一种高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法

技术领域

本发明提供了一种高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法，属于井工煤矿巷道支护技术领域。

背景技术

巷硐是井工煤矿生产系统的重要组成部分，随着井工煤矿开采的深部化和采掘、运输设备的大型化，井下巷道围岩空间应力状态日益复杂，巷道断面越来大。同时，受煤系地层的沉积条件和煤层赋存条件综合影响，致使软岩底板在复杂应力条件和大断面采出空间的综合作用下向巷道内部强烈挤出，引起巷道强烈底鼓，严重影响矿井正常的生产运输，极大限制了矿井的高效生产。

巷道底板承受着经由两帮向下传递的来自顶板覆岩的矿山采动压力，在这种采动压力的作用下，体现为底板岩层的挤压破碎，而后在水平应力的作用下向采出空间内部挤压膨胀。高地应力（大埋深）巷道由于本身所处应力环境复杂，故底板破坏范围和挤压膨胀更为剧烈，因此，对于高地应力大断面软岩底板巷道的底鼓治理问题中，确定巷道底板的破裂区范围，并采取一定方法对破裂区进行治理是这类巷道底鼓控制的核心内容。

现阶段，巷道底板（围岩）破裂区的确定方法主要包括：理论分析法、现场实测法和数值计算法。理论分析法在一定程度上可以对巷道底板破裂区范围进行初步评价，但受制于巷道本身赋存、空间应力环境等复杂条件和计算过程的简化的影响，其计算结果往往与现场相差较大；现场实测方法主要有基于声波、地磁等的物探方法，但受制于软岩巷道本身力学性质影响，波速衰减和反射受到极大限制。同时受到生产过程中其它信号的干扰，往往存在探测结果与实测目标依存度存在较大差距的现实问题；数值分析法在一定条件下可以综合考虑巷道赋存应力空间状态和煤系地层赋存状态，对软岩巷道底板破裂区范围进行直观展示，是现阶段巷道围岩破碎范围、形态研究的重要手段。但受制于煤系地层的各向异性和原生节理的随机性，往往也存在较大差异。离散数值计算方法中，接触参数对于岩层宏观力学响应具有控制作用，在采用不同方式进行离散时，对离散参数进行修正，是实现高精度计算的前提条件。故采取合理的网格离散方法，将煤系地层各项异性和原生节理随机性综合考虑到巷道底板稳定性数值计算中，对于提高模拟结果的准确度和为软岩大断面巷道底鼓控制具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决现有巷道底板破裂区确定中存在的计算结果不准确与实际差距较大的问题，提出了一种高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法，采用VORONOI法离散的岩石宏观参数修正方法和底板围岩破裂区确定方法，进而结合破裂区形态范围给出高应力大断面软岩底板底鼓的综合治理方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法，包括如下步骤：

S1：利用3DEC数值计算软件开展VORONOI法标定试验，具体包括：

S101：建立VORONOI法离散的标准岩石试件；

S102：对标准岩石试件开展单轴压缩和巴西劈裂试验；

S103：对节理参数进行敏感性排序；

S104：得到岩石的宏观变量与节理参数的修正函数；

S2：建立基于VORONOI法离散的数值计算模型，开展数值试验，具体包括：

S201：建立数值计算模型，并采用VORONOI法进行离散；

S202：利用修正函数确定节理参数，并赋值于数值计算模型；

S203：数值计算模型开挖，确定巷道底板破裂区形态及发育深度参数；

S3：生成生石灰铺底+预应力锚索+混凝土弧形梁+C20高强混凝土填充高地应力软岩底板底鼓的综合治理方法，具体包括：

S301：以巷道宽度方向为边界，向下超挖数值计算所得底板破坏区发育深度的弧形空间；

S302：在弧形超挖空间向巷道帮部和底部方向施工高预应力锚索；

S303：在弧形超挖空间底部均匀铺设设定厚度的生石灰作为隔水屏障；

S304：将预制混凝土弧形梁放入弧形超挖空间；

S305：采用C20高强混凝土回填超挖处的弧形空间。

所述步骤S101中建立VORONOI法离散的标准岩石试件的过程如下：

采用VORONOI法将巷道底板岩层随机离散为多边形边长不大于5mm的可变形体，其中，标准岩石试件包括单轴压缩试件和巴西圆盘试件，单轴压缩试件的尺寸

所述步骤S102中对标准岩石试件开展单轴压缩和巴西劈裂试验的过程如下：

给单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型的节理梯度赋值，并开展正交力学试验，获取岩石单轴压缩过程中的全应力应变曲线，进而得到岩石的宏观单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、峰后脆性程度力学参数；

获取圆盘劈裂过程中的宏观抗拉极限强度。

所述步骤S104中得到岩石的宏观变量与节理参数的修正函数的过程如下：

将宏观变量与节理参数进行多元非线性拟合，得到宏观变量与节理参数与的修正函数，其中宏观变量包括岩石的宏观单轴抗压强度、宏观抗拉强度、宏观弹性模量、宏观脆性；

岩石的宏观单轴抗压强度与节理参数的修正函数的表达式如下：

；

上式中：

岩石的宏观抗拉强度与节理参数的修正函数的表达式如下：

；

上式中：

岩石的宏观弹性模量与节理参数的修正函数的表达式如下：

；

岩石的宏观脆性与节理参数的修正函数的表达式如下：

。

所述步骤S201中的数值计算模型是采用3DEC数值计算软件建立的基于现场巷道实赋存和断面特征的数值计算模型，包括单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型；

将通过修正函数计算所得的节理参数赋值于底板岩层，开展数值计算。

在进行数值计算的过程中，重点突出巷道底板破裂区发育状态，除巷道底板外的围岩采用有限元法进行网格划分。

在数值计算的过程中，未模拟的覆岩以均布载荷施加于数值计算模型上表面，均布载荷计算公式为：

；

上式中：γ为覆岩平均容重；H为巷道埋深；

数值计算模型在自重平衡后，对模型施加侧压，侧压施加载荷的大小表示为：

，k为实测地应力侧压系数；

在侧压和自重平衡后，开挖巷道，并标记节理张开度＞0的裂隙发育范围，得到底板破裂区破坏形态和最大破坏深度。

所述步骤S3中底板锚索间距不大于1600mm，排距不大于2000mm，直径不小于15.24mm，长度不小于1500m，预应力不小于100kN，每个钻孔填充有水灰比为0.8:1的超细水泥浆。

工程尺度下巷道底板离散的VORONOI多边形边长不大于50cm。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法，通过VORONOI法对离散的岩石宏观参数进行修正，并实现了底板围岩破裂区的确定，进而结合破裂区形态范围给出一种生石灰铺底+预应力锚索+混凝土弧形梁+C20高强混凝土填充的高地应力软岩底板巷道底鼓综合治理方法。本发明能够综合考虑巷道底板围岩赋存状态，将煤系地层各项异性和原生节理随机性综合考虑到巷道底板稳定性数值计算中，提高巷道底板破裂区形态数值计算准确度。为超挖弧形空间提供施工依据，实现高地应力软岩底板巷道底鼓的综合治理。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明方法的流程图；

图2为采用3DEC数值计算软件内置VORONOI法离散形成的标准单轴压缩试件的模型图；

图3为图2中标准单轴压缩试件进行单轴压缩的试验结果图；

图4为采用3DEC数值计算软件内置VORONOI法离散形成的标准巴西圆盘试件的模型图；

图5为图4中标准巴西圆盘试件进行巴西劈裂试验的结果图；

图6为单一变量的节理参数敏感性排序结果图；

图7为岩石宏观抗拉强度的多元非线性回归曲线图；

图8为巷道底板节理张开度＞0的裂隙发育范围及破裂区形态示意图；

图9为巷道底板石灰铺底+预应力锚索+混凝土弧形梁+C20高强混凝土填充的高地应力软岩底板巷道底鼓综合治理方法应用的结构示意图；

图10为图9中A处的放大结构示意图；

图中：1为C20高强混凝土结构、2为锚杆、3为预应力锚索、4为预制混凝土弧形梁、5为生石灰、6为超细水泥浆。

具体实施方式

本发明提供了一种高应力大断面软岩底板破裂区确定及底鼓治理方法，其流程如图1所示，包括利用3DEC数值计算软件，采用内置VORONOI法将巷道底板岩层随机离散为多边形边长不大于5mm的可变形体，分别为如图2所示的标准单轴压缩试件和如图4所示的巴西圆盘试件，其中，单轴压缩试件的尺寸为

VORONOI法是对特定空间的一种剖分方法，其特点是多边形内的任何位置离该多边形的样点的距离最近，离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内仅包含一个样点。由于VORONOI法在空间剖分上的等分性特征，可用于解决最近点、最小封闭圆等问题，以及许多空间分析问题，如邻接、接近度和可达性分析等，进而提高离散结果的随机性。

VORONOI法的原理为：若三维空间内上任意一点（x

；

若点（x

。

对单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型的节理梯度赋值，开展正交力学试验，获取单轴压缩过程中的全应力应变曲线，进而得到岩石宏观的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、峰后脆性程度等力学参数，如图3所示；获取圆盘劈裂过程中的宏观抗拉极限强度，如图5所示；下表1为单轴压缩和巴西劈裂的试验组合及结果统计表；

表1。

对表1所得结果进行敏感性分析，完成变量的节理参数敏感排序，主要包括节理内聚力、节理摩擦角、节理抗拉强度；其排序结果如图6所示，需要说明的是，在本排序中取显著性水平α=0.5为判定是否敏感的判据，即当α＞0.5时认为变量对节理参数不敏感，当α＜0.5时，认为变量对节理参数敏感，且显著性水平α越小，对应节理参数的敏感性越强。图6中以柱状图表示的节理内聚力、节理抗拉强度、节理摩擦角作为首要的排序依据，然后再根据折线图表示的节理内聚力、节理抗拉强度、节理摩擦角进行排序，图6中有两个纵坐标显著性水平和方差分析效应量。节理参数敏感性排序时，先按照显著性水平排序，当显著性水平相等时，按照方差分析效应量排序，其中方差分析效应量越大越敏感。

下面以宏观单轴抗压强度为例进行说明：首先判断α＜0.5的部分，由于α＜0.5的部分只包含节理内聚力和节理摩擦角，且节理摩擦角的显著性水平小于节理内聚力，因此对于宏观单轴抗压强度：节理摩擦角＞节理内聚力；以宏观抗拉强度为例进行说明：首先判断α＜0.5的部分，由于节理内聚力、节理摩擦角、节理抗拉强度均的显著性水平均小于0.5，故认为宏观抗拉强度对节理变量均敏感。由于节理内聚力和节理摩擦角显著性水平相等均为0，故无法通过柱状图进行判定。采用折线图可得出结论，对于宏观抗拉强度：节理内聚力＞节理摩擦角＞节理抗拉强度；根据上述排序标准依次进行排序，得出：宏观峰后脆性：节理摩擦角＞节理内聚力；弹性模量：节理内聚力＞节理摩擦角；宏观拉压比仅与节理摩擦角有关。将岩石的宏观变量与节理参数进行多元非线性拟合，得到宏观变量与节理参数的修正函数。

其中岩石的宏观单轴抗压强度与节理参数的修正函数表示为：

；

上式中：

岩石的宏观抗拉强度与节理参数的修正函数的表达式如下：

；

上式中：

岩石的宏观抗拉强度的多元非线性回归曲线如图7所示，对应岩石的宏观抗拉强度与节理的修正函数。

岩石的宏观弹性模量与节理参数的修正函数的表达式如下：

；

岩石的宏观脆性与节理参数的修正函数的表达式如下：

。

采用3DEC数值计算软件建立基于现场巷道实赋存和断面特征的数值计算模型，并采用VORONOI法进行随机离散，将通过修正函数计算所得的节理参数赋值于底板岩层，开展数值计算，并获取底板破裂区形态及发育范围参数。

在工程尺度下巷道底板离散的VORONOI多边形边长不大于50cm。

为提高计算速度，重点突出巷道底板破裂区发育状态，除巷道底板外，其它围岩应采用有限元法进行网格划分。

未模拟的覆岩以均布载荷施加于数值计算模型上表面，均布载荷计算方式表示为：

；

上式中：γ为覆岩平均容重；H为巷道埋深；

数值计算模型在自重平衡后，对模型施加侧压，侧压施加载荷的大小表示为：

，k为实测地应力侧压系数；

在侧压和自重平衡后，开挖巷道，并标记节理张开度＞0的裂隙发育范围，得到底板破裂区破坏形态和最大破坏深度。其中巷道底板节理张开度＞0的裂隙发育范围及破裂区形态如图8所示，图中白色部分为被开挖的大断面巷道，底板破裂区极度破碎深度约1600mm。

经数值计算得到底板破裂区最大破坏深度后，以巷道宽度方向为边界，向下超挖数值计算所得破裂区深度的弧形空间。在弧形超挖空间向巷道帮部和底部施工高预应力锚索；在弧形空间底部均匀铺设50mm厚的生石灰作为隔水屏障，防止巷道内的矿井水穿透底板岩层并降低底板强度；将预制混凝土弧形梁放入弧形超挖空间，超挖处的弧形空间采用C20高强混凝土进行回填，以保持地面平整，形成生石灰铺底+预应力锚索+混凝土弧形梁+C20高强混凝土填充的高地应力软岩底板巷道底鼓综合治理方法，其示意图如图9和10所示，1为C20高强混凝土结构；2为锚杆；3为预应力锚索；4为预制混凝土弧形梁；5为生石灰；6为超细水泥浆。

底板锚索间距应不大于1600mm，排距不大于2000mm，直径不小于15.24mm，长度不小于1500m，预应力不小于100kN，每个钻孔填充有水灰比为0.8:1的超细水泥浆。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。