本發(fā)明涉及風氧化富水巷道領(lǐng)域，尤其涉及一種風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估方法。

背景技術(shù)：

風化破碎富水區(qū)域巷道是處于巖性變異、高水壓地質(zhì)環(huán)境，軟弱破碎，具有整體不良工程地質(zhì)性質(zhì)的變異地質(zhì)體。風氧化富水巷道的特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部容易造成失穩(wěn)，現(xiàn)有技術(shù)中，無法針對特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部失穩(wěn)風險進行評估，致使風氧化富水巷道掘進施工具有較大的風險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估方法，局部失穩(wěn)風險評估方法包括：

步驟1：確定煤礦常規(guī)巖體單軸抗壓強度值P_常規(guī)、煤礦常規(guī)巖體完整性指標RQD_常規(guī)值、煤礦常規(guī)巖體水理性指標值，吸水率λ_常規(guī)、滲透系數(shù)η_常規(guī)，煤礦常規(guī)巖體黏土類易膨脹礦物顆粒含量ω_常規(guī)；

步驟2：采用隨鉆探測巖體強度方法，獲取風氧化巖體單軸抗壓強度值P_風氧化，對比風氧化巖體單軸抗壓強度值P_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強度值P_常規(guī)；計算風氧化巖體強度衰減率P′，即：風氧化巖體單軸抗壓強度的衰減值與煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強度的比值，計算公式為：

步驟3：采用巖體完整性指標現(xiàn)場打鉆取巖芯方法，獲取風氧化巖體完整性指標RQD_風氧化，對比風氧化巖體完整性指標RQD_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標RQD_常規(guī)；計算風氧化巖體完整性變異系數(shù)RQD′；即：風氧化巖體完整性指標降低值與煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標的比值，計算公式為：

步驟4：采用巖體水理性指標實驗室測試方法，獲取風氧化巖體吸水率λ_風氧化、滲透系數(shù)η_風氧化，對比風氧化巖體吸水率λ_風氧化、滲透系數(shù)η_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體吸水率λ_常規(guī)、滲透系數(shù)η_常規(guī)，計算風氧化巖體吸水率變異系數(shù)λ′、滲透系數(shù)變異系數(shù)η′；

步驟5：采用電鏡掃描和X光衍射方法，獲取風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_風氧化，對比風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_常規(guī)；計算風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)ω′；

步驟6：依據(jù)風氧化巖體強度衰減率、完整性變異系數(shù)、吸水率變異系數(shù)、滲透系數(shù)變異系數(shù)、黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)對風氧化富水巖體變異程度進行定量評估，將風氧化程度劃分為5類，即：未風氧化、微風氧化、弱風氧化、中等風氧化和強風氧化。

優(yōu)選地，步驟6之后還包括：

步驟7：在風氧化富水巖體變異程度定量評估及分類的基礎(chǔ)上，針對風氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素進行分析，風氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素包括：風氧化變異程度、百米巷道頂板離層量、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴展；

步驟8：采用光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置現(xiàn)場實測風氧化富水百米巷道頂板離層量；

步驟9：采用錨桿拉拔測試方法現(xiàn)場實測風氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量；

步驟10：采用計算機數(shù)值模擬方法分析風氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴展；依據(jù)風氧化富水巷道圍巖現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，分析特定支護參數(shù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育、擴展情況，得出塑性區(qū)擴展區(qū)域面積S_{塑性區(qū)}，則塑性區(qū)擴展度S′即為塑性區(qū)擴展區(qū)域面積S_{塑性區(qū)}與巷道斷面積S_巷道之比，即：

步驟11：依據(jù)風氧化變異程度、百米巷道頂板離層量平均值、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴展度對風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險進行定量評估，將風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險劃分為5個級別，分別對應(yīng)5種圍巖狀態(tài)，即：Ⅰ級風險(穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅱ級風險(亞穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅲ級風險(近失穩(wěn)狀態(tài))、Ⅳ級風險(臨失穩(wěn)狀態(tài))和Ⅴ級風險(失穩(wěn)垮冒狀態(tài))。

優(yōu)選地，步驟4還包括：

風氧化巖體吸水率變化值與煤礦常規(guī)該類巖體吸水率的比值，計算公式為：

風氧化巖體滲透系數(shù)變化值與煤礦常規(guī)該類巖體滲透系數(shù)的比值，計算公式為：

優(yōu)選地，步驟5還包括：

風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變化值與煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量的比值，計算公式為：

優(yōu)選地，步驟8還包括：

光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置包括：離層監(jiān)測組件、離層傳輸組件、離層實時顯示記錄組件；

離層監(jiān)測組件包括：錨頭、鋼絲繩、光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀；

離層傳輸組件包括：傳輸光纜、FBG解調(diào)儀；

離層實時顯示記錄組件包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、計算機；

在風氧化富水巷道垂直頂板方向鉆進一個穿過多個層位的鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝至少三個不同深度的錨頭，三個錨頭的一端分別用不同長度的細鋼絲引導(dǎo)至孔外，細鋼絲另一端與鉆孔外的光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀連接，該光纖光柵頂板離層儀內(nèi)部分別安裝有三個性能相同的光纖光柵位移傳感器，光纖光柵位移傳感器上的尾纖與傳輸光纜一端連接，傳輸光纜另一端與FBG解調(diào)儀連接，F(xiàn)BG解調(diào)儀通過無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與計算機連接，實現(xiàn)通過離層傳輸光纜將離層數(shù)據(jù)信息遠距離傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實時儲存數(shù)據(jù)信息，計算機與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，計算機實時顯示數(shù)據(jù)信息。

優(yōu)選地，光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀高為25-30cm，底座直徑為鋼絲采用儀器專用鋼絲繩，鋼絲繩斷面直徑為0.8mm，位移傳感器測量長度范圍為0-20cm，精度為1.0mm。

優(yōu)選地，在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個測試斷面，四個測試斷面的位置分別為巷道長度20m、巷道長度40m、巷道長度60m、巷道長度80m位置處，每個斷面在頂板安裝一套光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置，共獲取四個不同位置處的頂板離層數(shù)值，編號為L1、L2、L3、L4；則百米巷道頂板離層量平均值為

優(yōu)選地，步驟9還包括：

在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個測試斷面的位置分別為：巷道長度20m位置處、巷道長度40m位置處、巷道長度60m位置處、巷道長度80m位置處，每個斷面選取頂板兩根錨桿做拉拔試驗，共拉拔八根錨桿。

從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估方法通過隨鉆探測巖體強度指標、巖芯完整性指數(shù)RQD、水理性指標、電鏡掃描與X光衍射等，定量獲得風氧化圍巖強度衰減程度、完整性破壞程度、吸水滲透變異程度以及黏土類易膨脹礦物顆粒含量比率，獲得風氧化富水巖體變異程度評估指標；然后通過光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置實測風氧化富水百米巷道頂板離層量、錨桿拉拔測試方法實測風氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量、計算機數(shù)值模擬方法監(jiān)測風氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴展度，對風氧化富水巷道離層突變致災(zāi)臨界節(jié)點、失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴展度等局部失穩(wěn)風險主控因素進行定量與定性評估，獲得風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估指標。本方法提高了特殊地質(zhì)變異體及復(fù)雜水文條件下煤礦巷道局部失穩(wěn)風險評估的科學(xué)性和可靠性，為煤礦特殊變異地質(zhì)構(gòu)造體圍巖控制尤其是風氧化富水區(qū)域巷道掘進施工安全及風險等級評估提供科學(xué)依據(jù)。

具體實施方式

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點能夠更加的明顯和易懂，下面將運用具體的實施例，對本發(fā)明保護的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部的實施例?；诒緦＠械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本專利保護的范圍。

本發(fā)明提供一種風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估方法，局部失穩(wěn)風險評估方法包括：

步驟1：確定煤礦常規(guī)巖體單軸抗壓強度值P_常規(guī)、煤礦常規(guī)巖體完整性指標RQD_常規(guī)值、煤礦常規(guī)巖體水理性指標值，吸水率λ_常規(guī)、滲透系數(shù)η_常規(guī)，煤礦常規(guī)巖體黏土類易膨脹礦物顆粒含量ω_常規(guī)；使用蔡美峰院士編著的《巖石力學(xué)與工程》里面的數(shù)據(jù)，或者使用相關(guān)國家標準來確定。

步驟2：采用隨鉆探測巖體強度方法，獲取風氧化巖體單軸抗壓強度值P_風氧化，對比風氧化巖體單軸抗壓強度值P_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強度值P_常規(guī)；計算風氧化巖體強度衰減率P′，即：風氧化巖體單軸抗壓強度的衰減值與煤礦常規(guī)該類巖體單軸抗壓強度的比值，計算公式為：

步驟3：采用巖體完整性指標現(xiàn)場打鉆取巖芯方法，獲取風氧化巖體完整性指標RQD_風氧化，對比風氧化巖體完整性指標RQD_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標RQD_常規(guī)；計算風氧化巖體完整性變異系數(shù)RQD′；即：風氧化巖體完整性指標降低值與煤礦常規(guī)該類巖體完整性指標的比值，計算公式為：

步驟4：采用巖體水理性指標實驗室測試方法，獲取風氧化巖體吸水率λ_風氧化、滲透系數(shù)η_風氧化，對比風氧化巖體吸水率λ_風氧化、滲透系數(shù)η_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體吸水率λ_常規(guī)、滲透系數(shù)η_常規(guī)，計算風氧化巖體吸水率變異系數(shù)λ′、滲透系數(shù)變異系數(shù)η′；

風氧化巖體吸水率變化值與煤礦常規(guī)該類巖體吸水率的比值，計算公式為：

風氧化巖體滲透系數(shù)變化值與煤礦常規(guī)該類巖體滲透系數(shù)的比值，計算公式為：

步驟5：采用電鏡掃描和X光衍射方法，獲取風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_風氧化，對比風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_風氧化和煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量指標ω_常規(guī)；計算風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)ω′；

風氧化巖體黏土類礦物顆粒含量變化值與煤礦常規(guī)該類巖體黏土類礦物顆粒含量的比值，計算公式為：

步驟6：依據(jù)風氧化巖體強度衰減率、完整性變異系數(shù)、吸水率變異系數(shù)、滲透系數(shù)變異系數(shù)、黏土類礦物顆粒含量變異系數(shù)對風氧化富水巖體變異程度進行定量評估，將風氧化程度劃分為5類，即：未風氧化、微風氧化、弱風氧化、中等風氧化和強風氧化，(見表1)。

表1風氧化富水巖體變異程度評估指標

步驟7：在風氧化富水巖體變異程度定量評估及分類的基礎(chǔ)上，針對風氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素進行分析，風氧化富水巷道局部失穩(wěn)影響因素包括：風氧化變異程度、百米巷道頂板離層量、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴展；

步驟8：采用光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置現(xiàn)場實測風氧化富水百米巷道頂板離層量；

光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置包括：離層監(jiān)測組件、離層傳輸組件、離層實時顯示記錄組件；

離層監(jiān)測組件包括：錨頭、鋼絲繩、光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀；

離層傳輸組件包括：傳輸光纜、FBG解調(diào)儀；

離層實時顯示記錄組件包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、計算機；

在風氧化富水巷道垂直頂板方向鉆進一個穿過多個層位的鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝至少三個不同深度的錨頭，三個錨頭的一端分別用不同長度的細鋼絲引導(dǎo)至孔外，細鋼絲另一端與鉆孔外的光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀連接，該光纖光柵頂板離層儀內(nèi)部分別安裝有三個性能相同的光纖光柵位移傳感器，光纖光柵位移傳感器上的尾纖與傳輸光纜一端連接，傳輸光纜另一端與FBG解調(diào)儀連接，F(xiàn)BG解調(diào)儀通過無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與計算機連接，實現(xiàn)通過離層傳輸光纜將離層數(shù)據(jù)信息遠距離傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實時儲存數(shù)據(jù)信息，計算機與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，計算機實時顯示數(shù)據(jù)信息。

光纖光柵頂板離層監(jiān)測儀高為25-30cm，底座直徑為鋼絲采用儀器專用鋼絲繩，鋼絲繩斷面直徑為0.8mm，滿足測試強度要求。位移傳感器測量長度范圍為0-20cm，精度為1.0mm，實現(xiàn)風氧化富水巷道頂板離層全天候?qū)崟r在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳。

在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個測試斷面，四個測試斷面的位置分別為巷道長度20m、巷道長度40m、巷道長度60m、巷道長度80m位置處，每個斷面在頂板安裝一套光纖光柵離層實時精密監(jiān)測裝置，共獲取四個不同位置處的頂板離層數(shù)值，編號為L1、L2、L3、L4；則百米巷道頂板離層量平均值為

步驟9：采用錨桿拉拔測試方法現(xiàn)場實測風氧化富水百米巷道失效錨桿數(shù)量；在巷道長度100m范圍內(nèi)，選取四個測試斷面的位置分別為：巷道長度20m位置處、巷道長度40m位置處、巷道長度60m位置處、巷道長度80m位置處，每個斷面選取頂板兩根錨桿做拉拔試驗，共拉拔八根錨桿。

步驟10：采用計算機數(shù)值模擬方法分析風氧化富水巷道圍巖塑性區(qū)擴展；依據(jù)風氧化富水巷道圍巖現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，分析特定支護參數(shù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育、擴展情況，得出塑性區(qū)擴展區(qū)域面積S_{塑性區(qū)}，則塑性區(qū)擴展度S′即為塑性區(qū)擴展區(qū)域面積S_{塑性區(qū)}與巷道斷面積S_巷道之比，即：

步驟11：依據(jù)風氧化變異程度、百米巷道頂板離層量平均值、百米巷道失效錨桿數(shù)量、圍巖塑性區(qū)擴展度對風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險進行定量評估，將風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險劃分為5個級別，分別對應(yīng)5種圍巖狀態(tài)，即：Ⅰ級風險(穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅱ級風險(亞穩(wěn)定狀態(tài))、Ⅲ級風險(近失穩(wěn)狀態(tài))、Ⅳ級風險(臨失穩(wěn)狀態(tài))和Ⅴ級風險(失穩(wěn)垮冒狀態(tài))，見表2。

表2風氧化富水巷道局部失穩(wěn)風險評估指標

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。