CN109839401A - 一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法，包括以下步骤：在发生明显的变形、移动或破坏的煤矿采空区围岩的非稳定区域内钻孔取芯；将钻孔取到的部分煤岩样磨成粉末；通过实验得到煤岩样孔径的分布特征；在已钻取的煤岩样上用小锤子取1~2cm2的小煤岩样，选取相对平整的自然断面为观察面，在扫描电镜下观察煤岩样孔隙、裂隙的均一性以及孔隙的配位数，综合分析孔隙类型及孔裂隙发育和连通程度，判定是否为裂隙发育区；继续沿步骤一钻孔的方向打钻孔，并用钻孔彩色电视观察采空区围岩三维裂隙场分布的形态特征，确定有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围；向判定为裂隙发育区的区域范围内注入浆液，达到堵水和加固的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法，属于煤矿堵水、加固技术领域。
背景技术
由于构造应力的作用使煤矿岩体中存在大量的孔隙和裂隙，在矿压、水压或扰动的状态下会发生贯通，这样不仅会使岩体的强度降低，还可能会导通突水通道，发生突水事故。因此在工程开挖前，一般先进行超前注浆，使浆液预先充填围岩裂隙，达到堵塞水流和加固围岩的目的。超前注浆技术的适用范围较广，如隧道施工；煤矿巷道穿越断层、破碎带、富含大量水的构造裂隙带；采空区围岩等。虽然超前预注浆技术已经发展的较为成熟，但是对于煤矿裂隙发育区的预测一般是凭借主观经验、或某些较为明显的征兆、或地质构造来确定，缺少一种定量、准确的判定方法。
发明内容
本发明旨在提供一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法，解决了现有裂隙发育区预测方法中主观经验性强、定量及准确性程度差的问题。
本发明首先利用压汞法、液氮吸附法和低温CO2吸附法分别测定出在某煤矿采空区围岩的非稳定区域钻孔取得的煤岩体粉末的宏孔、介孔和微孔的信息，判断宏孔体积与介孔体积在总孔隙体积中占的比例，再利用CT、SEM技术判断裂隙的发育程度、形态及连通性，当这两种方法综合分析的结果为该区域裂隙较发育或裂隙发育时，则判定其为裂隙发育区；之后用钻孔彩色电视观察该裂隙发育区三维裂隙场分布的形态特征，从得到的合成图像中判断有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围，进而确定最佳的注浆时间、位置和范围，进一步指导现场的超前注浆。
本发明提供了一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法，包括以下步骤：
步骤一：在发生明显的变形、移动或破坏的煤矿采空区围岩的非稳定区域内钻孔取芯；
步骤二：将钻孔取到的部分煤岩样用破碎机破碎成小块，然后用球磨机磨成粉末；
步骤三：将步骤二中磨好的煤岩样粉末，先进行压汞实验测定煤岩样粉末中的宏孔，即孔径大于50nm，可以利用压汞时的压力和对应的进汞量即汞饱和度得到喉道的大小及分布，且进退汞曲线及回滞环反映出孔隙半径的大小和分布；
再取该煤岩样粉末进行液氮吸附实验测定它的介孔，即孔径介于2~50nm之间，绘制液氮的吸附和脱附等温线，得到该煤岩体的孔容积及比表面积，并根据滞后环形状确定孔隙的形态；
另取煤岩样粉末进行CO2吸附实验测定它的微孔，即孔径小于2nm，得到CO2的等温吸脱附数据，然后根据描述或模拟CO2吸附的数学模型，得到煤岩样孔径的分布特征；
步骤四：在步骤一中钻取的煤岩样上用小锤子取1~2cm2的小煤岩样，选取相对平整的自然断面作为观察面，在扫描电镜下观察煤岩样孔隙、裂隙的均一性以及孔隙的配位数，配位数越多说明孔隙连通性越好；
然后在步骤一获取的煤岩样上钻取25mm*50mm的圆柱形样品，用X射线层析扫描，通过得到的样品CT数分析煤岩体的结构组分及孔裂隙特征，CT数越高密度越大；并通过扫描电镜和X射线层析扫描的数据，得到裂隙发育程度、形态及连通性的信息；
步骤五：综合分析步骤三中得到的孔隙类型及步骤四中得到的孔裂隙发育和连通程度，当综合分析的结果为该区域裂隙较发育或裂隙发育时，则判定其为裂隙发育区；
步骤六：继续沿步骤一钻孔的方向打钻孔，并用钻孔彩色电视观察采空区围岩三维裂隙场分布的形态特征，从得到的合成图像中确定有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围；
步骤七：向步骤五中判定为裂隙发育区的区域范围内注入适宜的浆液，达到堵水和加固的目的。
所述的步骤一中，钻孔的直径φ范围为60~110mm；取芯的位置应当选取在煤岩体上孔隙最为发育的区域，且长度至少为500mm；在取芯时速度不能过快，要保证芯样的表面没有明显的缺陷，否则要重新钻取；此外在钻孔时要配备瓦斯检定器及警报器，定期检查瓦斯浓度，防止发生瓦斯涌出或煤与瓦斯突出事故。
所述的步骤二中，煤岩样粉末的粒径应小于100目；且在进行步骤三的压汞实验、液氮吸脱附实验、低温CO2吸脱附实验中，煤岩样粉末的质量均为2~4g。
所述步骤五中，综合分析的具体方法为，当用压汞法测定的宏孔与低温液氮吸附测定的介孔体积之和占总孔隙体积，即宏孔体积+介孔体积+微孔体积的比例大于80%，同时经扫描电镜和X射线层析扫描判断出该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好，则将该区域判定为裂隙发育区；其中，判定发育程度及连通性的标准为：由扫描电镜得到的孔隙配位数>4，且X射线层析扫描得到的CT数<600HU，则认为该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好。
所述的步骤六中，通过钻孔彩色电视观察裂隙发育区范围内的有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围，根据有效隔水层厚度判断发生突水的可能性及时间，确定最佳的注浆时机；根据裂隙的起裂位置确定注浆的最佳位置；根据裂隙发育区的范围确定最佳注浆范围。
当有效隔水层的厚度不足以承受矿压及水压的综合作用，即将发生破坏或突水时，此时为注浆的最佳时机；注浆的最佳位置为位于裂隙起裂位置的5m范围之内；最佳的注浆范围应为裂隙发育区范围的1.3倍以外。
所述的步骤六中，浆液包括普通水泥—水玻璃浆液、超细水泥-水玻璃浆液以及高分子类化学浆液，具体浆液的选取要结合该裂隙发育区的地质特征和注浆的目的要求，选取合适的浆液进行注浆。
本发明的有益效果：
（1）通过现场观察及实验室试验分析，综合判别裂隙发育区，确定超前注浆的区域，减小了主观经验判断的误差；
（2）利用压汞法、液氮吸附法、低温CO2吸附法分别测定煤岩体粉末的宏孔、介孔、微孔，并结合CT、SEM技术，可以实现定量研究煤岩体的孔隙结构的目的；
（3）根据钻孔彩色电视观察到的有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围，可以进一步确定最佳的注浆时间、位置和范围，为掘进现场超前注浆提供理论指导。
附图说明
图1是本发明采空区裂隙发育区判定及处理的工艺流程方框图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，一种采空区裂隙发育区预测及超前注浆的方法，包括以下步骤：
S01：某煤矿采空区的围岩发生了较大的变形及细微的破坏，在该围岩的非稳定体区域内钻孔取芯，其中钻孔的孔径φ为60mm，取芯的位置选取在煤岩体上孔隙最为发育的区域，且长度为550mm。
S02：将钻孔取到的部分煤岩样用破碎机碎成小块，然后用球磨机磨成粉末，其中粉末的总质量为100g，且粒径小于100目。
S03：先取10gS02中磨好的煤岩体粉末，在70℃~80℃的烘箱中干燥12h，然后取4g左右的干燥煤岩样粉末进行压汞实验测定煤岩样粉末中的宏孔（孔径大于50nm），其中压汞仪由美国生产的，该仪器的压力范围为0.0035~414MPa，选取压力点108个，每点稳定时间为3min，可以利用压汞时的压力和对应的进汞量即汞饱和度得到喉道的大小及分布，且进退汞曲线及回滞环可以反映孔隙半径的大小和分布。
再取2g的该煤岩样粉末在液氮环境下进行高纯N2吸附实验测定它的介孔（孔径介于2~50nm之间），氮气吸附压力与饱和蒸气压比值（即相对压力）为0.01~1.00范围内，绘制液氮的吸附和脱附等温线，并通过BET方程得到裂隙的比表面积、BJH法计算孔径的分布，并可以根据滞后环形状确定孔的形态。
比表面积计算公式：
其中，V为平衡压力为P时，吸附气体的总体积；Vm为催化剂表面覆盖第一层满时所需气体的体积；P为被吸附气体在吸附温度下平衡时的压力；Ps为饱和蒸汽压力；C为与被吸附有关的常数。
另取4g的该煤岩样粉末进行CO2吸附实验测定它的微孔（孔径小于2nm），得到CO2的等温吸脱附数据，然后由密度函数理论（DFT）得到裂隙相应的孔径分布。
S04：在S01中获得的煤岩样上用小锤子取1~2cm2的小煤岩样，选取相对平整的自然断面作为观察面，在扫描电镜下观察煤岩样孔隙、裂隙的均一性以及孔隙的配位数，配位数越多说明孔隙连通性越好；之后在S01获取的煤岩样上钻取25mm*50mm的圆柱形样品，用X射线层析扫描（X-CT），通过CT数来分析煤岩体的结构组分及孔裂隙特征，CT数越高密度越大；综合分析扫描电镜（SEM）和X射线层析扫描（X-CT）的数据，得到裂隙发育程度、形态及连通性的信息。
S05：综合分析S03、S04、S05中得到的不同孔隙类型之间的比例及S06中得到的孔裂隙发育和连通程度，当综合分析的结果为该区域裂隙较发育或裂隙发育时，则判定其为裂隙发育区。
综合分析判断的方法如下：当用压汞法测定的宏孔与低温液氮吸附测定的介孔体积之和占总孔隙体积（宏孔体积+介孔体积+微孔体积）的比例大于80%，同时经扫描电镜和X射线层析扫描判断出该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好，则将该区域判定为裂隙发育区。其中，判定发育程度及连通性的标准为：由扫描电镜得到的孔隙配位数>4，且X射线层析扫描得到的CT数<600HU，则认为该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好。
经分析判断，该非稳定区域的宏孔与介孔的体积之和占总孔隙体积（宏孔体积+介孔体积+微孔体积）的比例为89%，扫描电镜（SEM）得到的孔隙配位数为5，X射线层析扫描的CT数为540HU，判断出该煤岩体的裂隙较为发育，裂隙的连通性也较好，可以将该区域判定为裂隙发育区。
S06：继续沿S01钻孔的方向打钻孔，并用钻孔彩色电视观察采空区围岩三维裂隙场分布的形态特征，确定有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围。
通过钻孔彩色电视得到的图像确定出裂隙发育区范围内的有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围，可以根据有效隔水层厚度确定最佳的注浆时机，即为有效隔水层的厚度不足以承受矿压及水压的综合作用，可能发生破坏或突水的时候；根据裂隙的起裂位置确定注浆的最佳位置，此位置应该位于裂隙起裂位置的5m范围之内；根据裂隙发育区的范围确定最佳注浆范围，且注浆的范围应至少为裂隙发育区范围的1.3倍。
S07：该煤矿采空区的围岩主要以加固为主，故在该围岩的裂隙发育区注入水灰比（质量）为0.8:1，水泥与水玻璃体积比为1:0.5的普通水泥—水玻璃浆液，达到注浆加固的目的。
Claims (10)
1.一种采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在发生明显的变形、移动或破坏的煤矿采空区围岩的非稳定区域内钻孔取芯；
步骤二：将钻孔取到的部分煤岩样用破碎机破碎成小块，然后用球磨机磨成粉末；
步骤三：将步骤二中磨好的煤岩样粉末，先进行压汞实验测定煤岩样粉末中的宏孔，即孔径大于50nm，可以利用压汞时的压力和对应的进汞量即汞饱和度得到喉道的大小及分布，且进退汞曲线及回滞环反映出孔隙半径的大小和分布；
再取该煤岩样粉末进行液氮吸附实验测定它的介孔，即孔径介于2~50nm之间，绘制液氮的吸附和脱附等温线，得到该煤岩体的孔容积及比表面积，并根据滞后环形状确定孔隙的形态；
另取煤岩样粉末进行CO2吸附实验测定它的微孔，即孔径小于2nm，得到CO2的等温吸脱附数据，然后根据描述或模拟CO2吸附的数学模型，得到煤岩样孔径的分布特征；
步骤四：在步骤一中钻取的煤岩样上用小锤子取1~2cm2的小煤岩样，选取相对平整的自然断面作为观察面，在扫描电镜下观察煤岩样孔隙、裂隙的均一性以及孔隙的配位数，配位数越多说明孔隙连通性越好；
然后在步骤一获取的煤岩样上钻取25mm*50mm的圆柱形样品，用X射线层析扫描，通过得到的样品CT数分析煤岩体的结构组分及孔裂隙特征，CT数越高密度越大；并通过扫描电镜和X射线层析扫描的数据，得到裂隙发育程度、形态及连通性的信息；
步骤五：综合分析步骤三中得到的孔隙类型及步骤四中得到的孔裂隙发育和连通程度，当综合分析的结果为该区域裂隙较发育或裂隙发育时，则判定其为裂隙发育区；
步骤六：继续沿步骤一钻孔的方向打钻孔，并用钻孔彩色电视观察采空区围岩三维裂隙场分布的形态特征，从得到的合成图像中确定出有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围；
步骤七：向步骤五中判定为裂隙发育区的区域范围内注入浆液，达到堵水和加固的目的。
2.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：所述的步骤一中，钻孔的直径φ为60~110mm；取芯的位置应当选取在煤岩体上孔隙最为发育的区域，且长度至少为500mm；在取芯时速度不能过快，要保证芯样的表面没有明显的缺陷，否则要重新钻取；此外在钻孔时要配备瓦斯检定器及警报器，定期检查瓦斯浓度，防止发生瓦斯涌出或煤与瓦斯突出事故。
3.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：所述的步骤二中，煤岩样粉末的粒径应小于100目；且在进行步骤三的压汞实验、液氮吸脱附实验、低温CO2吸脱附实验中，煤岩样粉末的质量均为2~4g。
4.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：步骤三中，进行汞压实验后，利用压汞时的压力和对应的进汞量即汞饱和度得到喉道的大小及分布，且进退汞曲线及回滞环反映孔隙半径的大小和分布。
5.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：步骤三中，进行液氮吸附实验时，绘制液氮的吸附和脱附等温线，并通过BET方程得到裂隙的比表面积、BJH法计算孔径的分布，并可以根据滞后环形状确定孔的形态；
比表面积计算公式为：
其中，V为平衡压力为P时，吸附气体的总体积；Vm为催化剂表面覆盖第一层满时所需气体的体积；P为被吸附气体在吸附温度下平衡时的压力；Ps为饱和蒸汽压力；C为与被吸附有关的常数。
6.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：步骤三中，进行CO2吸附实验时，得到CO2的等温吸脱附数据，然后由密度函数理论得到裂隙相应的孔径分布。
7.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：所述步骤五中，综合分析的具体方法为，当用压汞法测定的宏孔与低温液氮吸附测定的介孔体积之和占总孔隙体积，即宏孔体积+介孔体积+微孔体积的比例大于80%，同时经扫描电镜和X射线层析扫描判断出该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好，则将该区域判定为裂隙发育区；其中，判定发育程度及连通性的标准为：由扫描电镜得到的孔隙配位数>4，且X射线层析扫描得到的CT数<600HU，则认为该煤岩体的裂隙发育程度及连通性较好。
8.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：所述的步骤六中，通过钻孔彩色电视得到的图像观察裂隙发育区范围内的有效隔水层厚度、裂隙的起裂位置以及裂隙发育区的范围，根据有效隔水层厚度判断发生突水的可能性及时间，确定最佳的注浆时机；根据裂隙的起裂位置确定注浆的最佳位置；根据裂隙发育区的范围确定最佳注浆范围。
9.根据权利要求8所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：当有效隔水层的厚度不足以承受矿压及水压的综合作用，即将发生破坏或突水时，此时为注浆的最佳时机；注浆的最佳位置为位于裂隙起裂位置的5m范围之内；最佳的注浆范围应为裂隙发育区范围的1.3倍以外。
10.根据权利要求1所述的采空区裂隙发育区的判定和处理方法，其特征在于：步骤七中，所述浆液包括普通水泥—水玻璃浆液、超细水泥-水玻璃浆液以及高分子类化学浆液，结合该裂隙发育区的地质特征和注浆目的要求选取最合适的浆液进行注浆。
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