一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其包括以下步驟：Step1、布置原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔；Step2、安裝應(yīng)力計(jì)；Step3、鉆孔封孔。本發(fā)明的有益之處在于：由于本發(fā)明的布置施工方法充分利用了礦井已經(jīng)施工的各種巷道，所以其具有測量準(zhǔn)確、施工條件優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)勢，地應(yīng)力實(shí)測簡便可行，對(duì)華北地區(qū)深部煤層安全開采將有重要的意義。
【專利說明】
一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種布置施工方法，具體涉及一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 華北地區(qū)是全國重要的煤炭生產(chǎn)基地，隨著對(duì)煤炭資源需求的不斷增大，煤礦開 采深度逐漸增加，多年來，由于受奧灰水的威脅，下組煤的安全開采問題是當(dāng)?shù)孛旱V企業(yè)的 重大課題。深部礦井的開采條件更加復(fù)雜，勢必造成巷道、煤層底板應(yīng)力的不斷增加，直接 影響下組煤的安全開采和巷道的掘進(jìn)速度和穩(wěn)定性，在有突水危險(xiǎn)性的煤層中掘進(jìn)時(shí)就更 要考慮底板應(yīng)力的增大對(duì)底板巖層結(jié)構(gòu)的破壞。
[0003] 為了煤礦采礦設(shè)計(jì)、安全開采、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，開展原始地應(yīng)力實(shí)測及變化分布規(guī) 律研究顯得尤為重要。
[0004] 華北地區(qū)部分礦井曾進(jìn)行過原始地應(yīng)力的研究，但是由于影響地應(yīng)力的因素有許 多，如地質(zhì)條件、邊界條件、巖石組合等，因此，不同的礦井原始地應(yīng)力差別較大。
[0005] 華北地區(qū)下組煤的開采將受到強(qiáng)含水層(奧灰水)的威脅，礦井突水的概率較開采 上組煤時(shí)會(huì)有明顯的增大。
[0006]因此，在實(shí)施下組煤的帶壓開采時(shí)，必須對(duì)帶壓開采的條件、礦井防治水措施等進(jìn) 行綜合分析和評(píng)價(jià)。
[0007] 原始地應(yīng)力是底板突水機(jī)制研究的重要組成部分。原始地應(yīng)力及次生應(yīng)力分布規(guī) 律的研究，對(duì)華北地區(qū)深部煤層安全開采將有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，該布置施工方法 能夠有效的利用礦井下已施工的場地，直接進(jìn)行施工。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0010] -種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011] Stepl、布置原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔：
[0012] 在運(yùn)輸巷內(nèi)布置三個(gè)試驗(yàn)孔，從切眼向外依次布置，1#試驗(yàn)孔距離切眼50m_100m， 2#試驗(yàn)孔距離1#試驗(yàn)孔100m-200m，3#試驗(yàn)孔距離2#試驗(yàn)孔50m-150m，前述三個(gè)試驗(yàn)孔的深 度距煤層底板l〇〇m;
[0013] Step2、安裝應(yīng)力計(jì)：
[0014]在每一個(gè)試驗(yàn)孔的底部下放安裝三個(gè)應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)的長軸平行試驗(yàn)孔的軸線； [0015] Step3、鉆孔封孔：
[0016]向試驗(yàn)孔內(nèi)下放回漿管，然后用注漿栗將配好的水泥漿通過回漿管注入試驗(yàn)孔。 [0017]前述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Stepl中，前述試驗(yàn)孔 的底板揭露至本溪組灰?guī)r。
[0018] 前述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，前述試驗(yàn)孔的底板的巖 性為粉砂巖、細(xì)砂巖或石灰?guī)r。
[0019] 前述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Stepl中，前述試驗(yàn)孔 的直徑為130mm。
[0020] 前述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Step2中，前述應(yīng)力計(jì) 采用的是KX-81型空心包體式三軸應(yīng)力計(jì)。
[0021] 本發(fā)明的有益之處在于：國內(nèi)外常用的底板破壞深度的確定方法為直接探測（注 水試驗(yàn)和底板聲波探測），該方法不但需要開挖專門的試驗(yàn)巷道，而且只能判斷試驗(yàn)段的破 壞情況，難以確定整個(gè)工作面的底板破壞特征，因?yàn)楸景l(fā)明采用了間接探測（即應(yīng)力反分析 法），即通過探測底板在開采前后應(yīng)力的變化情況，確定底板的破壞深度及破壞規(guī)律，該類 方法無須開挖試驗(yàn)巷道能夠有效的利用礦井下已施工的場地，直接進(jìn)行施工，能夠有效的 利用礦井下已施工的場地，直接進(jìn)行施工，所以本發(fā)明的布置施工方法在滿足觀測預(yù)期目 的的前提下，方案最經(jīng)濟(jì)。
【附圖說明】
[0022]圖1是試驗(yàn)孔設(shè)計(jì)、施工布置示意圖；
[0023]圖2是1#試驗(yàn)孔的結(jié)構(gòu)示意圖（與3#試驗(yàn)孔的結(jié)構(gòu)相同）；
[0024]圖3是2#試驗(yàn)孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是1#試驗(yàn)孔的施工示意圖；
[0026]圖5是2#試驗(yàn)孔的施工示意圖；
[0027] 圖6是3#試驗(yàn)孔的施工示意圖；
[0028]圖7是試驗(yàn)孔的直徑示意圖；
[0029]圖8是信號(hào)線保護(hù)平面示意圖；
[0030]圖9是信號(hào)線保護(hù)剖面圖示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 在煤礦工作面回采過程中，地應(yīng)力分布規(guī)律研究的理論不完善成為地應(yīng)力測試技 術(shù)發(fā)展的重大阻礙，且工作面回采的特殊性導(dǎo)致無法從宏觀角度對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行全面研 究，繼而不能準(zhǔn)確的為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及工作面安全回采提供依據(jù)。
[0032] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，該布置施 工方法能夠有效的利用礦井下已施工的場地，直接進(jìn)行施工。
[0033] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0034] 實(shí)施例1:邯邢礦區(qū)顯德汪礦1291工作面
[0035]現(xiàn)場地應(yīng)力測試需要地質(zhì)鉆機(jī)一臺(tái)、傳感器5個(gè)、采集器一臺(tái)、膠體若干、處理軟件 一套。地質(zhì)鉆機(jī)使用礦上地質(zhì)鉆機(jī)，安裝測量設(shè)備由單位提供。結(jié)合工作面的具體情況，首 采工作面底板發(fā)生變形破壞可能發(fā)生在三個(gè)部位，即頂板首次來壓部位、構(gòu)造(斷層)發(fā)育 部位、停采部位。因此，底板應(yīng)力觀測共設(shè)計(jì)三個(gè)試驗(yàn)孔，三個(gè)試驗(yàn)孔的位置如圖1所示，具 體為:三個(gè)試驗(yàn)孔均布置在運(yùn)輸巷內(nèi)，從切眼向外布置，1#試驗(yàn)孔距離切眼57m，2#試驗(yàn)孔距 離1#試驗(yàn)孔158m，3#試驗(yàn)孔距離2#試驗(yàn)孔116m。
[0036]三個(gè)試驗(yàn)孔的具體布置過程如下：
[0037]第一步、布置原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔
[0038] 鉆孔直徑130mm(圖7)，用清水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。在鉆進(jìn)過程中對(duì)所有試驗(yàn)孔進(jìn)行 取芯，并對(duì)所取巖芯進(jìn)行現(xiàn)場編錄，主要包括巖芯采取率、沖洗液消耗量、巖性描述，同時(shí)對(duì) 巖石的裂隙發(fā)育情況等地質(zhì)、水文地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場詳細(xì)觀測、描述和記錄。根據(jù)底板的完 整情況確定是否采用套管護(hù)壁，在底板比較完整的情況下可采用裸孔，同時(shí)精確測量試驗(yàn) 孔與水平面的夾角，由于1#試驗(yàn)孔、2#試驗(yàn)孔、3#試驗(yàn)孔和9#煤層底板均較完整，所以三個(gè) 試驗(yàn)孔均采用了裸孔結(jié)構(gòu)。施工參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)孔結(jié)構(gòu)和施工圖見圖2、圖3、圖4、圖5 和圖6。由于試驗(yàn)孔施工均在9#煤層底板，距離奧灰頂面16m-27m左右，尤其是3#試驗(yàn)孔在斷 層帶附近，因此在試驗(yàn)孔施工過程中采取了相應(yīng)的安全措施(如在孔口安裝防水閥等），確 保了施工人員的安全和鉆孔施工的順利完成。
[0039] 表1 1#試驗(yàn)孔、2#試驗(yàn)孔、3#試驗(yàn)孔施工參數(shù)表
[0040]
[0041] 在該步驟中，我們采用清水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，利用鉆井過程中對(duì)巖性資料的掌握， 便可在地質(zhì)條件改變的情況下，決定是否使用套管護(hù)壁(防止孔壁坍塌)和在孔口安裝防水 閥等。
[0042] 本發(fā)明試驗(yàn)孔施工，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，排除了下一步應(yīng)力計(jì)安裝中不利因素。 [0043]第二步、安裝應(yīng)力計(jì)
[0044]應(yīng)力計(jì)采用中科院地質(zhì)力學(xué)研究所從國外引進(jìn)并改裝的KX - 81型空心包體式三 軸應(yīng)力計(jì)，該應(yīng)力計(jì)經(jīng)多年實(shí)踐檢驗(yàn)證明是國內(nèi)較為先進(jìn)的。該應(yīng)力計(jì)由13根信號(hào)線與應(yīng) 變儀連接，出廠時(shí)已有供應(yīng)商標(biāo)定，探測時(shí)要求不能有一根信號(hào)線出現(xiàn)差錯(cuò)。因此在地面、 井下運(yùn)輸和安裝過程中應(yīng)妥善保管好探頭和信號(hào)線，信號(hào)線編號(hào)不得混淆。應(yīng)力計(jì)安裝程 序是:先在井上將應(yīng)力計(jì)探頭用膠固定，在井下于中間加三根鋼筋(Φ為lcm)保證了探頭的 應(yīng)變片向外，按設(shè)計(jì)的間距捆綁好，保證了探頭在往試驗(yàn)孔中推進(jìn)時(shí)不旋轉(zhuǎn)，然后緩慢推至 設(shè)計(jì)深度。試驗(yàn)孔中應(yīng)力計(jì)的編號(hào)為出廠時(shí)的編號(hào)。
[0045]信號(hào)線的保護(hù)：由于底板應(yīng)力探測是在運(yùn)輸巷內(nèi)，在采煤過程中由于存在頂板冒 落等不利因素，為保證在采煤過程中信號(hào)的暢通，對(duì)信號(hào)線進(jìn)行妥善保護(hù)。保護(hù)措施是將信 號(hào)線穿入鋼管中，然后埋入巷道以下20cm-3〇 Cm的深度處，保護(hù)措施安裝如圖8、圖9所示。信 號(hào)線與儀器接頭處采取了保護(hù)措施，以防人為破壞。
[0046]第三步、鉆孔封孔
[0047]安裝完畢應(yīng)力計(jì)后，用425#水泥砂漿通過回漿管進(jìn)行注漿封堵，水泥砂漿中水、水 泥、砂子的配比按能達(dá)到強(qiáng)度最大的配比進(jìn)行。
[0048]該步驟的目的是:待鉆孔注漿封堵砂漿凝固達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)間后，進(jìn)行應(yīng)力現(xiàn)場 觀測，觀測起始時(shí)間在工作面采煤前8天開始。
[0049] 應(yīng)力觀測的準(zhǔn)確性一部分取決于鉆孔的密封，在此步驟實(shí)際操作中，水泥砂漿的 使用具有密封性好、操作方便、速度快、材料節(jié)省等優(yōu)勢。
[0050] 實(shí)施例2:邯邢礦區(qū)陶一煤礦七采區(qū) [00511第一步、地應(yīng)力測點(diǎn)布置
[0052]根據(jù)陶一煤礦現(xiàn)有開拓水平的采掘和地質(zhì)條件，選擇在七采區(qū)南翼回風(fēng)巷2#鉆場 附近進(jìn)行地應(yīng)力測量工作，編號(hào)分別為TY-1地應(yīng)力測點(diǎn)和TY-2地應(yīng)力測點(diǎn)。
[0053] TY-1地應(yīng)力測點(diǎn)位于七采南翼回風(fēng)巷內(nèi)，北距2#鉆場50m，在巷道左幫開孔，測量 位置位于七采南翼回風(fēng)巷2號(hào)煤層頂板內(nèi)。地應(yīng)力傳感器即安裝在頂板粉砂巖內(nèi)。地應(yīng)力試 驗(yàn)孔以仰角18°、方位角110°施工，導(dǎo)孔的直徑為113mm，鉆進(jìn)長度為10.80m，地應(yīng)力傳感器 安裝孔直徑38mm，長度為0.47m，應(yīng)力傳感器安裝深度11.05m。
[0054] TY-2地應(yīng)力測點(diǎn)位于七采南翼回風(fēng)巷2#鉆場內(nèi)，在巷道左幫2#鉆場內(nèi)開孔，測量 位置位于七采南翼回風(fēng)巷2號(hào)煤層頂板內(nèi)。地應(yīng)力傳感器即安裝在頂板粉砂巖內(nèi)。地應(yīng)力試 驗(yàn)孔以仰角19°、方位角115°施工，導(dǎo)孔的直徑為113mm，鉆進(jìn)長度為11.10m，地應(yīng)力傳感器 安裝孔直徑38mm，長度為0.47m，應(yīng)力傳感器安裝深度11.35m。
[0055] 第二步、應(yīng)力傳感器選擇
[0056]應(yīng)力計(jì)采用中科院地質(zhì)力學(xué)研究所從國外引進(jìn)并改裝的KX - 81型空心包體式三 軸應(yīng)力計(jì)。應(yīng)變計(jì)的外徑為35.5mm，工作長度175mm，可安裝在直徑為36mm-38mm的小鉆孔 中，應(yīng)變計(jì)具有良好的絕緣防水性能。
[0057]應(yīng)力計(jì)安裝程序是:先在井上將應(yīng)力計(jì)探頭用膠固定，在井下于中間加三根鋼筋（ Φ為lcm)保證了探頭的應(yīng)變片向外，按設(shè)計(jì)的間距捆綁好，保證了探頭在往實(shí)驗(yàn)孔中推進(jìn)時(shí) 不旋轉(zhuǎn)，然后緩慢推至設(shè)計(jì)深度。
[0058]第三步、地應(yīng)力測點(diǎn)布置
[0059] 在選定測點(diǎn)處先鉆一直徑115mm的鉆孔達(dá)預(yù)定深度，選定地點(diǎn)要避開巷道周圍應(yīng) 力集中區(qū)，鉆孔要上傾15°-40°，便于水和巖粉順利排出。要求導(dǎo)孔孔壁完整、孔徑一致，不 能發(fā)生鉆孔彎曲、塌孔等現(xiàn)象。
[0060] 當(dāng)115mm鉆孔到達(dá)指定巖石層位時(shí)，用相同口徑的尖鉆頭打一個(gè)導(dǎo)向用的喇機(jī)口， 深度約10cm，在巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育時(shí)，一般尖孔打5cm左右，以使開鉆解除時(shí)不至于因起 始巖芯壁薄破碎掉塊，而卡斷巖芯，導(dǎo)致解除失敗。
[0061] 然后同心鉆一個(gè)孔徑為38mm的測量小孔。打測量孔應(yīng)該要求孔壁圓滑，孔徑一致； 小孔深度為45cm，小孔鉆進(jìn)過程中，加壓必須均勻，并保證足夠的水量，以使巖粉排出；要根 據(jù)空芯包體外徑和巖性情況，挑選合適外徑的小孔鉆頭;打測量小孔過程中，最好不要中途 停鉆，保持均勻速度鉆進(jìn)，直至所需深度，以保證元件安裝部位孔徑一致，孔壁光滑。測量小 孔打成后，用清水將孔內(nèi)沖洗干凈。
[0062] 本步驟的主要目的是:鉆進(jìn)過程中采取了 115mm口徑的導(dǎo)向鉆孔和38mm的測量小 孔，保證了孔壁光滑、孔徑一致、孔斜一致，有利于下一步應(yīng)力計(jì)安裝，本發(fā)明試驗(yàn)孔施工操 作方便，適應(yīng)性強(qiáng)。
[0063]第四步、安裝應(yīng)力計(jì)
[0064]根據(jù)安裝孔中取出巖心情況，選取巖面結(jié)構(gòu)較好的一段，根據(jù)這一段位置截取應(yīng) 力計(jì)調(diào)節(jié)桿長度，使應(yīng)變片位置位于這一段巖心處。
[0065] 將SDX水平定向儀安裝在安裝桿的前部，引出導(dǎo)線。定向儀的前部則用于安裝空芯 包體應(yīng)變計(jì)。
[0066] 清洗和擦凈鉆孔后，準(zhǔn)備安裝應(yīng)變計(jì)。將空芯包體應(yīng)變計(jì)按規(guī)定方向安裝于定向 儀的前部，引出測量導(dǎo)線，調(diào)整好定向插頭，先將A、B兩種膠結(jié)劑按比例倒入應(yīng)變計(jì)空腔內(nèi)， 固定好柱塞，用帶有定向儀的安裝桿小心地將應(yīng)變計(jì)送到小孔內(nèi)，用力將柱塞推入應(yīng)變計(jì) 空腔內(nèi)，將膠結(jié)劑擠入應(yīng)變計(jì)與小孔之間的縫隙中，此時(shí)應(yīng)變計(jì)安裝完畢。這時(shí)要注意，不 要讓導(dǎo)線纏繞在鉆桿上，并按要求施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，安裝完應(yīng)變計(jì)后將定向儀讀數(shù)記錄 下來。
[0067] 本步驟目的是:將應(yīng)力計(jì)安裝在38_的測量小孔內(nèi)，測量小孔用膠結(jié)劑封閉，待凝 固達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)間后，進(jìn)行應(yīng)力現(xiàn)場觀測，觀測起始時(shí)間在工作面采煤前8天開始。應(yīng)力 觀測的準(zhǔn)確性一部分取決于鉆孔的密封，在此步驟實(shí)際操作中，膠結(jié)劑的使用僅在測量小 孔內(nèi)，使鉆孔密封性更好、材料更節(jié)省等優(yōu)勢，在操作上要求較高。
[0068]綜上所述，由于本發(fā)明的布置施工方法充分利用了礦井已經(jīng)施工的各種巷道，所 以其具有測量準(zhǔn)確、施工條件優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)勢，地應(yīng)力實(shí)測簡便可行，對(duì)華北地區(qū)深 部煤層安全開采將有重要的意義。
[0069]需要說明的是，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變 換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，包括以下步驟： Stepl、布置原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔： 在運(yùn)輸巷內(nèi)布置三個(gè)試驗(yàn)孔，從切眼向外依次布置，1#試驗(yàn)孔距離切眼50m-100m，2#試 驗(yàn)孔距離1#試驗(yàn)孔100m-200m，3#試驗(yàn)孔距離2#試驗(yàn)孔50m-150m，所述三個(gè)試驗(yàn)孔的深度距 煤層底板IOOm; Step2、安裝應(yīng)力計(jì)： 在每一個(gè)試驗(yàn)孔的底部下放安裝三個(gè)應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)的長軸平行試驗(yàn)孔的軸線； Step3、鉆孔封孔： 向試驗(yàn)孔內(nèi)下放回漿管，然后用注漿栗將配好的水泥漿通過回漿管注入試驗(yàn)孔。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Stepl中， 所述試驗(yàn)孔的底板揭露至本溪組灰?guī)r。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，所述試驗(yàn)孔 的底板的巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖或石灰?guī)r。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Stepl中， 所述試驗(yàn)孔的直徑為130mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原始地應(yīng)力試驗(yàn)孔的布置施工方法，其特征在于，在Step2中， 所述應(yīng)力計(jì)采用的是KX-81型空心包體式三軸應(yīng)力計(jì)。
【文檔編號(hào)】E21B49/00GK105888658SQ201610256737
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】李煥同
【申請(qǐng)人】西安科技大學(xué)