顶板预裂爆破降能减震评价方法

技术领域

本发明涉及地下工程勘察技术领域，特别是涉及一种顶板预裂爆破降能减震评价方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

矿震是煤矿开采过程中诱发的非自然地震现象，会发生岩体内弹性应变能的迅速释放，并以震动波的形式向外传播能量，对煤矿安全生产带来危害。爆破是利用炸药在空气、水、土石介质或物体中爆炸所产生的压缩、松动、破坏、抛掷及杀伤作用，达到预期目的的技术，广泛应用于矿山工程、城市建设工程以及水利水电工程中。

目前，常利用顶板预裂爆破技术对关键层进行切顶卸压，破坏坚硬顶板，释放储存在岩体内部的大量弹性应变能，降低覆岩关键层的能量积聚程度和应力集中程度；顶板预裂爆破降能减震评价是矿震防控的关键步骤，也是爆破参数优化的基础。

现有技术中有根据岩体能量、岩体在爆破前后的波速分布等进行评价的方式，且都是单一因素的评价；但是，上覆岩层变形破断与岩体强度、微震能量密切相关，岩体强度越高越完整，矿震发生的可能性越大，目前未有根据岩体强度、微震能量与微震频次等指标以及多参数指标的耦合分析，使得爆破降能减震评价结果不全面。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种顶板预裂爆破降能减震评价方法，通过顶板预裂爆破前后的岩体强度、微震能量与微震频次的变化，实现顶板预裂爆破后的岩体强度弱化效果、降能效果和减震效果的定量评价，完善顶板预裂爆破降能减震评价方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种顶板预裂爆破降能减震评价方法，包括：

获取顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后钻进测试中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速度和钻头转等随钻参数，并根据预先构建的岩体强度随钻反演模型，得到顶板预裂爆破前的岩体强度和顶板预裂爆破后的岩体强度；

获取顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后微震监测中的微震平均能量与微震频次；

根据顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后的岩体强度、微震平均能量与微震频次确定岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率，由此评估顶板预裂爆破后的岩体强度弱化效果、降能效果和减震效果。

作为可选择的实施方式，岩体强度随钻反演模型为：

式中：S为岩体强度，V为钻进速度，M为钻进扭矩，N为钻头转速，F为钻进压力，a、b分别为拟合系数，δ为摩擦力与竖直方向夹角；κ为切削刃倾角；γ为切削力方向与切削刃法线方向夹角；R为钻头半径；L

作为可选择的实施方式，所述岩体强度弱化率为顶板预裂爆破前后的岩体强度的差值与顶板预裂爆破前的岩体强度的比。

作为可选择的实施方式，所述岩体强度弱化率反映顶板预裂爆破后的岩体强度弱化程度，若岩体强度弱化率大于第一标准值，则岩体强度弱化效果好，值越大，岩体强度弱化程度越好。

作为可选择的实施方式，所述微震能量降低率为顶板预裂爆破前后的微震平均能量的差值与顶板预裂爆破前的微震平均能量的比。

作为可选择的实施方式，所述微震能量降低率反映顶板预裂爆破后的岩体能量降能程度，若微震能量降低率大于第二标准值，则降能效果好，值越大，降能效果越好。

作为可选择的实施方式，所述微震频次降低率为顶板预裂爆破前后的微震频次的差值与顶板预裂爆破前的微震频次的比。

作为可选择的实施方式，所述微震频次降低率反映预裂爆破后的减震程度，若微震频次降低率大于第三标准值，则减震效果好，值越大，减震效果越好。

作为可选择的实施方式，根据岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率对顶板预裂爆破参数进行优化；具体地：当岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率均小于设定阈值，或有两个指标小于设定阈值，或有一个指标小于设定阈值时，爆破药量在原基础上增加设定比例，钻孔间距在原基础上减少设定比例；且设定的比例从三个指标均小于设定阈值、两个指标小于设定阈值、一个指标小于设定阈值依次减小。

作为可选择的实施方式，顶板预裂爆破包括井下顶板深孔爆破和地面顶板预裂爆破。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种通过随钻测试的岩体强度和微震参数耦合评价顶板预裂爆破降能减震效果的方法。利用智能钻进装备，开展现场钻进测试，实时获取钻进压力、钻进扭矩、钻进速度、钻头转速等随钻参数，继而根据岩体强度随钻反演模型，得到顶板预裂爆破前后的岩体强度；利用微震监测技术，获取顶板预裂爆破前后的微震平均能量和微震频次；通过顶板预裂爆破前后的岩体强度、微震能量与微震频次的变化，实现顶板预裂爆破后的岩体强度弱化效果、降能效果和减震效果的定量评价，完善顶板预裂爆破降能减震评价方法。

本发明根据前期地质勘查报告与现场随钻参数，开展梯度为2％的不同钻孔间距、不同爆破药量的数值试验，研究不同爆破参数对预裂爆破效果的影响，分析不同爆破参数的围岩应力分布和塑性区分布，从而得到最优预裂爆破参数，确定最优爆破方案。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的顶板预裂爆破降能减震评价方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的井下顶板深孔爆破布置图；

图3为本发明实施例1提供的地面顶板预裂爆破效果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“包含”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种顶板预裂爆破降能减震评价方法，包括：

获取顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后钻进测试中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速度和钻头转速的随钻参数，并根据预先构建的岩体强度随钻反演模型，得到顶板预裂爆破前的岩体强度和顶板预裂爆破后的岩体强度；

获取顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后微震监测中的微震平均能量与微震频次；

根据顶板预裂爆破前和顶板预裂爆破后的岩体强度、微震平均能量与微震频次确定岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率，由此评估顶板预裂爆破后的岩体强度弱化效果、降能效果和减震效果。

具体地，如图1所示；

步骤1：为推导岩体随钻过程中岩体强度的变化，利用智能钻进装备，开展室内随钻试验，获取钻进压力、钻进扭矩、钻进速度、钻头转速等随钻参数；根据力法原理，得到随钻参数与岩石单轴抗压强度之间的关系，建立岩体强度随钻反演模型；

式中：S为岩体强度，V为钻进速度，M为钻进扭矩，N为钻头转速，F为钻进压力，a、b分别为拟合系数，δ为摩擦力与竖直方向夹角；κ为切削刃倾角；γ为切削力方向与切削刃法线方向夹角；R为钻头半径；L

其中，所述智能钻进装备包括智能钻进系统、液压控制系统、监测控制系统等，通过特制的解析钻头与钻杆，可开展巷道现场钻进测试，得到随钻参数，以实时获取随钻过程的岩体强度。

步骤2：针对有矿震危险区域的煤矿巷道，利用智能钻进装备，开展现场钻进测试，实时获取钻进压力、钻进扭矩、钻进速度、钻头转速等随钻参数，继而根据岩体强度随钻反演模型，得到预裂爆破前的岩体强度。

步骤3：在矿震危险区域安装微震监测设备，利用微震监测技术，开展现场微震监测，实时监测预裂爆破前的微震平均能量与微震频次。

其中，微震能量从微震监测系统里直接导出来，然后计算一段时间的平均值。微震事件是指岩石在断裂时以地震波形式产生的震动。微震是指能量为100-100000J，震动频率小于150Hz的事件。

步骤4：开展预裂爆破作业，包括井下顶板深孔爆破和地面顶板预裂爆破，如图2-图3所示，破坏坚硬顶板，降低覆岩关键层的能量积聚程度和应力集中程度，对矿震危险区域进行预裂爆破降能减震处理。

步骤5：预裂爆破后，再次利用智能随钻装备进行现场钻进测试，获取预裂爆破后的岩体强度，以分析预裂爆破前后关键层岩体强度变化；利用现场布置的微震监测设备，获取预裂爆破后的微震平均能量和微震频次。

步骤6：对比分析预裂爆破前后的岩体强度、微震平均能量和微震频次，定量对降能减震效果进行评价；

具体地：

(1)根据预裂爆破前后的岩体强度计算岩体强度弱化率δ

δ

式中：δ

岩体强度弱化率δ

(2)根据预裂爆破前后的微震平均能量计算微震能量降低率δ

δ

式中：δ

微震能量降低率δ

(3)根据预裂爆破前后的微震频次计算预裂爆破微震频次降低率δ

δ

式中：δ

微震频次降低率δ

在本实施例中，通过顶板预裂爆破关键层的岩体强度、微震能量与微震频次的变化，实现顶板预裂爆破降能减震的评价，进而对爆破参数进行优化，具体优化规则如下：

当岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率均小于设定阈值(如10％)时，顶板预裂爆破降能减震效果差；那么，在原爆破方式情况下，爆破药量在原参数基础上增加10％，钻孔间距减少15％；

当岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率的3个指标有2个指标小于设定阈值(如10％)时，顶板预裂爆破降能减震效果较差；那么，在原爆破方式情况下，爆破药量在原参数基础上增加8％，钻孔间距减少10％。

当岩体强度弱化率、微震能量降低率和微震频次降低率的3个指标有1个指标小于设定阈值(如10％)时，顶板预裂爆破降能减震效果一般；那么，在原爆破方式情况下，爆破药量在原参数基础上增加5％，钻孔间距减少8％。

其他情况下，顶板预裂爆破降能减震效果较好，可以不需要进行优化。

在上述优化方案基础上，根据前期地质勘查报告与现场随钻参数，开展梯度为2％的不同钻孔间距、不同爆破药量的数值试验，研究不同爆破参数对预裂爆破效果的影响，分析不同爆破参数的围岩应力分布和塑性区分布，从而得到最优预裂爆破参数，确定最优爆破方案。

在本实施例中，还可以通过钻进扭矩的波动程度判断出爆破范围，爆破范围不参与降震效果评价；其中，通过钻进测试得到爆破范围，爆破区域岩体较破碎，钻进扭矩参数波动较大；在非爆破区域，岩体较完整，钻进扭矩参数波动较小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。