本發(fā)明涉及風(fēng)氧化富水巷道領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)化破碎富水區(qū)域巷道是處于巖性變異、高水壓地質(zhì)環(huán)境，軟弱破碎，具有整體不良工程地質(zhì)性質(zhì)的變異地質(zhì)體。風(fēng)氧化富水巷道的特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部容易造成失穩(wěn)，現(xiàn)有技術(shù)中，無法針對(duì)特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，致使風(fēng)氧化富水巷道掘進(jìn)施工具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法包括：
步驟1：確定煤礦常規(guī)巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P常規(guī)、煤礦常規(guī)巖體完整性指標(biāo)RQD常規(guī)值、煤礦常規(guī)巖體水理性指標(biāo)值，吸水率λ常規(guī)、滲透系數(shù)η常規(guī)，煤礦常規(guī)巖體黏土類易膨脹礦物顆粒含量ω常規(guī)；
步驟2：采用隨鉆探測(cè)巖體強(qiáng)度方法，獲取風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體強(qiáng)度衰減率P′，即：風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度的衰減值與煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強(qiáng)度的比值，計(jì)算公式為：
步驟3：采用巖體完整性指標(biāo)現(xiàn)場打鉆取巖芯方法，獲取風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)RQD風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)RQD風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標(biāo)RQD常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體完整性變異系數(shù)RQD′；即：風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)降低值與煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標(biāo)的比值，計(jì)算公式為：
步驟4：采用巖體水理性指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，獲取風(fēng)氧化巖體吸水率λ風(fēng)氧化、滲透系數(shù)η風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體吸水率λ風(fēng)氧化、滲透系數(shù)η風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體吸水率λ常規(guī)、滲透系數(shù)η常規(guī)，計(jì)算風(fēng)氧化巖體吸水率變異系數(shù)λ′、滲透系數(shù)變異系數(shù)η′；
步驟5：采用電鏡掃描和X光衍射方法，獲取風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)ω′；
步驟6：依據(jù)風(fēng)氧化巖體強(qiáng)度衰減率、完整性變異系數(shù)、吸水率變異系數(shù)、滲透系數(shù)變異系數(shù)、黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)對(duì)風(fēng)氧化富水巖體變異程度進(jìn)行定量評(píng)估，將風(fēng)氧化程度劃分為5類，即：未風(fēng)氧化、微風(fēng)氧化、弱風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化和強(qiáng)風(fēng)氧化。
優(yōu)選地，步驟6之后還包括：
步驟7：在風(fēng)氧化富水巖體變異程度定量評(píng)估及分類的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素進(jìn)行分析，風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素包括：風(fēng)氧化變異程度、百米巷道頂板離層量、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展；
步驟8：采用光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道頂板離層量；
步驟9：采用錨桿拉拔測(cè)試方法現(xiàn)場實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量；
步驟10：采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法分析風(fēng)氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展；依據(jù)風(fēng)氧化富水巷道圍巖現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，分析特定支護(hù)參數(shù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育、擴(kuò)展情況，得出塑性區(qū)擴(kuò)展區(qū)域面積S塑性區(qū)，則塑性區(qū)擴(kuò)展度S′即為塑性區(qū)擴(kuò)展區(qū)域面積S塑性區(qū)與巷道斷面積S巷道之比，即：
步驟11：依據(jù)風(fēng)氧化變異程度、百米巷道頂板離層量平均值、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展度對(duì)風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，將風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)5種圍巖狀態(tài)，即：Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(亞穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(近失穩(wěn)狀態(tài))、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(臨失穩(wěn)狀態(tài))和Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(失穩(wěn)垮冒狀態(tài))。
優(yōu)選地，步驟4還包括：
風(fēng)氧化巖體吸水率變化值與煤礦常規(guī)該類巖體吸水率的比值，計(jì)算公式為：
風(fēng)氧化巖體滲透系數(shù)變化值與煤礦常規(guī)該類巖體滲透系數(shù)的比值，計(jì)算公式為：
優(yōu)選地，步驟5還包括：
風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變化值與煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量的比值，計(jì)算公式為：
優(yōu)選地，步驟8還包括：
光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置包括：離層監(jiān)測(cè)組件、離層傳輸組件、離層實(shí)時(shí)顯示記錄組件；
離層監(jiān)測(cè)組件包括：錨頭、鋼絲繩、光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀；
離層傳輸組件包括：傳輸光纜、FBG解調(diào)儀；
離層實(shí)時(shí)顯示記錄組件包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、計(jì)算機(jī)；
在風(fēng)氧化富水巷道垂直頂板方向鉆進(jìn)一個(gè)穿過多個(gè)層位的鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝至少三個(gè)不同深度的錨頭，三個(gè)錨頭的一端分別用不同長度的細(xì)鋼絲引導(dǎo)至孔外，細(xì)鋼絲另一端與鉆孔外的光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀連接，該光纖光柵頂板離層儀內(nèi)部分別安裝有三個(gè)性能相同的光纖光柵位移傳感器，光纖光柵位移傳感器上的尾纖與傳輸光纜一端連接，傳輸光纜另一端與FBG解調(diào)儀連接，F(xiàn)BG解調(diào)儀通過無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)通過離層傳輸光纜將離層數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息。
優(yōu)選地，光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀高為25-30cm，底座直徑為鋼絲采用儀器專用鋼絲繩，鋼絲繩斷面直徑為0.8mm，位移傳感器測(cè)量長度范圍為0-20cm，精度為1.0mm。
優(yōu)選地，在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個(gè)測(cè)試斷面，四個(gè)測(cè)試斷面的位置分別為巷道長度20m、巷道長度40m、巷道長度60m、巷道長度80m位置處，每個(gè)斷面在頂板安裝一套光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置，共獲取四個(gè)不同位置處的頂板離層數(shù)值，編號(hào)為L1、L2、L3、L4；則百米巷道頂板離層量平均值為
優(yōu)選地，步驟9還包括：
在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個(gè)測(cè)試斷面的位置分別為：巷道長度20m位置處、巷道長度40m位置處、巷道長度60m位置處、巷道長度80m位置處，每個(gè)斷面選取頂板兩根錨桿做拉拔試驗(yàn)，共拉拔八根錨桿。
從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法通過隨鉆探測(cè)巖體強(qiáng)度指標(biāo)、巖芯完整性指數(shù)RQD、水理性指標(biāo)、電鏡掃描與X光衍射等，定量獲得風(fēng)氧化圍巖強(qiáng)度衰減程度、完整性破壞程度、吸水滲透變異程度以及黏土類易膨脹礦物顆粒含量比率，獲得風(fēng)氧化富水巖體變異程度評(píng)估指標(biāo)；然后通過光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道頂板離層量、錨桿拉拔測(cè)試方法實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法監(jiān)測(cè)風(fēng)氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展度，對(duì)風(fēng)氧化富水巷道離層突變致災(zāi)臨界節(jié)點(diǎn)、失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展度等局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)主控因素進(jìn)行定量與定性評(píng)估，獲得風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。本方法提高了特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的科學(xué)性和可靠性，為煤礦特殊變異地質(zhì)構(gòu)造體圍巖控制尤其是風(fēng)氧化富水區(qū)域巷道掘進(jìn)施工安全及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。
具體實(shí)施方式
為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將運(yùn)用具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明保護(hù)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例?；诒緦＠械膶?shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本專利保護(hù)的范圍。
本發(fā)明提供一種風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法包括：
步驟1：確定煤礦常規(guī)巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P常規(guī)、煤礦常規(guī)巖體完整性指標(biāo)RQD常規(guī)值、煤礦常規(guī)巖體水理性指標(biāo)值，吸水率λ常規(guī)、滲透系數(shù)η常規(guī)，煤礦常規(guī)巖體黏土類易膨脹礦物顆粒含量ω常規(guī)；使用蔡美峰院士編著的《巖石力學(xué)與工程》里面的數(shù)據(jù)，或者使用相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)來確定。
步驟2：采用隨鉆探測(cè)巖體強(qiáng)度方法，獲取風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強(qiáng)度值P常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體強(qiáng)度衰減率P′，即：風(fēng)氧化巖體單軸抗壓強(qiáng)度的衰減值與煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強(qiáng)度的比值，計(jì)算公式為：
步驟3：采用巖體完整性指標(biāo)現(xiàn)場打鉆取巖芯方法，獲取風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)RQD風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)RQD風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標(biāo)RQD常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體完整性變異系數(shù)RQD′；即：風(fēng)氧化巖體完整性指標(biāo)降低值與煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標(biāo)的比值，計(jì)算公式為：
步驟4：采用巖體水理性指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，獲取風(fēng)氧化巖體吸水率λ風(fēng)氧化、滲透系數(shù)η風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體吸水率λ風(fēng)氧化、滲透系數(shù)η風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體吸水率λ常規(guī)、滲透系數(shù)η常規(guī)，計(jì)算風(fēng)氧化巖體吸水率變異系數(shù)λ′、滲透系數(shù)變異系數(shù)η′；
風(fēng)氧化巖體吸水率變化值與煤礦常規(guī)該類巖體吸水率的比值，計(jì)算公式為：
風(fēng)氧化巖體滲透系數(shù)變化值與煤礦常規(guī)該類巖體滲透系數(shù)的比值，計(jì)算公式為：
步驟5：采用電鏡掃描和X光衍射方法，獲取風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω風(fēng)氧化，對(duì)比風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω風(fēng)氧化和煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量指標(biāo)ω常規(guī)；計(jì)算風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)ω′；
風(fēng)氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變化值與煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量的比值，計(jì)算公式為：
步驟6：依據(jù)風(fēng)氧化巖體強(qiáng)度衰減率、完整性變異系數(shù)、吸水率變異系數(shù)、滲透系數(shù)變異系數(shù)、黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)對(duì)風(fēng)氧化富水巖體變異程度進(jìn)行定量評(píng)估，將風(fēng)氧化程度劃分為5類，即：未風(fēng)氧化、微風(fēng)氧化、弱風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化和強(qiáng)風(fēng)氧化，(見表1)。
表1風(fēng)氧化富水巖體變異程度評(píng)估指標(biāo)
步驟7：在風(fēng)氧化富水巖體變異程度定量評(píng)估及分類的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素進(jìn)行分析，風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素包括：風(fēng)氧化變異程度、百米巷道頂板離層量、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展；
步驟8：采用光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道頂板離層量；
光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置包括：離層監(jiān)測(cè)組件、離層傳輸組件、離層實(shí)時(shí)顯示記錄組件；
離層監(jiān)測(cè)組件包括：錨頭、鋼絲繩、光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀；
離層傳輸組件包括：傳輸光纜、FBG解調(diào)儀；
離層實(shí)時(shí)顯示記錄組件包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、計(jì)算機(jī)；
在風(fēng)氧化富水巷道垂直頂板方向鉆進(jìn)一個(gè)穿過多個(gè)層位的鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝至少三個(gè)不同深度的錨頭，三個(gè)錨頭的一端分別用不同長度的細(xì)鋼絲引導(dǎo)至孔外，細(xì)鋼絲另一端與鉆孔外的光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀連接，該光纖光柵頂板離層儀內(nèi)部分別安裝有三個(gè)性能相同的光纖光柵位移傳感器，光纖光柵位移傳感器上的尾纖與傳輸光纜一端連接，傳輸光纜另一端與FBG解調(diào)儀連接，F(xiàn)BG解調(diào)儀通過無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)通過離層傳輸光纜將離層數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息。
光纖光柵頂板離層監(jiān)測(cè)儀高為25-30cm，底座直徑為鋼絲采用儀器專用鋼絲繩，鋼絲繩斷面直徑為0.8mm，滿足測(cè)試強(qiáng)度要求。位移傳感器測(cè)量長度范圍為0-20cm，精度為1.0mm，實(shí)現(xiàn)風(fēng)氧化富水巷道頂板離層全天候?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)上傳。
在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個(gè)測(cè)試斷面，四個(gè)測(cè)試斷面的位置分別為巷道長度20m、巷道長度40m、巷道長度60m、巷道長度80m位置處，每個(gè)斷面在頂板安裝一套光纖光柵離層實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)裝置，共獲取四個(gè)不同位置處的頂板離層數(shù)值，編號(hào)為L1、L2、L3、L4；則百米巷道頂板離層量平均值為
步驟9：采用錨桿拉拔測(cè)試方法現(xiàn)場實(shí)測(cè)風(fēng)氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量；在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個(gè)測(cè)試斷面的位置分別為：巷道長度20m位置處、巷道長度40m位置處、巷道長度60m位置處、巷道長度80m位置處，每個(gè)斷面選取頂板兩根錨桿做拉拔試驗(yàn)，共拉拔八根錨桿。
步驟10：采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法分析風(fēng)氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展；依據(jù)風(fēng)氧化富水巷道圍巖現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，分析特定支護(hù)參數(shù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育、擴(kuò)展情況，得出塑性區(qū)擴(kuò)展區(qū)域面積S塑性區(qū)，則塑性區(qū)擴(kuò)展度S′即為塑性區(qū)擴(kuò)展區(qū)域面積S塑性區(qū)與巷道斷面積S巷道之比，即：
步驟11：依據(jù)風(fēng)氧化變異程度、百米巷道頂板離層量平均值、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展度對(duì)風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，將風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)5種圍巖狀態(tài)，即：Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(亞穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(近失穩(wěn)狀態(tài))、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(臨失穩(wěn)狀態(tài))和Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(失穩(wěn)垮冒狀態(tài))，見表2。
表2風(fēng)氧化富水巷道局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)
對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。