一种急倾斜岩柱失稳监测方法.pdf

本发明涉及采矿工程技术领域，具体涉及一种急倾斜岩柱失稳监测方法。包括步骤：走向楔形断裂梁结构的提出；钻孔监测布局的设计；全景数码钻孔电视系统监测；监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算；失稳准则的判断并得出结论。本发明提供的监测方法不仅测试出了可作为理论依据的87°倾斜岩柱临界失稳条件下的相关参数，而且本发明中的监测方法同样适宜于其它角度条件下倾斜煤层岩柱失稳的监测，具有广泛的实用价值。

1.  一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：包括步骤：
走向楔形断裂梁结构的提出；
钻孔监测布局的设计；
全景数码钻孔电视系统监测；
监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算；
失稳准则的判断并得出结论。

2.  根据权利要求1所述的一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：所述走向楔形断裂梁结构提出的理论依据为“摩尔-库仑”强度准则，并定量化提出与此结构相关的参数，走向楔形断裂梁的长度标为L，高度标为⊿H，塑性剪切失稳面的倾斜角度标为α。

3.  根据权利要求1所述的一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：所述钻孔监测布局设计是指结合现场情况，依据宽度超过30cm，长度超过50m的地表裂隙进行监测钻孔布置，其中监测钻孔的深度大于70m，布局方式沿上述地表裂隙长度方向间隔20m，并根据地表裂隙长度确定钻孔数目。

4.  根据权利要求1所述的一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：所述全景数码钻孔电视系统监测设备优选型号为GD3Q-GA的监测仪。

5.  根据权利要求1所述的一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：所述监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算是指依据全景数码钻孔电视监测系统得出的图像信息，定量化分析其中预设的参数并将得出的参数代入演化方程，计算是否能满足上述平衡方程。

6.  根据权利要求1所述的一种急倾斜岩柱失稳监测方法，其特征在于：所述“摩尔-库仑”准则演化方程的表达式为上述表达式中G_ps是厚度为1m的楔形面的重力，为岩体的内摩擦力，c为岩体的内聚力。

一种急倾斜岩柱失稳监测方法
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，具体涉及一种急倾斜岩柱失稳监测方法。
背景技术
岩体稳定性监测对煤层开采诱发的灾害性结构失稳预警有重要的作用。乌鲁木齐井田内富集30多层厚度大于20m且倾角超过45°的煤层，这些煤层被划分为急倾斜特厚煤层。夹持于急倾斜特厚煤层之间的急倾斜岩柱，其受水平分段综放开采扰动影响会发生灾害性的结构失稳。因此，急倾斜岩柱的结构稳定性监测方法的研究对于保障急倾斜特厚煤层的安全高效开采有着重要的作用。
水平分段综放回采为急倾斜特厚煤层开采提供了有效的方法，这与传统的缓倾斜煤层条件下的长壁综放开采有着显著的力学体系差别，以往的研究成果中，国内外许多专家致力于缓倾斜煤层条件下的煤柱稳定性分析，顶板结构稳定性分析及金属矿山开采过程中阶段矿柱的稳定性分析等方面。其中，李夕兵(教育部“长江学者”特聘教授、博士生导师)等基于数值模拟技术研究了海底金矿安全开采阶段矿柱的稳定性问题并计算得出阶段矿柱的最小留设厚度。新疆乌鲁木齐井田范围内的急倾斜特厚煤层角度分布在45°～87°，厚度分布在21m至50m，传统的缓倾斜煤层条件下的岩体稳定性分析方法不可适用，针对急倾斜特厚煤层的岩柱稳定性分析也鲜有研究。
现有的岩体稳定性监测方法主要有声发射技术、钻孔窥视技术及电磁辐射技术等，监测技术手段过多且只是针对大量的图像与数据并结合现场 实际情况进行简单的参数量化分析，缺乏相关的理论分析；诸多的岩体稳定性监测方法应用于缓倾斜特厚煤层和金属矿山开采方面，主要集中在煤层顶板、区段煤柱和金属矿山开采方面的阶段矿柱稳定性分析，研究范围内的煤(岩)体尺度较小(研究区域内的岩体尺寸通常为20m左右)，急倾斜特厚煤层条件下的岩柱为大尺度岩体，宽度分布在49m左右并沿井田范围延伸，现有的缓倾斜煤层和金属矿山开采条件下的岩体稳定性分析方法不可适用且在数据分析方面同样缺乏理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种急倾斜岩柱失稳监测方法，以解决上述背景中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种急倾斜岩柱失稳监测方法，包括步骤：
走向楔形断裂梁结构的提出；
钻孔监测布局的设计；
全景数码钻孔电视系统监测；
监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算；
失稳准侧的判断并得出结论。
所述走向楔形断裂梁结构提出的理论依据为“摩尔-库仑”强度准则，并定量化提出与此结构相关的参数，走向楔形断裂梁的长度标为L，高度标为ΔH，塑性剪切失稳面的倾斜角度标为α。所述走向楔形断裂梁的长度标为L，高度标为ΔH，塑性剪切失稳面的倾斜角度标为α。
所述钻孔监测布局设计是指结合现场情况，依据宽度超过30cm，长度超过50m的地表裂隙进行监测钻孔布置，其中监测钻孔的深度大于70m， 布局方式沿上述地表裂隙长度方向间隔20m，并根据地表裂隙长度确定钻孔数目。
所述全景数码钻孔电视系统监测设备优选型号为GD3Q-GA的监测仪。
所述监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算是指依据全景数码钻孔电视监测系统得出的图像信息，定量化分析其中预设的参数，将得出的参数代入“摩尔-库仑”强度准则的演化方程，计算是否能满足上述平衡方程。
所述“摩尔-库仑”准则演化方程的表达式为上述表达式中G_ps是厚度为1m的楔形面的重力，为岩体的内摩擦角，c为岩体的内聚力。
本发明中的判断原理为：急倾斜岩柱发生的塑性剪切滑移失稳过程符合摩尔-库仑准则，σ_ps是垂直作用于破坏面上的力，τ_ps是平行于破坏面上的切应力。因此如下公式表示它们之间的关系：

这里认为σ_ps与τ_ps是由岩体重力提供，破坏面的倾角为α，因此将岩体的内摩擦角和岩体的内聚力c(岩体的内摩擦角和内聚力c均能够通过实验室条件下的岩石力学试验获得)，厚度1.0m的楔形面重力G_ps代入上式中，摩尔-库仑准则公式演化为如下公式：

GD3Q-GA钻孔监测系统对急倾斜岩柱稳定性监测得到的基本参数主要有塑性剪切失稳面倾斜角度α，走向楔形断裂梁的断裂高度ΔH以及通过实验室条件下的岩石力学试验获得的岩体内摩擦角和内聚力c代入上式平衡方程，判断是否满足此平衡方程，方程式两边G_ps误差范围10KN。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明基于“摩尔-库仑准 则”得出相应的演化表达式，提出走向楔形断裂梁结构，并设计出合理的钻孔图，将全景数码钻孔电视系统放入钻孔中监测得出图像，分析图像得出多组数据，将上述多组数据代入“摩尔-库仑”演化方程表达式进行运算，并最终得出满足上述方程平衡的相关参数，此参数即为倾斜煤层岩柱失稳的相关参数，此监测方法灵活简易，通过该方法得出的结果与实际情况吻合度很高，具有很强的实用价值。
附图说明
图1为本发明中急倾斜岩柱结构失稳监测方法的研究路线；
图2为本发明中钻孔监测布局设计示意图；
图3为本发明中钻孔电视信息采集图；
图4为本发明中急倾斜岩柱走向楔形断裂梁的结构分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-4可知，一种急倾斜岩柱失稳监测方法，包括步骤：
走向楔形断裂梁结构的提出；
钻孔监测布局的设计；
全景数码钻孔电视系统监测；
监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算；
失稳准则的判断并得出结论。
进一步的，所述走向楔形断裂梁结构提出的理论依据为“摩尔-库仑”强度准则，并定量化提出与此结构相关的参数，走向楔形断裂梁的长度标为L，高度标为ΔH，塑性剪切失稳面的倾斜角度标为α。
进一步的，所述钻孔监测布局设计是指结合现场情况，依据宽度超过30cm，长度超过50m的地表裂隙进行监测钻孔布置，其中监测钻孔的深度大于70m，布局方式沿上述地表裂隙长度方向间隔20m，并根据地表裂隙长度确定钻孔数目。
进一步的，所述全景数码钻孔电视系统监测设备优选型号为GD3Q-GA的监测仪。
进一步的，所述通过对钻孔电视获得的孔壁信息图像分析获得的监测数据代入“摩尔-库仑”准则演化方程进行运算，计算是否能满足上述平衡方程。
进一步的，所述“摩尔-库仑”准则演化方程的表达式为上述表达式中G_ps是厚度为1m的楔形面的重力，为岩体的内摩擦力，c为岩体的内聚力。
本发明中的判断原理为：急倾斜岩柱发生的塑性剪切滑移失稳过程符合“摩尔-库仑”准则，σ_ps是垂直作用于破坏面上的力，τ_ps是平行于破坏面上的切应力。因此如下公式表示它们之间的关系：

这里认为σ_ps与τ_ps是由岩体重力提供，破坏面的倾角为α，因此将岩体的内摩擦角和岩体的内聚力c(岩体的内摩擦角和内聚力c均能够通过实验室条件下的岩石力学试验获得)，厚度1.0m的楔形面重力G_ps代入上式中，“摩尔-库仑”准则公式演化为如下公式：

GD3Q-GA钻孔监测系统对急倾斜岩柱稳定性监测得到的基本参数主要有塑性剪切失稳面倾斜角度α，走向楔形断裂梁的断裂高度ΔH以及通过实验室条件下的岩石力学试验获得的岩体内摩擦角和内聚力c代入上式平衡方程，判断是否满足此平衡方程，方程式两边G_ps误差范围10KN。
下面对本发明的实施例一进行详细的介绍。
结合实际情况，首先设计出与图2相类似的钻孔监测布局示意图，并施工钻孔；
利用全景数码钻孔电视监测系统对87°煤层条件下的急倾斜坚硬岩柱的施工钻孔进行检测，获取得到清晰的孔壁信息图像并提取相应的参量；
将提取的相应参量代入“摩尔-库仑”强度演化方程判断是否满足临界条件，分析得出如表1所列87°临界失稳参数。本发明中的监测方法不仅适宜于实施利中87°煤层临界参数的确定，还可以广泛的应用于各角度条件下煤层岩柱临界参数的确定，具有广泛的实用价值。
表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。