50≤rqd《75时，表明其差，当取值范围为75≤rqd《100时，表明其较好；
[0089]jn
划分为四个等级，当取值范围为《3，则表明节理数量完整，当取值范围为3≤jn《
10，则表明其较完整，当取值范围为10≤jn≤30，则表明完整性差，当取值范围为》30时，则表明处于破碎状态；
[0090]
jr划分为四个等级，当取值范围为15≤jr《20时，则表面粗糙，当取值范围为10≤jr《15时，则表明较粗糙，当取值范围为5≤jr《10时，则表明较为光滑，当取值范围为0≤jr《5时，则表明光滑；
[0091]
α划分为四个等级，分别为0≤α《25
°
，25≤α《50
°
，50≤α《75
°
，75≤α《90
°
；
[0092]
示例性的，所述注浆岩体的渗透强度jw取值与注浆岩体的渗透系数k1有关，其取值范围如下：
[0093][0094]
示例性的，注浆岩体抗变形能力评价指数r将岩体柔性划分为i、ii、iii、iv四个等级，具体划分如表1；
[0095]
表1注浆岩体抗变形能力等级
[0096][0097]
说明的是，所述注浆岩体抗变形能力评价指数r的等级划分如下：
[0098]
当r的计算结果范围为0≤r《0.25时，则表明注浆岩体抗变形能力为i级，注浆岩体抗变形能力好；另外当q取值范围为0≤q《30、ds取值为0≤ds《10、jw为1时，则相应表明注浆岩体质量较好、注浆体的柔性较好、岩石与注浆体之间相互作用较好；
[0099]
当r的计算结果范围为0.25≤r《0.5时，则表明注浆岩体抗变形能力为ii级，注浆岩体抗变形能力较好；另外当q取值范围为30≤q《60、ds取值为10≤ds《25、jw为0.75时，则相应表明注浆岩体质量一般、注浆体的柔性一般、岩石与注浆体之间相互作用一般；
[0100]
当r的计算结果范围为0.5≤r≤4.5时，则表明注浆岩体抗变形能力为iii级，注浆岩体抗变形能力较差；另外当q取值范围为60≤q≤90、ds取值为25≤ds≤50、jw为0.5时，则相应表明注浆岩体质量较差、注浆体的柔性较差、岩石与注浆体之间相互作用较差；
[0101]
当r的计算结果范围为r》4.5时，则表明注浆岩体抗变形能力为iv级，注浆岩体抗变形能力差；另外当q取值范围为》90、ds取值为》50、jw为0.1时，则相应表明注浆岩体质量差、注浆体的柔性差、岩石与注浆体之间相互作用差。
[0102]
本一种预防溃水溃砂区域超前治理注浆岩体韧性评价方法，综合岩体质量、岩石本身性质、注浆固结体的抗变形能力、以及注浆岩体的渗透强度，对注浆岩体抗变形能力评价指数r进行量化；
[0103]
即采用注浆岩体质量参数来表征岩体的完整性及注浆体在岩体中所占比重，采用
注浆固结体的抗变形能力来表征注浆体的韧性，采用完整岩石的断裂韧度来表征岩石本身的失稳强度，采用注浆岩体的渗透强度来表示岩石与注浆体之间的相互作用，综合上述因素将注浆岩体抗变形能力作为评价对象，能够准确的评价注浆加固后覆岩岩土体抗变形能力，避免影响因素的缺失造成评价的不准确；
[0104]
另外对注浆岩体抗变形能力评价指数r的计算结果进行四个等级划分，能够形象使得数据与结果进行对等，使得评价更加形象化；目标岩层的岩体质量标准q值计算引用钻孔的钻孔岩芯的rqd指标、节理数量jn及粗糙度jr、节理倾角α，能够多因素考虑其对岩体强度与完整性的影响。