一种原始地应力试验孔的布置施工方法 |
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| 申请号 | CN201610256737.9 | 申请日 | 2016-04-22 | 公开(公告)号 | CN105888658A | 公开(公告)日 | 2016-08-24 |
| 申请人 | 西安科技大学; | 发明人 | 李焕同; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了原始地应 力 试验孔的布置施工方法，其包括以下步骤：Step1、布置原始地 应力 试验孔；Step2、安装应力计；Step3、钻孔封孔。本发明的有益之处在于：由于本发明的布置施工方法充分利用了矿井已经施工的各种巷道，所以其具有测量准确、施工条件优越和经济可行等优势，地应力实测简便可行，对华北地区深部 煤 层安全开采将有重要的意义。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种原始地应力试验孔的布置施工方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种原始地应力试验孔的布置施工方法技术领域背景技术[0002] 华北地区是全国重要的煤炭生产基地，随着对煤炭资源需求的不断增大，煤矿开采深度逐渐增加，多年来，由于受奥灰水的威胁，下组煤的安全开采问题是当地煤矿企业的重大课题。深部矿井的开采条件更加复杂，势必造成巷道、煤层底板应力的不断增加，直接影响下组煤的安全开采和巷道的掘进速度和稳定性，在有突水危险性的煤层中掘进时就更要考虑底板应力的增大对底板岩层结构的破坏。 [0003] 为了煤矿采矿设计、安全开采、巷道支护设计，开展原始地应力实测及变化分布规律研究显得尤为重要。 [0004] 华北地区部分矿井曾进行过原始地应力的研究，但是由于影响地应力的因素有许多，如地质条件、边界条件、岩石组合等，因此，不同的矿井原始地应力差别较大。 [0005] 华北地区下组煤的开采将受到强含水层(奥灰水)的威胁，矿井突水的概率较开采上组煤时会有明显的增大。 [0006] 因此，在实施下组煤的带压开采时，必须对带压开采的条件、矿井防治水措施等进行综合分析和评价。 [0007] 原始地应力是底板突水机制研究的重要组成部分。原始地应力及次生应力分布规律的研究，对华北地区深部煤层安全开采将有重要的意义。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种原始地应力试验孔的布置施工方法，该布置施工方法能够有效的利用矿井下已施工的场地，直接进行施工。 [0009] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案： [0010] 一种原始地应力试验孔的布置施工方法，其特征在于，包括以下步骤： [0011] Step1、布置原始地应力试验孔： [0012] 在运输巷内布置三个试验孔，从切眼向外依次布置，1#试验孔距离切眼50m-100m，2#试验孔距离1#试验孔100m-200m，3#试验孔距离2#试验孔50m-150m，前述三个试验孔的深度距煤层底板100m； [0013] Step2、安装应力计： [0014] 在每一个试验孔的底部下放安装三个应力计，应力计的长轴平行试验孔的轴线； [0015] Step3、钻孔封孔： [0017] 前述的原始地应力试验孔的布置施工方法，其特征在于，在Step1中，前述试验孔的底板揭露至本溪组灰岩。 [0019] 前述的原始地应力试验孔的布置施工方法，其特征在于，在Step1中，前述试验孔的直径为130mm。 [0020] 前述的原始地应力试验孔的布置施工方法，其特征在于，在Step2中，前述应力计采用的是KX-81型空心包体式三轴应力计。 [0021] 本发明的有益之处在于：国内外常用的底板破坏深度的确定方法为直接探测(注水试验和底板声波探测)，该方法不但需要开挖专门的试验巷道，而且只能判断试验段的破坏情况，难以确定整个工作面的底板破坏特征，因为本发明采用了间接探测(即应力反分析法)，即通过探测底板在开采前后应力的变化情况，确定底板的破坏深度及破坏规律，该类方法无须开挖试验巷道能够有效的利用矿井下已施工的场地，直接进行施工，能够有效的利用矿井下已施工的场地，直接进行施工，所以本发明的布置施工方法在满足观测预期目的的前提下，方案最经济。附图说明 [0022] 图1是试验孔设计、施工布置示意图； [0023] 图2是1#试验孔的结构示意图(与3#试验孔的结构相同)； [0024] 图3是2#试验孔的结构示意图； [0025] 图4是1#试验孔的施工示意图； [0026] 图5是2#试验孔的施工示意图； [0027] 图6是3#试验孔的施工示意图； [0028] 图7是试验孔的直径示意图； [0030] 图9是信号线保护剖面图示意图。 具体实施方式[0031] 在煤矿工作面回采过程中，地应力分布规律研究的理论不完善成为地应力测试技术发展的重大阻碍，且工作面回采的特殊性导致无法从宏观角度对周围环境进行全面研究，继而不能准确的为巷道支护设计及工作面安全回采提供依据。 [0032] 针对上述问题，本发明提供了一种原始地应力试验孔的布置施工方法，该布置施工方法能够有效的利用矿井下已施工的场地，直接进行施工。 [0033] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。 [0034] 实施例1：邯邢矿区显德汪矿1291工作面 [0035] 现场地应力测试需要地质钻机一台、传感器5个、采集器一台、胶体若干、处理软件一套。地质钻机使用矿上地质钻机，安装测量设备由单位提供。结合工作面的具体情况，首采工作面底板发生变形破坏可能发生在三个部位，即顶板首次来压部位、构造(断层)发育部位、停采部位。因此，底板应力观测共设计三个试验孔，三个试验孔的位置如图1所示，具体为：三个试验孔均布置在运输巷内，从切眼向外布置，1#试验孔距离切眼57m，2#试验孔距离1#试验孔158m，3#试验孔距离2#试验孔116m。 [0036] 三个试验孔的具体布置过程如下： [0037] 第一步、布置原始地应力试验孔 [0038] 钻孔直径130mm(图7)，用清水钻进至设计深度。在钻进过程中对所有试验孔进行取芯，并对所取岩芯进行现场编录，主要包括岩芯采取率、冲洗液消耗量、岩性描述，同时对岩石的裂隙发育情况等地质、水文地质现象进行现场详细观测、描述和记录。根据底板的完整情况确定是否采用套管护壁，在底板比较完整的情况下可采用裸孔，同时精确测量试验孔与水平面的夹角，由于1#试验孔、2#试验孔、3#试验孔和9#煤层底板均较完整，所以三个试验孔均采用了裸孔结构。施工参数如表1所示，试验孔结构和施工图见图2、图3、图4、图5和图6。由于试验孔施工均在9#煤层底板，距离奥灰顶面16m-27m左右，尤其是3#试验孔在断层带附近，因此在试验孔施工过程中采取了相应的安全措施(如在孔口安装防水阀等)，确保了施工人员的安全和钻孔施工的顺利完成。 [0039] 表1 1#试验孔、2#试验孔、3#试验孔施工参数表 [0040] [0041] 在该步骤中，我们采用清水钻进至设计深度，利用钻井过程中对岩性资料的掌握，便可在地质条件改变的情况下，决定是否使用套管护壁(防止孔壁坍塌)和在孔口安装防水阀等。 [0042] 本发明试验孔施工，操作方便，适应性强，排除了下一步应力计安装中不利因素。 [0043] 第二步、安装应力计 [0044] 应力计采用中科院地质力学研究所从国外引进并改装的KX－81型空心包体式三轴应力计，该应力计经多年实践检验证明是国内较为先进的。该应力计由13根信号线与应变仪连接，出厂时已有供应商标定，探测时要求不能有一根信号线出现差错。因此在地面、井下运输和安装过程中应妥善保管好探头和信号线，信号线编号不得混淆。应力计安装程序是：先在井上将应力计探头用胶固定，在井下于中间加三根钢筋( 为1cm)保证了探头的应变片向外，按设计的间距捆绑好，保证了探头在往试验孔中推进时不旋转，然后缓慢推至设计深度。试验孔中应力计的编号为出厂时的编号。 [0045] 信号线的保护：由于底板应力探测是在运输巷内，在采煤过程中由于存在顶板冒落等不利因素，为保证在采煤过程中信号的畅通，对信号线进行妥善保护。保护措施是将信号线穿入钢管中，然后埋入巷道以下20cm-30cm的深度处，保护措施安装如图8、图9所示。信号线与仪器接头处采取了保护措施，以防人为破坏。 [0046] 第三步、钻孔封孔 [0047] 安装完毕应力计后，用425#水泥砂浆通过回浆管进行注浆封堵，水泥砂浆中水、水泥、砂子的配比按能达到强度最大的配比进行。 [0048] 该步骤的目的是：待钻孔注浆封堵砂浆凝固达到最大强度时间后，进行应力现场观测，观测起始时间在工作面采煤前8天开始。 [0049] 应力观测的准确性一部分取决于钻孔的密封，在此步骤实际操作中，水泥砂浆的使用具有密封性好、操作方便、速度快、材料节省等优势。 [0050] 实施例2：邯邢矿区陶一煤矿七采区 [0051] 第一步、地应力测点布置 [0053] TY-1地应力测点位于七采南翼回风巷内，北距2#钻场50m，在巷道左帮开孔，测量位置位于七采南翼回风巷2号煤层顶板内。地应力传感器即安装在顶板粉砂岩内。地应力试验孔以仰角18°、方位角110°施工，导孔的直径为113mm，钻进长度为10.80m，地应力传感器安装孔直径38mm，长度为0.47m，应力传感器安装深度11.05m。 [0054] TY-2地应力测点位于七采南翼回风巷2#钻场内，在巷道左帮2#钻场内开孔，测量位置位于七采南翼回风巷2号煤层顶板内。地应力传感器即安装在顶板粉砂岩内。地应力试验孔以仰角19°、方位角115°施工，导孔的直径为113mm，钻进长度为11.10m，地应力传感器安装孔直径38mm，长度为0.47m，应力传感器安装深度11.35m。 [0055] 第二步、应力传感器选择 [0056] 应力计采用中科院地质力学研究所从国外引进并改装的KX－81型空心包体式三轴应力计。应变计的外径为35.5mm，工作长度175mm，可安装在直径为36mm-38mm的小钻孔中，应变计具有良好的绝缘防水性能。 [0057] 应力计安装程序是：先在井上将应力计探头用胶固定，在井下于中间加三根钢筋(为1cm)保证了探头的应变片向外，按设计的间距捆绑好，保证了探头在往实验孔中推进时不旋转，然后缓慢推至设计深度。 [0058] 第三步、地应力测点布置 [0059] 在选定测点处先钻一直径115mm的钻孔达预定深度，选定地点要避开巷道周围应力集中区，钻孔要上倾15°-40°，便于水和岩粉顺利排出。要求导孔孔壁完整、孔径一致，不能发生钻孔弯曲、塌孔等现象。 [0060] 当115mm钻孔到达指定岩石层位时，用相同口径的尖钻头打一个导向用的喇叭口，深度约10cm，在岩石节理裂隙较发育时，一般尖孔打5cm左右，以使开钻解除时不至于因起始岩芯壁薄破碎掉块，而卡断岩芯，导致解除失败。 [0061] 然后同心钻一个孔径为38mm的测量小孔。打测量孔应该要求孔壁圆滑，孔径一致；小孔深度为45cm，小孔钻进过程中，加压必须均匀，并保证足够的水量，以使岩粉排出；要根据空芯包体外径和岩性情况，挑选合适外径的小孔钻头；打测量小孔过程中，最好不要中途停钻，保持均匀速度钻进，直至所需深度，以保证元件安装部位孔径一致，孔壁光滑。测量小孔打成后，用清水将孔内冲洗干净。 [0062] 本步骤的主要目的是：钻进过程中采取了115mm口径的导向钻孔和38mm的测量小孔，保证了孔壁光滑、孔径一致、孔斜一致，有利于下一步应力计安装，本发明试验孔施工操作方便，适应性强。 [0063] 第四步、安装应力计 [0064] 根据安装孔中取出岩心情况，选取岩面结构较好的一段，根据这一段位置截取应力计调节杆长度，使应变片位置位于这一段岩心处。 [0065] 将SDX水平定向仪安装在安装杆的前部，引出导线。定向仪的前部则用于安装空芯包体应变计。 [0066] 清洗和擦净钻孔后，准备安装应变计。将空芯包体应变计按规定方向安装于定向仪的前部，引出测量导线，调整好定向插头，先将A、B两种胶结剂按比例倒入应变计空腔内，固定好柱塞，用带有定向仪的安装杆小心地将应变计送到小孔内，用力将柱塞推入应变计空腔内，将胶结剂挤入应变计与小孔之间的缝隙中，此时应变计安装完毕。这时要注意，不要让导线缠绕在钻杆上，并按要求施加适当的预应力，安装完应变计后将定向仪读数记录下来。 [0067] 本步骤目的是：将应力计安装在38mm的测量小孔内，测量小孔用胶结剂封闭，待凝固达到最大强度时间后，进行应力现场观测，观测起始时间在工作面采煤前8天开始。应力观测的准确性一部分取决于钻孔的密封，在此步骤实际操作中，胶结剂的使用仅在测量小孔内，使钻孔密封性更好、材料更节省等优势，在操作上要求较高。 [0068] 综上所述，由于本发明的布置施工方法充分利用了矿井已经施工的各种巷道，所以其具有测量准确、施工条件优越和经济可行等优势，地应力实测简便可行，对华北地区深部煤层安全开采将有重要的意义。 [0069] 需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。 |
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