煤矿深部巷道区域围岩结构演化过程探测分析方法

摘要

本发明公开了一种适用于煤矿深部巷道区域围岩结构的探测分析方法，其步骤：(1)在煤矿深部巷道围岩待测区域内布置测试钻孔，钻孔之间平行，孔深与区域深度一致，在孔内依次安装推送数字钻孔摄像探头，获取声波在孔间围岩的传播特性随时间的演化规律；(2)根据单孔结构面信息，获取巷道区域围岩结构的围岩体积节理数Jv的空间分布；(3)利用区域内相邻钻孔的声波传播为边界条件，获取区域围岩完整性指数Kv的空间分布及演化规律；(4)综合对比围岩完整性指标围岩体积节理数Jv和区域围岩完整性指数Kv，获取区域围岩结构的演化过程。方法易行，操作简便，获取巷道开挖前后围岩结构的完整性及演化规律，为煤矿深部巷道围岩稳定控制及安全性评价提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明属于岩体结构探测分析技术领域，具体地涉及一种适用于煤矿深部巷道区域围岩结构演化过程的探测分析方法。

背景技术

受地质环境和人类开挖活动的影响，煤矿深部巷道围岩存在着大量的结构面。这些结构面常常是围岩力学强度相对薄弱的部位，它导致围岩力学性质的不连续性、不均一性和各向异性，其空间分布和组合情况对围岩的介质特征和力学属性有着至关重要的影响。因此，探测分析围岩结构并掌握其演化过程对煤矿深部巷道围岩稳定控制及安全性评估具有重要的意义。

目前，围岩结构探测的主要手段仍是钻孔岩芯测定法，它简单、方便、直观、实用。但是，由于煤矿深部围岩的高地应力和软弱破碎特征，岩芯采取非常困难，导致钻孔岩芯测定法难以反映结构面的发育特征。而钻孔结构面数字式全景摄像系统，可以通过钻孔摄像取得钻孔内部的图像信息，给出高分辨率的 360°孔壁展开图及立体柱状图，进而获取钻孔结构面的产状、迹长、隙宽和填充物等信息。然而，受客观条件的制约，测试钻孔难以覆盖围岩的全部区域，通过单个钻孔摄像得到的信息往往只能反映局部围岩的结构特征，难以反映围岩结构的区域特征。另外，巷道开挖后的围岩结构事实上是动态变化的，而仅通过钻孔摄像方法很难掌握这种变化过程。因此，亟需一种新的探测分析方法来获取煤矿深部巷道区域围岩的结构演化过程，而这种方法国内外文献尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于针对煤矿深部巷道围岩稳定控制问题，提供一种区域围岩结构演化过程的探测分析方法，方法易行，操作简便，获取巷道开挖前后围岩结构的完整性及其演化规律，从而为煤矿深部巷道围岩稳定控制及安全性评价提供科学依据。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种适用于煤矿深部巷道区域围岩结构的探测分析方法，其步骤是：

(1) 在煤矿深部已开挖巷道围岩待测区域内布置测试钻孔（5个、9个、13个，根据区域范围和测量精度确定），钻孔分别位于待测区域边界和区域中心处，钻孔之间相互平行，孔深与区域深度保持一致。对于每一钻孔，在孔内依次安装推送数字钻孔摄像探头（BHCTV），采集钻孔图像信息。之后，相邻钻孔两两组合，安装超声波测试探头（SR-RCT（B）），进行跨孔超声波测试，并通过不同时间内的重复测试，获取声波在孔间围岩的传播特性随时间的演化规律。

(2) 根据单孔结构面信息，进行跨孔关联分析，判断相邻钻孔结构面的相似度，延伸或连通钻孔结构面，获取孔间围岩的结构面特征。进而，通过对区域内全部钻孔及孔间围岩结构面信息的统计分析，获取区域围岩结构的围岩体积节理数Jv的空间分布特征。

(3) 利用区域内相邻钻孔的声波传播特征作为边界条件，反演声波在整个区域围岩内的传播特征，进而分析区域围岩的完整性指数，获取区域围岩完整性指数Kv的空间分布特征及其随时间的演化规律。

(4) 综合对比围岩完整性指标围岩体积节理数Jv和区域围岩完整性指数Kv，以区域围岩结构的体积节理数Jv作为围岩完整性的初始条件，区域围岩完整性指数Kv的演化规律作为围岩完整性的动态条件，获取区域围岩结构完整性的演化过程。

由于采用了以上技术措施，本发明煤矿深部巷道区域围岩结构的探测分析方法的积极效果和优点在于：

①基于单孔结构面信息，进行跨孔关联分析获取孔间围岩的结构面信息，进而通过统计分析获取区域围岩结构面的统计特征，从而实现了围岩结构探测由孔内探测向区域探测的突破；

②采用跨孔超声波法进行不同时间内的重复测试，获取巷道区域围岩完整性的演化规律，从而实现了围岩结构探测由静态探测向动态探测的突破；

③由于采用了多孔布置及钻孔组合方案，提高了围岩结构探测的效率和结构面信息提取的全面性；

④利用两种不同测试技术对结构面信息进行相互验证和对比分析，提高了围岩结构探测结果的准确性和可靠性；

⑤该方法不仅可用于已开挖巷道围岩的结构探测，也可用于临近未开挖巷道围岩结构的超前探测。

⑥该方法可以提高围岩结构探测范围达30倍以上。

附图说明

图1为一种巷道区域围岩选择示意图。

图2为一种巷道区域围岩钻孔布置示意图。

图3为一种巷道区域围岩五钻孔布置示意图。

图4为钻孔摄像示意图。

图5为跨孔超声波测试示意图。

图6为实施实例中确定的巷道测试区域与钻孔布置图。

图7为实施实例中获得的钻孔图像。

图8为实施实例中获得的波速随孔深变化曲线。

图9为实施实例中分析获得的围岩结构面的空间分布图。

图10为实施实例中分析获得的区域围岩完整性等值线图。

图11为实施实例中分析获得的区域围岩完整性等值线随时间变化图。

图12为实施实例中注浆前后区域围岩完整性等值线图。

已开挖巷道1-1、未开挖巷道1-2、第一区域围岩2-1、第二区域围岩2-2、第三区域围岩2-3、第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5、第六钻孔3-6、第七钻孔3-7、第八钻孔3-8、第九钻孔3-9、第十钻孔3-10、第十一钻孔3-11、第十二钻孔3-12、第十三钻孔3-13、数字钻孔摄像探头4（BHCTV）、跨孔超声波测试探头5-1（SR-RCT（B））、跨孔超声波测试探头5-2（SR-RCT（B））。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

根据图1、图2、图3、图4、图5可知，一种适用于煤矿深部巷道区域围岩结构的探测分析方法，其步骤是：

A、根据工程需求，在已开挖巷道1-1周边选择待测区域，区域深度为3~7倍洞径，该区域可以为位于巷道两帮的第一区域围岩2-1、第二区域围岩2-2以及位于巷道底板的第三区域围岩2-3。对于临近未开挖巷道围岩结构的超前探测，如未开挖巷道1-2，可在已开挖巷道1-1周边选择第二区域围岩2-2为测试区域。

在待测区域围岩边界处和中心处分别布置测试钻孔，钻孔最少为5个，即第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5，若待测区域范围较大，可进一步布置第六钻孔3-6、第七钻孔3-7、第八钻孔3-8、第九钻孔3-9，若待测区域范围较大且对测量精度要求较高，可进一步布置第十钻孔3-10、第十一钻孔3-11、第十二钻孔3-12、第十三钻孔3-13，钻孔轴向与区域自由面相互垂直，角度可根据现场实际条件进行微幅调整，但不超过±5°。所有钻孔相互平行，孔深与区域深度保持一致。

以测试第二区域围岩2-2的五孔布置方案为例，在第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5依次安装数字钻孔摄像探头4，沿着孔深方向逐渐推进，获取整个钻孔的图像信息。该测试完成之后，在所有钻孔内，包括第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5安装套管，在相邻钻孔（包含8组，分别为第一钻孔3-1和第二钻孔3-2组合、第二钻孔3-2和第三钻孔3-3组合、第三钻孔3-3和第四钻孔3-4组合、第四钻孔3-4和第一钻孔3-1组合、第一钻孔3-1和第五钻孔3-5组合、第二钻孔3-2和第五钻孔3-5组合、第三钻孔3-3和第五钻孔3-5组合、第四钻孔3-4和第五钻孔3-5组合、）内埋设跨孔超声波测试探头5-1、跨孔超声波测试探头5-2，同步缓慢推进，获取声波在孔间围岩的传播特征。在不同时间内重复进行该项测试，获取不同时刻声波在第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5之间的传播特征。

 B、分析钻孔图像信息，获取第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5结构面的产状、迹长、隙宽及充填物信息，比较相邻钻孔的产状、迹长、隙宽的相似程度，并结合填充物信息综合判断相邻钻孔某一结构面是否相似。若相似，则延伸或连通钻孔结构面，获取孔间结构面信息。进而，通过对区域内全部钻孔及孔间结构面信息的统计分析，获取巷道区域围岩结构的围岩体积节理数Jv的空间分布特征。

 C、根据不同时间内声波在孔间传播的波速及其衰减特征，获取孔间围岩的区域围岩完整性指数Kv随时间的变化规律；将孔间围岩的完整性指数Kv作为边界条件，反演分析区域围岩完整性指数Kv的空间分布特征及其随时间的演化规律。

 D、综合对比围岩完整性指标围岩体积节理数Jv和区域围岩完整性指数Kv，将通过钻孔摄像获取的区域围岩的围岩体积节理数Jv作为围岩完整性的初始条件，将跨孔超声波测试获取的区域围岩完整性指数Kv的演化特征作为围岩完整性演化的动态条件，获取煤矿深部巷道区域围岩结构演化过程。

实施例2：

本实例对埋深为-850m的某煤矿深部巷道区域围岩结构进行了探测。测试区域及钻孔布置如图6所示，测试已开挖巷道1-1的洞径为4.50×3.45m。具体方法和步骤如下：

A、选择已开挖巷道1-1的第二区域2-2作为待测区域，区域大小为2×1×25m（宽×高×深），区域下边缘位于底板上方0.5m。由于选择探测区域较小，所以在区域边界和中心处布置五个钻孔，分别为第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5，钻孔孔径130mm，向下倾斜2°，孔深25m。在第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5内依次安装推送数字钻孔摄像探头4，采集钻孔图像信息，如图7所示。之后，在第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5内安装用于跨孔超声波测试的钢套管至钻孔底部，钢套管底部密封，然后注浆使得钢套管与钻孔围岩之间的空隙充填密实。在相邻钻孔（包含8组，分别为第一钻孔3-1和第二钻孔3-2组合、第二钻孔3-2和第三钻孔3-3组合、第三钻孔3-3和第四钻孔3-4组合、第四钻孔3-4和第一钻孔3-1组合、第一钻孔3-1和第五钻孔3-5组合、第二钻孔3-2和第五钻孔3-5组合、第三钻孔3-3和第五钻孔3-5组合、第四钻孔3-4和第五钻孔3-5组合、）内埋设跨孔超声波测试探头5-1、跨孔超声波测试探头5-2，同步缓慢推进，获取声波在孔间围岩的传播速度及衰减特征，如图8所示。

B、基于第一钻孔3-1、第二钻孔3-2、第三钻孔3-3、第四钻孔3-4、第五钻孔3-5结构面信息，进行跨孔关联分析，获取巷道区域围岩结构的围岩体积节理数Jv的空间分布特征，如图9所示。基于跨孔超声波测试结果，获取巷道围岩完整性指数空间分布特征及其随时间的演化规律如图10所示。

C、基于区域围岩的围岩体积节理数Jv和区域围岩完整性指数Kv的演化特征，获取煤矿深部巷道区域围岩结构演化过程如图11所示。

根据区域围岩结构探测分析结果，发现巷道开挖后近场围岩完整性较为差，并逐步向深处扩展，围岩完整性演化并没有进入稳定状态。同时，表面位移监测结果也表明了相同的结果。故对测试断面进行了加固浅孔注浆+深孔注浆+高强预应力锚索+复喷层为二次支护。之后，测试结果表明，围岩完整性提高了15%~30%（如图12所示），围岩完整性演化逐步进入了稳定状态。