深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法

技术领域

本发明属于巷道围岩控制技术领域，涉及深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法。

背景技术

煤炭是能源供给的主体；随着浅埋深能源储量的逐渐枯竭，深部地下资源开采已成为国家能源安全及经济可持续发展的关键，深部煤炭资源的利用已成为必然趋势；深部工程地质环境呈现出“五高两扰动”的特征，即高地应力、高瓦斯、高环境温度、高冲击倾向和高渗透压凸显，开采应力扰动和巷道群开挖时序扰动强烈，使得巷道所处的地质环境愈发复杂，巷道围岩在物理力学性质上表现出与浅部围岩的不同，导致深部巷道围岩控制较浅部巷道难度加大；

深部软岩巷道开挖后，受高应力和软岩自身强度小的影响，围岩出现变形量大、变形持续时间长和变形速率快的特征，巷道顶板整体下沉、帮部鼓出和底板结构性流变的问题突显，同时后续采动影响还将进一步加剧巷道变形破坏；现阶段深部软岩多次翻修已成为常态，据统计约90％的深部软岩巷道至少经过一次翻修，有效控制深部软岩巷道已经成为深部煤炭资源开采亟需解决的难题。

锚固技术作为控制巷道围岩变形灾害的重要手段，其可以快速提高围岩的整体强度，已成为煤矿领域巷道支护的主要方法。相关研究证实：矿井水矿化度是影响支护体性能的重要因素。锚杆在高矿化度矿井水环境中形成腐蚀效应，造成杆体有效直径缩减严重，导致锚杆杆体的拉拔力降低，引发巷道围岩支护体系的整体失稳。

高效、简捷和合理的评价深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性可掌握巷道围岩不同阶段的稳定程度，预防和规避深部软岩巷道因变形失稳引发的安全事故，同时可为深部软岩巷道围岩支护方法选择和支护参数设计提供依据，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，针对深部软岩巷道围岩受高应力和高矿化度矿井水影响严重的问题，可快速实时的评价巷道围岩不同阶段的稳定程度，对巷道围岩稳定性控制具有指导作用。

本发明所采用的技术方案是，深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，具体为：通过选定的时间因素、环境湿度因素、高应力因素和矿井水矿化度因素，结合实验室和现场测试结果，确定各影响因素的敏感度，同时基于专家打分法和AHP方法，快速求得深部软岩巷道围岩综合得分，进而确定深部软岩巷道围岩稳定性级别。

本发明的特点还在于：

深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，定义深部软岩影响因素敏感度；

步骤2，确定锚杆强度对高矿化水的敏感度；

步骤3，定义深部软岩对高应力的敏感度；

步骤4，根据确定的深部软岩对各影响因素敏感度，采用专家打分法，对各影响因素进行综合评定打分；

步骤5，采用AHP方法，构建目标层为各影响因素权重、指标层为各影响因素、方案层为各影响因素综合评定打分的分析模型；

步骤6，对各影响因素进行两两比较，并采用相对尺度、减少性质不同的两因素比较困难，提高准确度；

步骤7，基于各因素比较结果，构建指标层对目标层的判断矩阵，同时检验判断矩阵的一致性；

步骤8，基于确定的各影响因素权重向量和各影响因素综合评定打分；

其中步骤1具体为：测试深部软岩干燥条件下的单轴抗压强度，以及深部软岩不同湿度q和不同时间t条件下的抗压强度，并定义深部软岩影响因素敏感度，即深部软岩在各影响因素单独作用下的抗压强度与干燥条件下单轴抗压强度的比值，如下式所示：

环境湿度一定时：

时间一定时：

式中，T为深部软岩干燥条件下的单轴抗压强度；T

其中步骤2具体为：

测试锚杆抗拉强度和不同矿化度矿井水mk和不同时间mt作用下的锚杆抗拉强度，确定锚杆强度对高矿化水的敏感度，如下式所示：

矿井水矿化度一定时：

时间一定时：

式中，T

其中步骤3具体为：

测试现场软岩巷道垂直方向的地应力大小cy，定义深部软岩对高应力的敏感度，即现场测试的垂直地应力与软岩单轴抗压强度的比值，如下式所示：

式中，T

其中步骤4具体为：

根据确定的深部软岩对各影响因素敏感度，采用专家打分法，对各影响因素进行综合评定打分，分值介于0～100分，分别为G

其中步骤6具体为：

比较中，设置9个标度，其中1、3、5、7和9表示两个因素相比较，重要性分别为同样重要、稍微重要、明显重要、强烈重要和极端重要；2、4、6和8表示两相邻判断的中值，且因素A和B相比较的结果与因素B和A相比较的结果互为倒数；

其中步骤7中当判断矩阵一致性在允许范围内时，求解判断矩阵最大特征根的特征向量，并进行归一化处理，求得各影响因素的权重向量，分别为W

其中步骤8具体为：

基于确定的各影响因素权重向量和各影响因素综合评定打分，求解各影响因素综合作用下的深部软岩稳定性综合得分Q，计算公式如下：

Q＝G

同时建立深部软岩巷道围岩稳定性分类定级，将深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性划分为稳定、一般稳定、不稳定和极不稳定四类，建立各稳定级别对应综合得分表。

本发明的有益效果是：

本发明的深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，通过选定的时间因素、环境湿度因素、高应力因素和矿井水矿化度因素，结合实验室和现场测试结果，确定各影响因素敏感度，同时基于专家打分法和AHP方法，可快速求得深部软岩巷道围岩综合得分，进而确定深部软岩巷道围岩稳定性级别，对深部软岩巷道围岩支护方法选择和支护参数设计具有指导和借鉴作用。

附图说明

图1是本发明的深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法中基于专家打分法和AHP方法的分析模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，具体如下述实施例所示：

实施例1，本发明的整体构思如下：

深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，定义深部软岩影响因素敏感度：

测试深部软岩干燥条件下的单轴抗压强度，以及深部软岩不同湿度q和不同时间t条件下的抗压强度，并定义深部软岩影响因素敏感度，即深部软岩在各影响因素单独作用下的抗压强度与干燥条件下单轴抗压强度的比值，如下式所示：

环境湿度一定时：

时间一定时：

式中，T为深部软岩干燥条件下的单轴抗压强度；T

步骤2，确定锚杆强度对高矿化水的敏感度：

测试锚杆抗拉强度和不同矿化度矿井水mk和不同时间mt作用下的锚杆抗拉强度，确定锚杆强度对高矿化水的敏感度，如下式所示：

矿井水矿化度一定时：

时间一定时：

式中，T

步骤3，定义深部软岩对高应力的敏感度：

测试现场软岩巷道垂直方向的地应力大小cy，定义深部软岩对高应力的敏感度，即现场测试的垂直地应力与软岩单轴抗压强度的比值，如下式所示：

式中，T

步骤4，根据确定的深部软岩对各影响因素敏感度，采用专家打分法，对各影响因素进行综合评定打分，分值介于0～100分，分别为G

步骤5，采用AHP方法，构建目标层为各影响因素权重、指标层为各影响因素、方案层为各影响因素综合评定打分的分析模型，如图1所示；

步骤6，对各影响因素进行两两比较，并采用相对尺度、减少性质不同的两因素比较困难，提高准确度，比较中，设置9个标度，其中1、3、5、7和9表示两个因素相比较，重要性分别为同样重要、稍微重要、明显重要、强烈重要和极端重要；2、4、6和8表示两相邻判断的中值，且因素A和B相比较的结果与因素B和A相比较的结果互为倒数；

步骤7，基于各因素比较结果，构建指标层对目标层的判断矩阵，同时检验判断矩阵的一致性，当判断矩阵一致性在允许范围内时，求解判断矩阵最大特征根的特征向量，并进行归一化处理，求得各影响因素的权重向量，分别为W

表1不同阶矩阵一致性指标标准值

步骤8，基于确定的各影响因素权重向量和各影响因素综合评定打分：

求解各影响因素综合作用下的深部软岩稳定性综合得分Q，计算公式如下：

Q＝G

同时建立深部软岩巷道围岩稳定性分类定级，将深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性划分为稳定、一般稳定、不稳定和极不稳定四类，建立各稳定级别对应综合得分表，如下表2所示。

表2深部软岩巷道围岩稳定性分级

实施例2，本发明的构思存在的优势；

本发明的深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价方法，主要用于深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性评价，指导巷道支护参数设计，具体特点如下：

从时间因素、环境湿度因素、高应力因素和矿井水矿化度因素评价深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性；步骤1～步骤3中，定义了影响因素敏感度计算方法，并基于实验室实验和现场测试的数据，确定了各影响因素的敏感度大小；基于各影响因素的敏感度，采用专家打分法对各影响因素进行综合评定打分，量化了评分区间，采用AHP方法确定了各影响因素的权重，构建了深部软岩稳定性综合得分计算公式，划分了深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性等级，量化了综合得分与深部软岩巷道围岩稳定性等级的关系，最后提供了一种高效、简捷和合理评价深部高应力高矿化水作用下软岩巷道围岩稳定性的方法。

实施例3，本发明的方法具体实际应用如下：

某矿井面临深部高应力高矿化水作用下软岩巷道控制的难题，矿井埋深700m，矿井水矿化度为5000mg/L，环境湿度为50％，煤层顶底板岩性为泥岩和砂质泥岩为主，属于软岩巷道；现场取样测试泥岩干燥条件下的单轴抗压强度为20MPa，实验室模拟井下巷道湿度分别为30％和50％，泥岩在模拟巷道环境中静止15天和30天后，实验室测试泥岩在30％湿度环境中15天和30天后的单轴抗压强度分别为18MPa和16MPa，在50％湿度环境中15天和30天后的单轴抗压强度分别为15MPa和8MPa；现场采用直径22mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，实测锚杆抗拉强度为150MPa，将锚杆浸泡在矿化度分别为1000mg/L和5000mg/L的矿井水中，分别静止15天和30天，浸泡在1000mg/L中的锚杆抗拉强度分别为148MPa和140MPa，浸泡在5000mg/L中的锚杆抗拉强度分别为145MPa和130MPa；现场实测巷道垂直方向地应力大小为17.5MPa。

基于本发明的方法，进行如下分析计算：

(1)基于实验室实测的泥岩干燥条件下的单轴抗压强度，结合式(1)求得深部软岩对时间的敏感度计算如下：

(2)深部软岩对湿度的敏感度结合式(2)计算如下：

(3)锚杆强度对时间的敏感度结合式(3)计算如下：

(4)锚杆强度对矿井水矿化度的敏感度结合式(4)计算如下：

(5)深部软岩对高应力的敏感度结合式(5)计算如下：

(6)基于深部软岩对各影响因素的敏感度，采用专家打分法对各影响因素进行综合评定打分，结果如下表3所示：

表3各影响因素综合评定打分

(7)基于AHP方法，对两影响因素进行相互比较，构件判断矩阵(P)如下所示：

(8)检验判断矩阵的一致性，根据判断矩阵的最大特征根和矩阵阶数，可以求得判断矩阵的不一致程度；其中判断矩阵的最大特征根和不一致程度计算如下，式中CI为一致性指标，CI越小，表示判断矩阵的一致性越强。为准确衡量CI值大小，引入随机一致性指标RI。将CI和RI进行比较得到一致性检验系数CR，如下式所示。一般当CR＜0.1时，认为判断矩阵可通过一致性检验。

(9)基于一致性检验系数CR可知，判断矩阵(G)的不一致性在容许范围内。据此，判断矩阵求解过程中的权重向量可作为各影响因素的权重。各影响因素综合评分和权重如下表4所示：

表4各影响因素权重

(10)根据各影响因素综合作用下的深部软岩稳定性综合得分(Q)计算公式，可以求得深部软岩稳定性综合得分结合式(6)计算如下式：

Q＝G

＝60×0.18+70×0.24+10×0.04+30×0.12+90×0.42

＝69.4

(11)根据深部软岩稳定性综合得分和围岩稳定性分级，某矿高应力高矿化水作用下的软岩巷道围岩稳定性级别属于不稳定，应加强现场围岩监测，并采取相应的补强支护措施。