CN114993125B - 基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，涉及深部岩体钻爆掘进领域。包括：在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态；根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；基于所述掏槽孔网实施掏槽***。基于工程实践发现的地应力对***裂纹扩展的诱导效应对岩石破碎抛掷的影响效应，针对深部高应力岩巷的中深孔掏槽***，在掏槽***网孔布设时充分综合考虑地应力对岩石破碎抛掷的影响效应，可以改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。本发明适用于深部高应力岩巷掘进场景中。
Description
技术领域
本发明涉及深部岩体钻爆掘进领域，尤其涉及基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法。
背景技术
近年来，矿产资源的开采状态由露天转向地下，由浅部转向深部。其中，煤炭的开采深度达到了1500m，地热和有色金属的开采深度已分别超过了3000m和4350m，油气资源的开采深度更是达到了7500m。深部开采将成为常态，是保障我国能源和矿产资源供给的主要途径之一。随着资源开采向地球深部进军的过程中，资源开采环境更加复杂，开采难度急剧增加。矿产资源的深部化开采面临着“三高一扰动”，其中，深部岩体的高地应力特点是深部开采有别于浅部开采的一个显著差异，也是深部开采必须面对和解决的难题。为适应深部资源开采特点，各种涉及深部钻采施工的工艺也需要作出理论和技术革新。
在深部矿产资源开采或其它地下工程中，岩巷(岩石井巷)掘进是基础。其中，钻爆法通过机械打眼和装药***实现岩石破碎，是岩巷掘进的重要施工手段。在钻爆法掘进中，速度的关键在掏槽，质量的关键在周边。掏槽***效果的优劣对掘进进尺起到决定性的作用。
本申请的发明人在实现本发明创造的过程中发现：当前，一些学者提出的分阶分段掏槽***、大直径空孔掏槽***、楔直复合掏槽等掏槽***技术，在中深孔***应用中也取得一定的效果。然而，由于均未综合考虑深部地应力特点对***裂纹的影响，致使***效果欠佳。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，基于工程实践发现的地应力对***裂纹扩展的诱导效应对岩石破碎抛掷的影响效应，针对深部高应力岩巷的中深孔掏槽***，在掏槽***网孔布设时充分综合考虑地应力对岩石破碎抛掷的影响效应，可以改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，包括步骤：在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态；根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；基于所述掏槽孔网实施掏槽***。
可选地，所述在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态包括：在所述待掘进岩巷的临空面至少钻凿一个与掏槽孔相同深度的测试炮孔，所述测试炮孔直径与掏槽孔相同；在所述测试炮孔内装入与掏槽孔等量且相同装药方式的***，并置入***，堵塞炮孔；利用***起爆所述***，并经所述***引爆***；******后，基于***应力波、深部地应力及测试炮孔周围围岩夹制力的协同作用，使所述测试炮孔周边岩体发生破碎并形成裂纹；根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态。
可选地，所述垂直炮孔轴向的岩体剖面包含临空面表面；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态包括：以所述测试炮孔为中心，确定向四周延伸的裂纹长度；用喷漆、记号笔或电子扫描仪将所述裂纹长度的端点相连勾勒或绘制出临空面表面的裂纹分布轮廓，形成相应的裂纹***包络线；所述根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网包括：根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网。
可选地，所述裂纹***包络线的形状为椭圆形，所述裂纹***包络线的大小以其长轴和短轴表示；所述根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网包括：至少布设第一组掏槽孔，所述第一组掏槽孔至少布设4个，分别为第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔与所述测试炮孔直径、孔深、装药方式及装药量相同；按照第一掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第二掏槽孔起爆后的裂纹***包络线与第三掏槽孔起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第四掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分，布设所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，用于形成第一掏槽区域。
可选地，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔关于第二掏槽孔与第三掏槽孔的中心连线对称设置。
可选地，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距
第二掏槽孔与第三掏槽孔之间的中心距l2≤b，第一掏槽孔与第二掏槽孔之间的中心距、第一掏槽孔与第三掏槽孔的中心距、第二掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距、第三掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距均要满足/>
其中，a为所述临空面表面的裂纹***包络线的长半轴，b为所述临空面表面的裂纹***包络线的短半轴。
可选地，沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状一致；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态还包括：确定沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的大小；根据得到沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状及大小确定出地应力、***应力波和围岩夹制作用综合作用下的单孔***裂纹三维分布状态。
可选地，根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；基于所述水平偏移距离，确定第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔口及孔底位置；根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口斜向钻设所述第二掏槽与第三掏槽孔，使所述第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
可选地，所述第二掏槽孔与第三掏槽孔分别斜向第一掏槽区的中心钻设，所述第二掏槽孔的孔底与第三掏槽孔的孔底之间的中心距小于等于所述孔底裂纹***包络线的短轴长度。
可选地，所述第二掏槽孔与第三掏槽孔斜向钻设角度
可选地，根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；基于所水平偏移距离，确定第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔口及孔底位置；根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口分别斜向所述第一掏槽区域的中心钻设所述第一掏槽孔与第四掏槽孔，使所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
可选地，所述第一掏槽孔的孔底与第四掏槽孔的孔底之间的中心距小于等于所述孔底裂纹***包络线的长轴长度的
倍。
可选地，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的斜向钻设角度
可选地，在得到所述单孔***裂纹三维分布状态之后，所述方法还包括：根据孔底的裂纹***包络线的长轴及短轴长度、临空面表面的裂纹***包络线的长轴及短轴长度孔口椭圆形包络线的长轴长度及短轴长度和单孔装药量确定所述待掘进岩巷中深孔掏槽***的***单耗。
本发明实施例提供的基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，在基于钻爆法对深部高应力岩巷掘进时，预先通过在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态；根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；基于所述掏槽孔网实施掏槽***。这样，由于在掏槽孔网布设时，通过在岩巷原位临空面开展地应力***测试，预先获取待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态，并综合考虑深部高应力岩巷钻爆掘进工程中的高地应力、***应力波及深孔岩体夹制力三者协同对***裂纹的影响效应，针对深部高应力岩巷的中深孔掏槽***，在掏槽***网孔布设时充分综合考虑地应力对岩石破碎抛掷的影响效应，相比于当前未综合考虑高应力岩巷特点实施例的孔网布设方式实施***，可以改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明深部未开挖岩体所受三维应力状态模型图；
图2为本发明深部岩体中沿水平方向开挖的岩巷所处实际地应力状态模型图；
图3为无地应力作用下的裂纹分布状态图；
图4为不同单向地应力作用下的***裂纹分布状态图；
图5为双向等压地应力作用下的***裂纹分布状态图；
图6为双向不等压地应力作用下的***裂纹分布状态图；
图7为本发明一实施例基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法流程示意图；
图8为测试炮孔在待掘进岩巷临空面的相对位置示意图；
图9为临空面或垂直炮孔轴向剖面的裂纹分布示意图；
图10为沿炮孔轴向剖面的裂纹分布示意图；
图11为临空面处探测孔布置的相对位置示意图；
图12为单孔***条件下沿炮孔轴向的三维裂隙分布示意图；
图13为单孔***条件下三维裂隙分布范围(***包络线)简化图；
图14为高应力岩巷中深孔掏槽***的矩形布孔方式对应的***裂纹***包络线示意图；
图15为高应力岩巷中深孔掏槽***的菱形布孔方式对应的***裂纹***包络线示意图；
图16为高应力岩巷中深孔掏槽***的模块化菱形布孔方式对应的***裂纹***包络线示意图；
图17为2号掏槽孔和3号掏槽孔直眼布孔方式对应的孔底***包络线位置；
图18为2号掏槽孔和3号掏槽孔斜眼布孔方式对应的孔底***包络线位置；
图19为2号掏槽孔和3号掏槽孔的钻孔倾斜角度示意图；
图20为1号掏槽孔和4号掏槽孔由直眼变为斜眼时的孔底包络线位置变化；
图21为1号掏槽孔和4号掏槽孔的钻孔倾斜角度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，适用于深部高应力岩巷***掘进工程中。随着资源采掘从浅部转向深部，煤炭的开采深度达到了1500m，地热和有色金属的开采深度已分别超过了3000m和4350m，油气资源的开采深度更是达到了7500m。其中，“深部”或“深部岩体”在业内尚无明确具体的界定，其是相对于“浅部”或“浅部岩体”而言的，深部岩体的主要特点之一就是高地应力，有些国家以几百米为界限，有些以上千米为界限，无非就是地应力值有所不同，但均具有深部岩体的高地应力特点。所述中深孔是指深度在2.5m以上的炮孔。深部高地应力岩体的中深孔掏槽***的***效果主要受到两方面因素的影响。一是地应力对***裂纹扩展的导向效应，二是深孔夹制作用对岩石破碎和抛掷的影响效应。而目前业内在实施深部岩体掏槽***时，均未综合考虑深部岩体高应力特点，致使***效果不甚理想。
本发明实施例综合考虑地应力对***裂纹扩展的诱导效应和深孔夹制作用对岩石破碎抛掷的影响效应布设掏槽孔网，有利于充分利用地应力对***裂纹扩展的诱导效应及削弱深孔围岩的夹制作用，从而可以改善***效果。
本发明创造的发明人在提出本发明之前，基于深部岩巷工程实践，做了大量的相关研究。主要包括：地应力对***裂纹扩展的影响效应。该项研究成果有助于深入理解本发明实施例提供的技术方案及其技术效果。为此，以下对该项研究：地应力对***裂纹扩展的影响效应进行说明。
根据工程实践研究，深部未开挖岩体一般处于三维应力状态，水平方向地应力σh1和σh2以及竖直方向地应力σv，如图1所示。然而，对于深部岩体中沿水平方向开挖的岩巷来说，由于临空面(也称为自由面，是被***的岩石或介质与空气接触的表面，***的岩石沿此面滑动，强调***进行时岩体的滑动面)的存在，垂直于临空面的水平方向地应力在临空面形成时已释放，即垂直于临空面的水平方向地应力为0。由此可见，深部岩巷所处的实际地应力状态可简化为二维平面应变状态，即受到平行于临空面的水平方向地应力σh和竖直方向地应力σv的作用，如图2所示。
地应力对***裂纹的扩展有显著的影响。可采用连续-非连续单元法(CDEM)对不同地应力条件下的***裂纹扩展行为进行二维平面应变的数值模拟研究，以下结合数值模拟结果对地应力对***裂纹扩展的影响效应进行具体分析。数值模拟中岩石的普氏系数为3，即抗压强度为30MPa。
图3为无地应力作用下的裂纹分布状态图。请参看图3所示，竖直方向地应力σv＝0，水平方向地应力σh＝0，将此作为对照组与后面不同地应力场中***裂纹分布状态进行对比。
图4所示为不同单向地应力作用下的***裂纹分布状态图。其中，竖直方向地应力σv>0，水平方向地应力σh＝0，图4中的***裂纹分布状态图从左到右竖直方向地应力σv依次增大。与图3相比，从图4中可以看出，随着竖直方向地应力σv的增加，水平方向的裂纹扩展长度逐渐减小。
图5所示为双向等压地应力作用下的***裂纹分布状态图。其中，竖直方向地应力σv与水平方向地应力σh相等。从图中可以看出，随着双向等压地应力的增加，竖直和水平方向的裂纹扩展长度均逐渐减小，裂纹分布范围逐步缩小。
图6所示为双向不等压地应力作用下的***裂纹分布状态图。其中，竖直方向地应力σv与水平方向地应力σh不相等，且σv-σh＝5MPa。从图中可以看出，相同主应力差(σv-σh＝5MPa)条件下，地应力相对值的差异对***裂纹扩展也有显著影响。水平方向裂纹扩展长度随着水平方向地应力σh的增加而减小，竖直方向裂纹扩展长度也随着竖直方向地应力σv的增加而减小。
根据上述对照实验及分析可以明确：地应力的作用对***裂纹的分布状态有显著影响，并且不同的地应力状态对爆生裂纹分布状态的影响规律也不相同。因此，对于深部高应力岩巷的中深孔***，必须考虑地应力对***效果的影响效应，以进一步改善***效果。一般地，在工程实践中，深部高应力岩巷被开挖岩体往往处于双向不等压地应力状态，如图6所示的工况。
请参看图7所示，在一些实施例中，所述基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法包括步骤：
S110、在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态。
深部岩体的地应力状态复杂，还时常受到构造应力的影响。常规的地应力测量方法程序复杂、实时性较差，并难以直接建立地应力对***裂纹扩展和***效果影响的关联性，无法直接指导***参数优化和钻爆法施工。
因此，为确定待掘进岩巷(高应力岩巷)原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下***裂纹的分布状态，基于上述地应力状态对***裂纹分布规律的影响效应，在一些实施例中，可以采用原位单孔***的地应力测试方法。
具体的，所述在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态(步骤S110)包括：在所述待掘进岩巷的临空面至少钻凿一个与掏槽孔相同深度的测试炮孔，所述测试炮孔直径与掏槽孔相同；在所述测试炮孔内装入与掏槽孔等量且相同装药方式的***，并置入***，堵塞炮孔。
本实施例中，在正式开展岩巷掘进***之前，在待掘进岩巷的临空面至少钻凿一个与掏槽孔相同深度的测试炮孔，用于表征出反映待掘进岩巷所处地层起爆后，在地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态真实状况，再反向作为掏槽孔网的布设依据，以适应高应力岩巷特点，从而有利于改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
作为本发明一可选实施例，在高应力岩巷的临空面中间位置钻凿一个与掏槽孔相同深度的测试炮孔。测试炮孔的相对位置如图8所示。
利用***起爆所述***，并经所述***引爆***；******后，基于***应力波、深部地应力及测试炮孔周围围岩夹制力的协同作用，使所述测试炮孔周边岩体发生破碎并形成裂纹。
本实施例中，在测试炮孔起爆准备工作就绪后，相关人员转移至安全地点并设置警戒线，用***起爆***，由***引爆***。******后，炮孔周边岩体将在***应力波、深部地应力及测试炮孔周围围岩夹制力的协同作用下，发生破碎并形成裂纹。
可以理解的是，与浅部岩体浅孔岩巷***不同的是，在本实施例中的深部高应力岩巷中，掏槽区域的岩石破碎是在地应力、***应力和孔底夹制作用综合作用下产生的。***后，在垂直炮孔轴向的岩体剖面上会出现裂纹，岩巷临空面表面(孔口所在表面)也会出现裂纹。
根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态。
根据工程实践研究，裂纹***包络线的形状主要受地应力状态影响，因此，由于所处相同地层地应力状态环境中，垂直炮孔轴向的岩体剖面上出现的裂纹分布的形状基本一致。由此，根据临空面表面可见裂纹分布，即可确定出垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态。所述裂纹分布状态包含：裂纹***包络线(轮廓)的形状。
具体的，所述垂直炮孔轴向的岩体剖面包含临空面表面；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态包括：
以所述测试炮孔为中心，确定向四周延伸的裂纹长度；用喷漆、记号笔或电子扫描仪将所述裂纹长度的端点相连勾勒或绘制出临空面表面的裂纹分布轮廓，形成相应的裂纹***包络线。
本实施例中，可以初步将临空面表面的裂纹分布轮廓(即***包络线，如图8所示)用喷漆或记号笔或电子扫描仪等勾勒出来。裂纹长度和裂纹***包络线的形状及大小受到地应力状态的影响。如前所述，通常情况下，水平方向地应力σh和竖直方向地应力σv的大小是不同的。
图9所示为临空面或垂直炮孔轴向剖面的裂纹分布示意图。该实施例是竖直方向地应力σv大于水平方向地应力σh的情况，裂纹***包络线呈椭圆形。椭圆形包络线的长轴a的方向为竖直方向，短轴b的方向为水平方向。
由此可见，根据临空面表面的裂纹分布形状还可直观判断地应力场的最大主应力方向，图9所示的情况为竖直方向地应力为最大主应力。其它地应力分布情况也可据此类推作出判断。
如前所述：裂纹***包络线的形状主要受到地应力状态的影响，但是裂纹***包络线的大小和范围不仅受到地应力状态的影响，还会受到岩体夹制作用的影响。由于炮孔从孔口到孔底受到的岩体夹制力逐渐增加，因此，裂纹***包络线的大小和范围会有所不同。
为了确定炮孔轴向上形成的***裂纹三维分布状态，在一些实施例中，沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状一致；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态还包括：确定沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的大小；根据得到沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状及大小确定出地应力、***应力波和围岩夹制作用综合作用下的单孔***裂纹三维分布状态。
请参看图10所示，对于中深孔***，从孔口(临空面)到孔底，围岩的夹制作用逐渐增加。孔口处的岩石夹制作用小，而孔底处的岩石夹制作用大。在测试炮孔***后，孔底处的裂纹***包络线形状与孔口处相同，且其长短轴方向相同，但其大小和范围却小于孔口处。因此，孔口处的裂纹分布范围无法表征沿炮孔轴向不同剖面处的裂纹分布范围，需要进一步获取沿炮孔轴向不同剖面位置处的裂纹分布范围，在确定出沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状及大小之后，单孔***裂纹三维分布状态即可绘制得到，如图10所示。
示例性地，可采用钻孔声波测试的方法获取沿炮孔轴向不同剖面处的裂纹分布范围。由于其他剖面处的裂纹***包络线形状与临空面处的相同，所以只需要确定其它剖面处包络线的特征尺寸即可确定包络线范围和大小。对于椭圆形包络线，只需要确定半长轴长度a/2和半短轴长度b/2即可。如图11所示，在临空面上钻打两个与***孔相同深度的探测孔，1号探测孔位于椭圆型包络线的长轴方向，2号探测孔位于椭圆包络线的短轴方向。在***孔和两个探测孔内注水，***孔作为声波发射孔，两个探测孔作为声波接收孔。对***前后不同孔深位置处的声波信号进行测试和分析，获得不同孔深位置处的损伤程度及***裂纹的等效长度。即获得了不同剖面处的椭圆形包络线半长轴和半短轴的长度。本实施例提供的测量技术方案，可以在尽可能少打探测孔的情况下确定沿炮孔轴向不同剖面处的裂纹分布包络线。
根据上述步骤，可以得到单孔***条件下沿炮孔轴向的三维裂纹分布情况，如图12所示。由此，可以获得地应力、***应力和夹制作用三者综合作用下的单孔***裂纹***包络线的范围和大小，进而便可确定出相应的单孔***裂纹三维分布状态。
可以理解的是，如图12所示，上述采用声波测试的方法获得沿炮孔轴向不同剖面处的裂纹***包络线的大小的技术方案中，选取的剖面越多，最终得到的三维裂隙分布范围越准确。然而，现场测试的工作量和计算量却相应大大增加。出于工程应用的简便性和实用性考虑，可以只对孔底剖面进行测试，获得孔底位置处的裂纹***包络线。整个***破裂范围可以近似视为上、下底面均为椭圆的台体，如图13所示。
需要说明的是，获取不同剖面处的裂纹分布范围及大小的方法有很多，此处只是以声波测试的方法举例示意。为了突显本发明创新主旨所在，其它的方法就不再枚举。
进一步地，在得到所述单孔***裂纹三维分布状态之后，所述方法还包括：根据孔底的裂纹***包络线的长轴及短轴长度、临空面表面的裂纹***包络线的长轴及短轴长度孔口椭圆形包络线的长轴长度及短轴长度和单孔装药量确定所述待掘进岩巷中深孔掏槽***的***单耗。
示例性地，孔口椭圆形裂纹***包络线的长轴长度为a，短轴长度为b；孔底椭圆形裂纹***包络线的长轴长度为a0，短轴长度为b0，炮孔深度为l。则单孔***条件下破碎岩体的体积为
假设单孔装药量为Q，则根据单孔装药***结果，可推算出该高应力岩巷中深孔掏槽***的***单耗/>
本实施例中，还可确定地应力状态对***单耗的影响，具体为：在无应力地层中钻设用于对比的无应力测试炮孔；在所述无应力测试炮孔中按照与本实施例中所述的测试炮孔相同的装药方式装入等量的***，堵塞所述无应力测试炮孔；起爆该无应力测试炮孔，根据起爆后破碎岩体的体积与装药量计算出度相应的***单耗；将该***单耗与所述高应力岩巷中深孔掏槽***的***单耗进行比对，确定出地应力对***单耗的影响程度。
S120、根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网。
在获得深部高应力岩巷的单孔***裂纹三维分布特征和岩石裂纹***包络线大小范围(即岩体破碎范围)之后，为开展中深孔高效掏槽***孔网布设提供数据基础。对于多孔掏槽***，其***效果可简化为多个单孔***效果和破碎范围的叠加。
常用的直眼掏槽或斜眼掏槽的掏槽孔数目为4个或6个。以掏槽孔数目为4个为例，其中，第一掏槽孔为1号掏槽孔，第二掏槽孔为2号掏槽孔，第三掏槽孔为3号掏槽孔，第四掏槽孔为4号掏槽孔。通常4个掏槽孔呈矩形分布。如图14所示，在深部高应力岩巷中深孔***中，掏槽孔的这种矩形布孔方式是不合理的。从图中可以发现，在高地应力的作用下，单个炮孔形成的裂纹分布在任意垂直炮孔剖面处的裂纹***包络线均是椭圆形。因此，当掏槽孔采用常规矩形布孔形式时，4个掏槽孔起爆后构成的掏槽区域的中心部分无法被各个炮孔的破碎范围覆盖，即该区域岩体无法得到有效破碎，导致掏槽效果差。
因此，对于深部高应力岩巷的中深孔掏槽***，沿用常规的矩形布孔方式明显不够合理。请参看图14所示，本实施例中，具体的，所述根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网(步骤S120)包括：根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网。
针对所述裂纹***包络线的形状为椭圆形的情况，所述裂纹***包络线的大小以其长轴和短轴表示；在一些实施例中，所述根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网包括：
至少布设第一组掏槽孔，所述第一组掏槽孔至少布设4个，分别为第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔与所述测试炮孔直径、孔深、装药方式及装药量相同；
按照第一掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第二掏槽孔起爆后的裂纹***包络线与第三掏槽孔起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第四掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分，布设所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，用于形成第一掏槽区域。
进一步地，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔关于第二掏槽孔与第三掏槽孔的中心连线对称设置。
仍然以4个掏槽孔的形式根据本实施例提供的方案进行孔网参数优化，一个本实施例提供的方案，示例性地，如图15所示的菱形布孔方式，从图中可以直观地得出，如此布设孔网，可以使得掏槽区域无法被裂纹***包络线覆盖的区域有所减小，从而可以提高岩体破碎范围，改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
在一些实施例中，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距
第二掏槽孔与第三掏槽孔之间的中心距l2≤b，第一掏槽孔与第二掏槽孔之间的中心距、第一掏槽孔与第三掏槽孔的中心距、第二掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距、第三掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距均要满足/>
其中，a为所述临空面表面的裂纹***包络线的长半轴，b为所述所述临空面表面的裂纹***包络线的短半轴。
结合图15可知，当4个掏槽孔***后形成的椭圆形裂纹***包络线相互外切时，是炮孔间距选取的临界条件。此时，1号掏槽孔和4号掏槽孔的间距为
2号掏槽孔和3号掏槽孔的间距为b。这种椭圆形包络线相互外切布设掏槽孔的情况下，第一掏槽区域仍有较小区域未被各个炮孔的***破碎范围(裂纹***包络线)覆盖。因此，优选前述的裂纹***包络线相交布设掏槽孔，以尽可能使第一掏槽区域被全覆盖。为实现第一掏槽区域被全覆盖的技术目的，在一些实施例中，根据工程实践，炮孔间距必须满足：1号和4号掏槽孔中心距
2号和3号掏槽孔中心距l2＜b。进而，依据几何关系可进一步推导出，1号和2号掏槽孔中心距、1号和3号掏槽孔中心距、2号和4号掏槽孔中心距、3号和4号掏槽孔中心距均要满足/>
即图示示例中的菱形边长满足/>
这样，在各掏槽孔起爆之后，破碎裂纹可以全覆盖第一掏槽区域，改善了***效果。
需要说明的是，掏槽孔数目往往需要根据工程实际情况确定，上述示例是以4个掏槽孔为例进行说明。当掏槽数目增加时，仍然可以掏槽孔为4个的菱形布孔方式为基础，进行模块化的炮孔布置，如图16所示。相关炮孔中心距仍参照掏槽孔为4个的情况设置。这样，通过模块化布孔方式在充分利用炮孔有效破碎范围的同时，无需重复设计，也大大简化了孔网参数设计。
根据前述公开内容可知，对于中深孔掏槽***，夹制作用大，造成孔底的有效破碎范围小于孔口的。考虑到岩体夹制力对炮孔的***效果也具有影响。因此，在一些实施例中，所述根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；基于所水平偏移距离，确定第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔口及孔底位置；根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口斜向钻设所述第二掏槽与第三掏槽孔，使所述第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
本实施例中，根据单孔***裂纹三维分布状态，可以确定出岩体夹制力对炮孔轴向上所有断面裂纹***包络线的影响，进而根据该影响反向指导掏槽孔孔网按照上述方式布设，对掏槽孔孔网的进一步优化，可以进一步改善高应力岩巷中深孔***效果。
进一步地，所述第二掏槽孔与第三掏槽孔分别斜向第一掏槽区的中心钻设，所述第二掏槽孔的孔底与第三掏槽孔的孔底之间的中心距小于等于所述孔底裂纹***包络线的短轴长度。
本实施例中，布孔方式可以采用上述的示例的菱形布孔或者模块化菱形布孔方式，但是不能采用直眼掏槽的形式。这是因为单个炮孔的孔底有效破碎范围明显小于孔口的有效破碎范围，直眼掏槽形式导致炮孔的孔底距过大，掏槽底部岩石难以有效破碎并抛掷。仍以4个掏槽孔的菱形布孔方式为例，首先分析2号掏槽孔和3号掏槽孔的直眼形式与斜眼形式对比。图17为直眼的形式，可以看出2号掏槽孔和3号掏槽孔的孔底包络线并没有相交或相切，两个孔底包络线之间有较大范围的空隙，表明孔底有较大范围的岩体未被有效破碎范围覆盖，必然导致孔底破碎效果差，孔底岩石难以被有效抛掷。因此，需要将直眼变斜眼，即2号掏槽孔和3号掏槽孔在水平方向上向掏槽中心倾斜，使所述第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离，即使得2号掏槽孔和3号掏槽孔的孔底裂纹***包络线相互靠近，临界情况为两个炮孔的孔底包络线相切，如图18所示。
具体的，所述第二掏槽孔与第三掏槽孔斜向钻设角度
示例性地，图19所示为2号掏槽孔和3号掏槽孔的钻孔倾斜角度示意图。由于炮孔钻设倾斜角度θ水平相对较小，炮孔深度变化较小，炮孔深度仍视为l。根据几何关系计算得到临界条件下
起爆后二者孔底***裂纹包络线相切，尚存在未覆盖范围。为了保障孔底的有效破碎和抛掷，2号掏槽孔和3号掏槽孔的孔底中中心距应小于b0。对应的，2号掏槽孔和3号掏槽孔的倾角/>
这样，可以进一步改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
同理，1号掏槽孔和4号掏槽孔也需要采用斜眼形式，即1号掏槽孔和4号掏槽孔在竖直布设方向上向掏槽中心倾斜。图20所示为1号掏槽孔和4号掏槽孔由直眼变为斜眼时的孔底包络线位置变化，临界情况为2号掏槽孔和4号掏槽孔的孔底包络线与2号掏槽孔和3号掏槽孔的孔底包络线相切。
因此，在一些实施例中，根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；基于所水平偏移距离，确定第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔口及孔底位置；根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口分别斜向所述第一掏槽区域的中心钻设所述第一掏槽孔与第四掏槽孔，使所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
具体的，所述第一掏槽孔的孔底与第四掏槽孔的孔底之间的中心距小于等于所述孔底裂纹***包络线的长轴长度的
倍。
所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的斜向钻设角度
示例性地，图21所示为1号掏槽孔和4号掏槽孔的倾斜角度示意图。由于炮孔倾斜角度θ竖直相对较小，炮孔深度变化较小，炮孔深度仍视为l。根据几何关系计算得到临界条件下
为了保障孔底的有效破碎和抛掷，1号掏槽孔和4号掏槽孔的孔底距应小于/>
因此，1号掏槽孔和4号掏槽孔的倾角/>
时，***效果更好。
类似地，当掏槽孔数目超过4个时，依然按照上述基本思路计算并确定掏槽孔的钻设倾斜方向和倾斜角度，其技术构思相同，就不再赘述。
S130、基于所述掏槽孔网实施掏槽***。
为了突显本发明创新主旨所在，对起爆过程就不再赘述。
本实施例中，通过根据上述考虑地应力与岩体夹制力布设的掏槽孔网进行掏槽***，可以改善高应力岩巷中深孔掏槽***效果。
根据以上公开可知，本发明实施例提供的基于地应力诱导效应的深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，在基于钻爆法对深部高应力岩巷掘进时，预先通过在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态；根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；基于所述掏槽孔网实施掏槽***。这样，由于在掏槽孔网布设时，通过在岩巷原位临空面开展地应力***测试，预先获取待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态，并综合考虑深部高应力岩巷钻爆掘进工程中的高地应力、***应力波及深孔岩体夹制力三者协同对***裂纹的影响效应，针对深部高应力岩巷的中深孔掏槽***，在掏槽***网孔布设时充分综合考虑地应力对岩石破碎抛掷的影响效应，相比于当前未综合考虑高应力岩巷特点实施例的孔网布设方式实施***，可以改善***效果。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种深部高应力岩巷中深孔高效掏槽***方法，其特征在于，包括步骤：
在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态；
根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；
基于所述掏槽孔网实施掏槽***；
所述在待掘进岩巷原位临空面开展地应力***测试，获取所述待掘进岩巷原位所处地层岩体的地应力、***应力波及围岩夹制力协同作用下的裂纹分布状态包括：在所述待掘进岩巷的临空面至少钻凿一个与掏槽孔相同深度的测试炮孔，所述测试炮孔直径与所述掏槽孔相同；
在所述测试炮孔内装入与所述掏槽孔等量且相同装药方式的***，并置入***，堵塞炮孔；
利用***起爆所述***，并经所述***引爆***；
******后，基于***应力波、深部地应力及测试炮孔周围围岩夹制力的协同作用，使所述测试炮孔周边岩体发生破碎并形成裂纹；
根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态；
所述垂直炮孔轴向的岩体剖面包含临空面表面；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态包括：
以所述测试炮孔为中心，确定向四周延伸的裂纹长度；
用喷漆、记号笔或电子扫描仪将所述裂纹长度的端点相连勾勒或绘制出临空面表面的裂纹分布轮廓，形成相应的裂纹***包络线；
所述根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网包括：根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网；
所述裂纹***包络线的形状为椭圆形，所述裂纹***包络线的大小以其长轴和短轴表示；所述根据所述裂纹***包络线的形状及大小在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网包括：
至少布设第一组掏槽孔，所述第一组掏槽孔至少布设4个，分别为第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔与所述测试炮孔直径、孔深、装药方式及装药量相同；
按照第一掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第二掏槽孔起爆后的裂纹***包络线与第三掏槽孔起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分、第四掏槽孔起爆后的裂纹***包络线分别与第二掏槽孔及第三掏槽孔分别起爆后的裂纹***包络线至少存在相切或相交部分，布设所述第一掏槽孔、第二掏槽孔、第三掏槽孔及第四掏槽孔，用于形成第一掏槽区域；
沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状一致；所述根据临空面表面可见裂纹，确定在垂直炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹分布状态还包括：确定沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的大小；
根据得到沿炮孔轴向上、垂直于所述炮孔轴向的岩体剖面上的所述裂纹***包络线的形状及大小确定出地应力、***应力波和围岩夹制作用综合作用下的单孔***裂纹三维分布状态；
所述第二掏槽孔与第三掏槽孔分别斜向所述第一掏槽区域的中心钻设，所述第二掏槽孔的孔底与第三掏槽孔的孔底之间的中心距小于或等于所述孔底裂纹***包络线的短轴长度；
所述第一掏槽孔的孔底与第四掏槽孔的孔底之间的中心距小于等于所述孔底裂纹***包络线的长轴长度的
倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔关于第二掏槽孔与第三掏槽孔的中心连线对称设置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距
第二掏槽孔与第三掏槽孔之间的中心距l2≤b，第一掏槽孔与第二掏槽孔之间的中心距、第一掏槽孔与第三掏槽孔的中心距、第二掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距、第三掏槽孔与第四掏槽孔之间的中心距均要满足/>
其中，a为所述临空面表面的裂纹***包络线的长轴长度，b为所述临空面表面的裂纹***包络线的短轴长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：
根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；
基于所述水平偏移距离，确定第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔口及孔底位置；
根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口斜向钻设所述第二掏槽孔与第三掏槽孔，使所述第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二掏槽孔与第三掏槽孔斜向钻设角度
其中，b为第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔口中心间距，b0为第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔底中心间距，l为第二掏槽孔与第三掏槽孔的孔深。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述裂纹分布状态在所述待掘进岩巷的临空面布设掏槽孔网还包括：
根据所述单孔***裂纹三维分布状态确定临空面表面的裂纹***包络线的中心相对于孔底的裂纹***包络线的中心的水平偏移距离；
基于所述水平偏移距离，确定第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔口及孔底位置；
根据确定的所述孔口及孔底位置，从所述孔口分别斜向所述第一掏槽区域的中心钻设所述第一掏槽孔与第四掏槽孔，使所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔底的中心到所述孔口的中心的中心距大于或等于所述水平偏移距离。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一掏槽孔与第四掏槽孔的斜向钻设角度
其中，a为孔口椭圆形裂纹***包络线的长轴长度；a0为孔底椭圆形裂纹***包络线的长轴长度，l为第一掏槽孔与第四掏槽孔的孔深。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到所述单孔***裂纹三维分布状态之后，所述方法还包括：根据孔底的裂纹***包络线的长轴及短轴长度、孔口椭圆形裂纹***包络线的长轴长度及短轴长度和单孔装药量确定所述待掘进岩巷中深孔掏槽***的***单耗。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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