CN105781543A

CN105781543A - 一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法

Info

Publication number: CN105781543A
Application number: CN201610309631.0A
Authority: CN
Inventors: 于广明; 米文瑞; 袁长丰; 宋传旺
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明提出一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，1、构建裂隙分维指标：通过对采空区上方岩体钻孔取芯，将岩芯壁产状信息转化为裂隙网络分形维数，并得出相对应的岩体的质量指标，获得拟合直线方程，依据岩石质量指标RQD的分级标准得出利用分形维数评价岩体质量的裂隙分维指标；2、根据上述指标评价采动覆岩质量：利用钻孔成像仪对采动覆岩各测量孔孔壁视频信息进行实时采集，并转化为各测量孔的分形维数，通过和上述指标比配，得到不同位置不同时刻下的采动覆岩质量。该方法实现了利用分形维数定性并定量的表达岩体裂隙分布规律、并对采动覆岩质量进行动态评价的目的，进而指导煤层的不同位置的支护工作，保证采矿工程的安全性。

Description

一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法

技术领域

本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种基于对现场采动覆岩裂隙动态演化测量的基础上，利用本区域裂隙分形维数对采动覆岩质量评价的方法。

背景技术

裂隙岩体是地下工程中最常见、最重要的介质之一，它直接影响了洞室的稳定与安全，是研究岩体完整程度首先考虑的关键因素。

目前对于岩体质量的评价和判断多数依靠工程地质勘察规范等规范性文件，这些规范往往是针对单因素的，缺乏对目标的整体评价适用性；而且随着采空区的不断推进，上覆岩体裂隙也在不断的演化，裂隙的演化程度直接影响到岩体的稳定性，目前许多采矿工程破坏失稳都与岩体中裂隙在受到外力作用相互下扩展贯通有关，所以通过研究裂隙演化来评价岩体质量，以便及时采取措施防止事故发生成了当务之急。

近年来，随着分形理论在研究工程岩体方面的应用，许多复杂的问题得到了解决，大量的工程实验也表明裂隙岩体具有一定的自相似性。分形维数能够反映岩体裂隙演化程度，但对于如何确定裂隙分维指标(评价岩体质量的指标)，并科学的评价采动覆岩质量的好坏一直没有定论。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服了传统的岩体质量评价方法未考虑岩体中裂隙的不足，导致对岩体质量评价不准确，影响安全开采等问题，提供一种利用分形维数评价岩体质量的方法，并以此指标来评价采动覆岩质量的好坏，从而指导矿层的支护工作，保证矿井的开采安全。

为了达到上述目的，本发明提出一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，包括以下步骤：

S1、构建裂隙分维指标：

S11、根据采空区位置进行地质勘探钻孔取芯，并对获得的岩芯进行单元划分；

S12、获取岩芯壁图像，进行图像处理得到每一单元岩体裂隙网络分布图；

S13、获取每一单元的分形维数D及每一单元岩石的质量指标RQD并存储；

S14、根据步骤S13获得的分形维数D和岩石质量指标RQD，以RQD为横坐标，分形维数D为纵坐标，建立岩石质量指标RQD与分形维数D的定量关系图，并拟合直线方程：D＝A-B×RQD，其中,A为当RQD为零时对应分形维数D的大小，B为直线的斜率；

S15、根据上述拟合直线方程并结合岩石质量指标RQD的分级标准构建裂隙分维指标；

S2、根据上述裂隙分维指标评价采动覆岩质量：

进一步的，所述步骤S2中评价采动覆岩质量包括以下步骤：

S21、确定需要进行采动覆岩质量评价的矿层，布置测量孔；

S22、获取各测量孔的孔壁视频信息；

S23、对上述视频信息进行实时处理，获得每个测量孔的孔壁展开二值化图像；

S24、根据上述二值化图像分析所有的裂隙网络分形维数D’并存储；

S25、依据裂隙分维指标获得采动覆岩质量等级。

进一步的，所述步骤S13中获取分形维数D包括以下步骤：

S131、用半径由大至小变化的n种不同半径的圆覆盖所述二值化图像，第i种圆的半径记为r_i,用第i种圆覆盖后二值化图像上包含至少一条裂隙的圆的个数记为N_i，其中，r_i＝kr_i-1，0<k<1，n为圆的种类数，且n≥9；

S132、对上述r_i和N_i分别取对数，以lgr为横坐标、lgN为纵坐标构建坐标系，获得lgr-lgN拟合直线；

S133、求上述lgr-lgN拟合直线斜率的绝对值，即为分形维数D。

进一步的，所述步骤S13中，岩石质量指标RQD通过RQD(％)＝∑l_i/L×100％获取，其中，l_i为单元岩芯未破坏岩块的长度，L为所取单元岩芯总长。

进一步的，步骤S21中在布置测量孔时，以开切眼为起点，沿着水平开采方向每隔20m～30m布置一个测量孔，更准确的评价岩石质量。

进一步的，步骤S21中在每个测量孔内设置有长度与孔深一致的标尺，且各测量孔内安装有钻孔成像仪。

进一步的，步骤S22中，在煤层开采过程中，使用钻孔成像仪按照工作面每推进2m-4m进行一次图像采集的频率采集各测量孔的孔壁视频信息。

进一步的，所述测量孔位于采空区中部并垂直于顶板，所述顶板是指赋存在矿层之上的邻近岩层，所有的测量孔位于同一竖直平面内。

进一步的，步骤S11中对岩芯进行单元划分时，将岩芯自上而下每隔2m划分一个单元，并依次编号。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.本发明首先提出一种构建裂隙分维指标的方法，通过对采空区上方岩体钻孔取芯，将岩芯壁产状信息转化为裂隙网络分形维数，并分析出相对应的岩体的质量指标RQD(％)值，两者拟合直线方程，参照岩石质量指标RQD(％)的分级标准及有关研究得出利用分形维数评价岩体质量的裂隙分维指标。该方法能综合全面反映岩体裂隙发育特征，不仅包含了岩体裂隙的产状、形态、规模、间距等信息，而且还间接地反映了岩体的力学性质，岩体的赋存条件、以及多种影响岩体质量的因素信息。

2.本发明基于上述裂隙分维指标评价采动覆岩质量，利用钻孔成像仪对采动覆岩各测量孔孔壁视频信息进行实时采集，并转化为各测量孔的分形维数值，通过和上述裂隙分维指标的对比，得到不同位置不同时刻下的采动覆岩质量，实现了监测覆岩状态的目的，进而指导煤层的不同位置的支护工作，保证采矿工程的安全性。该方法实现了利用分形维数定性并定量的表达岩体裂隙分布规律，并实现了对采动覆岩质量的动态评价。

附图说明

图1为本发明实施例的主体步骤流程结构示意图；

图2为本发明实施例中裂隙演化测量范围内测量孔布置平面图；

图3为图2中A-A'截面图。

具体实施方式

本发明基于现场对采动覆岩裂隙动态演化测量的基础上，利用本区域构建的裂隙分维指标评价采动覆岩质量，进一步保证矿井开采的安全。下面结合具体的实施例对本发明做进一步地说明，本实施例中以开采煤矿为例进行描述。

参考图1，本实施例提出的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，包括以下步骤：

步骤S1、构建裂隙分维指标；

步骤S2、根据上述裂隙分维指标评价采动覆岩质量。

对于步骤S1构建裂隙分维指标，具体包括以下步骤：

步骤S11、根据采空区位置进行地质勘探钻孔取芯，并对获得的岩芯进行单元划分：实施时，根据具体的采场位置，在采场的上方进行地质勘测，确定地表的勘测点，选取所需一定技术指标(包括钻孔取芯直径、取芯深度、功率等)的钻孔取芯机，在标定的勘测点位置垂直向下钻孔取岩芯，钻孔深度直到开挖层，取芯时应保持岩体的原产状，将岩芯自上而下每隔2m划分一个单元，并依次编号，如表1所示：

表1岩芯段的RQD值和D值的统计表

序号	孔深/m	RQD/(％)	D
				1	0～2
2	2～4
				3	4～6
4	6～8

……	……

步骤S12、获取岩芯壁图像，进行图像处理得到每一单元岩体裂隙网络分布图：采用三维成像技术将每单元岩芯壁产状信息以图片的形式导入计算机，并展开为平面图，经计算机处理得到岩体裂隙网络二值化图像；

步骤S13、获取每一单元的分形维数D及每一单元岩石的质量指标RQD并存储：针对每一个单元的二值化图像，获取裂隙网络分形维数D，记录并保存到表1中；然后观察岩芯的形态，利用RQD(％)＝Σl_i/L×100％，其中，l_i为单元岩芯未破坏岩块的长度，L为所取单元岩芯总长(本实施例优选每隔2m划分一个单元，即L＝2m),获取每个单元岩石的质量指标RQD，记录并保存到表1中；

步骤S14、以每个单元RQD(％)为横坐标，分形维数D为纵坐标，在excel表格中建立岩石质量指标RQD与分形维数D的定量关系图，拟合生成直线方程：D＝A-B×RQD，其中，A为当RQD为零时对应分形维数D的大小，B为直线的斜率；

步骤S15、根据上述拟合直线方程并结合岩石质量指标RQD的分级标准，参见表2,构建裂隙分维指标：

表2RQD质量分级指标

岩体状态	质量评价	RQD(％)
			无裂隙的	特好	90～100
致密的、微裂隙的	好	75～90
			块状的、裂隙发育的	一般	50～75
松散的、裂隙极发育的	不好	25～50
			粉末、细砂状	极差	0～25

参照岩石质量指标RQD的分级标准，将表2中RQD值所对应的的边界值，如90、75、50、25等分别代入D—RQD直线方程中，得到对应的D值K1、K2、K3、K4，将这4个数值记录到表3中，就得到了裂隙分维指标，表格中每个指标对应的岩体质量分别为很好、好、一般、差、很差5个等级：

表3裂隙分维指标

岩体质量	Ⅰ很好	Ⅱ好	Ⅲ一般	Ⅳ差	Ⅴ很差
						裂隙分维指标D	1.00～K₁	K₁～K₂	K₂～K₃	K₃～K₄	K₄～2.00

获得裂隙分维指标后，就可以通过测量分维数值来对采动覆岩质量其质量进行评价，本实施例中，具体评价过程如下，参考图1：

步骤S21、确定需要进行采动覆岩质量评价的煤层，布置测量孔：

根据采场的位置及地质条件，确定需要进行覆岩质量评价的煤层，裂隙演化测量范围以开切眼2为起点，参考图2，(所述开切眼是在运输巷和回风巷之间顺煤层掘进一条巷道，使其形成一套独立的回风***，回风***形成后才能布置采面)，沿水平开采方向4延伸，距离为煤层埋深高度，此范围即为裂隙演化测量范围；沿着水平开采方向4每隔20m～30m布置一个测量孔1，直到覆盖圈定的测量范围；本实施例优选每隔20m布置一个测量孔1，如图2、图3所示，测量孔1孔口位于煤层顶板3中部并垂直于顶板3，所有测量孔1位于同一竖直平面内。且在每个测量孔1内设置一个长度与孔深一致的标尺，并在各测量孔1内安装一台钻孔成像仪，测量孔1的孔径依据钻孔成像仪的直径选取，测量孔1的孔深依据煤层埋深选取，约为煤层埋深的一半，如图2所示，测量孔1的孔径和孔深依据实际需要进行设计。

步骤S22、获取各测量孔的孔壁视频信息：

在煤层开采过程中，使用所述钻孔成像仪按照工作面每推进2m～4m进行一次采集的频率采集各测量孔的孔壁视频信息，本实施例优选2m,将采集到的视频信息实时传输到计算机等待处理。

步骤S23、对上述视频信息进行实时处理，得到每次每个测量孔的孔壁展开二值化图像，与步骤S12中所述图像的二值化一样，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或者255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果，即裂隙的像素全部转化为黑色，非裂隙处的像素全部转化为白色，便于效果分析；

步骤S24、根据上述二值化图像分析所有的裂隙网络分形维数D’并存储：此步骤中与步骤S13中获取分形维数D的方法原理相同：

首先对二值化图像用半径由大至小变化的n种不同半径的圆进行覆盖，所述n≥9(n值没有具体的范围，可为无穷大，但不能过小，在这里我们给定了一个最小值9)，将裂隙的一端作为起点，然后以此点为圆心做一个半径为r的圆，把此圆与裂隙最初相交的点重新看作起点，以后反复进行同样的操作，直到裂隙网被所有的圆覆盖；

然后统计不同半径的圆覆盖后二值化图像上包含至少一条裂隙的各种圆的总数量。第一种圆的半径记为r₁，用第一种圆覆盖后二值化图像上包含至少一条裂隙的圆的个数记为N₁，第二种圆的半径记为r₂，r₂＝kr₁，0<k<1，用第二种圆覆盖后二值化图像上包含至少一条裂隙的圆的个数记为N₂，以此类推，第i种圆的半径记为r_i，r_i＝kr_i-1,用第i种圆覆盖后二值化图像上包含至少一条裂隙的圆的个数记为N_i；

最后以lgr为横坐标、lgN为纵坐标建立平面直角坐标系，并对r_i和N_i分别取对数，在lgr-lgN直角坐标系中描点并根据所描各点进行线性拟合得一直线，该直线斜率的绝对值即为所述裂隙网络的分形维数D。

步骤S25、依据裂隙分维指标获得采动覆岩质量等级：将每个测量孔每次得到的裂隙网络分形维数值D’分别与裂隙分维指标(表3)比较，得到每个测量孔在不同时刻的采动覆岩质量。

通过分形维数值更加直观的确定采动覆岩质量，定性并定量的表达岩体裂隙分布规律，并实现了对采动覆岩质量的动态评价，实现了监测覆岩状态的目的，进而指导煤层的不同位置的支护工作，保证采矿工程的安全性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，对执行顺序不做限制，也并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建裂隙分维指标：

S12、获取岩芯壁图像，并进行图像处理得到各个单元岩体的二值化图像；

S13、基于上述二值化图像，获取各个单元的分形维数D及各个单元岩石质量指标RQD并存储；

S14、根据步骤S13获得的分形维数D和岩石质量指标RQD，以RQD为横坐标，分形维数D为纵坐标，建立岩石质量指标RQD与分形维数D的定量关系图，并拟合直线方程；

S15、结合上述拟合直线方程构建裂隙分维指标；

S2、根据上述裂隙分维指标评价采动覆岩质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，所述步骤S2中评价采动覆岩质量包括以下步骤：

S21、确定需要进行采动覆岩质量评价的矿层，布置测量孔；

S22、获取各测量孔的孔壁视频信息；

S23、对上述视频信息进行处理，获得各个测量孔的孔壁展开二值化图像；

S24、根据上述二值化图像分析裂隙网络分形维数D’并存储；

S25、依据裂隙分维指标获得采动覆岩质量等级。

3.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，所述步骤S13中获取分形维数D包括以下步骤：

S133、求上述lgr-lgN拟合直线斜率的绝对值，即为分形维数D。

4.根据权利要求3所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，所述步骤S13中，岩石质量指标RQD通过RQD(％)＝Σl_i/L×100％获取，其中，l_i为单元岩芯未破坏岩块的长度，L为所取单元岩芯总长。

5.根据权利要求2所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，步骤S21中在布置测量孔时，以开切眼为起点，沿着水平开采方向每隔20m～30m布置一个测量孔。

6.根据权利要求5所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，步骤S21中在每个测量孔内设置有长度与孔深一致的标尺，且各测量孔内安装有钻孔成像仪。

7.根据权利要求6所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，步骤S22中，获取各测量孔视频信息时通过钻孔成像仪按照工作面每推进2m-4m进行一次图像采集的频率进行采集。

8.根据权利要求7所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，所述测量孔位于矿层顶板中部并垂直于顶板，所述顶板是指赋存在矿层之上的邻近岩层，所有的测量孔位于同一竖直平面内。

9.根据权利要求4所述的一种基于裂隙分维指标的采动覆岩质量评价方法，其特征在于，步骤S11中对岩芯进行单元划分时，将岩芯自上而下每隔2m划分一个单元，并依次编号存储。