關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學(xué)會(huì)煤礦智能化委員會(huì)年會(huì)暨千人智庫(kù)科創(chuàng)服務(wù)站工作會(huì)的通知

解決主要問題：

本技術(shù)實(shí)現(xiàn)原位實(shí)測(cè)煤巖體強(qiáng)度，可在同一鉆孔內(nèi)完成圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試、彈性（變形）模量測(cè)試、強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試以及地應(yīng)力測(cè)試。

技術(shù)狀況

1：科技成果簡(jiǎn)介

該技術(shù)來源于煤礦生產(chǎn)一線，可實(shí)現(xiàn)原位實(shí)測(cè)煤巖體強(qiáng)度，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。當(dāng)前煤巖體力學(xué)參數(shù)的確定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤巖塊實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)因巖塊已脫離巖體而失真。本技術(shù)可在同一鉆孔內(nèi)完成圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試、彈性（變形）模量測(cè)試、強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試以及水壓致裂測(cè)試地應(yīng)力，可為地面和地下巖土工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)試提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映煤巖體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)參數(shù)，所實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐。

2 ：主要技術(shù)指標(biāo)

a、能夠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巖體圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)：可確定圍巖松動(dòng)圈、建立圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律的時(shí)空關(guān)系函數(shù)，為巷道圍巖支護(hù)、采場(chǎng)支護(hù)參數(shù)確定、瓦斯抽放等提供依據(jù)。

b、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彈性（變形）模量以及黏聚力、內(nèi)摩擦角等煤巖體關(guān)鍵強(qiáng)度參數(shù)：通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤巖體關(guān)鍵強(qiáng)度參數(shù)，能夠?yàn)槔碚摲治?、?shù)值計(jì)算提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，從而使得工程技術(shù)方案的提出更加可靠。

c、小孔徑水壓致裂快速測(cè)試地應(yīng)力：小孔徑水壓致裂快速測(cè)試地應(yīng)力技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力的快速測(cè)試，克服了應(yīng)力解除法對(duì)測(cè)試地點(diǎn)的工程地質(zhì)條件要求較高的缺點(diǎn)，有利于礦區(qū)大規(guī)模開展地應(yīng)力測(cè)試，從而繪制礦區(qū)的地應(yīng)力分布場(chǎng)，為礦井巷道布置及支護(hù)參數(shù)確定、瓦斯抽放、防突等提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

3：適用范圍

該技術(shù)目前已比較成熟，相應(yīng)的儀器設(shè)備已在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，能夠在煤礦及其他工程巖體參數(shù)的測(cè)試中發(fā)揮重要作用，適用于具有一定強(qiáng)度和完整性的煤礦煤巖體或其他巖土工程，需要注意的是測(cè)試鉆孔成孔質(zhì)量要求較高。

4：達(dá)到的目標(biāo)

本技術(shù)可原位測(cè)試煤巖體強(qiáng)度（包括內(nèi)摩擦角φ與內(nèi)聚力c）、彈性模量、圍巖結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力等，所測(cè)試的內(nèi)容與煤巖體穩(wěn)定性相關(guān)，能夠反應(yīng)煤巖體的力學(xué)性能。

5：推廣前景

隨著我國(guó)煤礦開采強(qiáng)度的增大，煤礦開采設(shè)計(jì)對(duì)于煤巖體力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確掌握愈發(fā)重要。該技術(shù)可為煤礦圍巖控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)橄锏乐ёo(hù)、采場(chǎng)圍巖控制提供設(shè)計(jì)依據(jù)，降低支護(hù)成本，對(duì)于煤礦安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采有著重要作用，具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。

6：詳細(xì)說明

通過鉆孔探測(cè)儀與鉆孔彈模儀、原位巖石鉆孔剪切儀和HYF-01型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試裝置的有機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)在1個(gè)76-80 mm的煤巖體鉆孔中，快速、準(zhǔn)確、低成本地完成對(duì)全鉆孔或者特定巖性巖層的圍巖結(jié)構(gòu)、彈性（變形）模量以及黏聚力、內(nèi)摩擦角等巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試。

1、圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試原理及技術(shù)

利用鉆孔探測(cè)儀器獲取鉆孔內(nèi)煤巖體的巖性、結(jié)構(gòu)等基本參數(shù)，并結(jié)合自主研發(fā)的軟件定量處理裂隙擴(kuò)展特征；將獲得的相關(guān)技術(shù)參數(shù)與所處的工程地質(zhì)特征相結(jié)合，為巷道支護(hù)參數(shù)的確定提供依據(jù)。

2、煤巖體彈性模量原位測(cè)試原理

鉆孔彈模試驗(yàn)是一種在巖石或堅(jiān)硬地層鉆孔壁上利用多個(gè)活塞向部分孔壁徑向加壓（加壓塊為剛性），同時(shí)測(cè)定加壓方向的徑向變形以計(jì)算變形或彈性模量的原位測(cè)試方法。如圖1所示。

圖1 鉆孔彈模儀原理圖

3、煤巖體抗剪強(qiáng)度原位測(cè)試原理

巖石鉆孔剪切實(shí)驗(yàn)是針對(duì)鉆孔側(cè)壁的原位剪切測(cè)試。用高達(dá)80 MPa的法向應(yīng)力將剪切盤插入到巖石中。通過提拉剪切頭對(duì)巖石施加剪應(yīng)力，同時(shí)記錄下最大的剪應(yīng)力。當(dāng)剪切測(cè)頭收回時(shí)，旋轉(zhuǎn)測(cè)頭45°，施加一個(gè)更大的法向應(yīng)力，并重新開始剪切。在同一鉆孔同一深度作4次不同法向應(yīng)力的剪切實(shí)驗(yàn)，繪制4點(diǎn)τ與σ的散點(diǎn)圖，通過最小二乘法或其他數(shù)據(jù)擬合方法繪制線性莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線，得到這一深度處巖體的C、φ值。設(shè)備原理如圖2所示。

圖2 原位巖石鉆孔剪切儀原理圖

4、小孔徑水壓致裂快速測(cè)試地應(yīng)力技術(shù)

在煤礦井下巷道中進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，鉆孔通常布置在巷道頂板中部垂直向上布置，測(cè)量水平面 的最大和最小主應(yīng)力，測(cè)試原理如圖3所示：

圖3 小孔徑水壓致裂測(cè)試地應(yīng)力原理圖

創(chuàng)新性、先進(jìn)性

（1）“有機(jī)配合使用”：孔內(nèi)原位彈性（變形）模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角順利測(cè)定的前提是在測(cè)定之前選擇合適的孔內(nèi)試驗(yàn)段，包括試驗(yàn)段的巖性、圍巖完整性、節(jié)理裂隙發(fā)育狀況等。

（2）“快速”：煤巖體力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試系統(tǒng)所需的測(cè)定周期短，效率高。

（3）“準(zhǔn)確”：原位測(cè)試恰好彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室試塊試驗(yàn)的不足，可根據(jù)工程需要，在所需測(cè)定位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。

（4）“低成本”：?jiǎn)慰锥鄥y(cè)定顯著提高了鉆孔的利用率；以往原位測(cè)試每次試驗(yàn)都需要消耗大量人力物力和時(shí)間，不利于大范圍使用。

典型案例及成效

目前該成套設(shè)備已在皖北煤電錢營(yíng)孜煤礦、恒源煤礦等過個(gè)煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。根據(jù)煤巖體力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試系統(tǒng)單孔多參數(shù)測(cè)定原理，利用鉆孔探測(cè)儀、原位鉆孔剪切儀和彈模儀等儀器設(shè)備，實(shí)測(cè)了煤巖體強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、彈性模量等，并總結(jié)分析了他們之間的客觀規(guī)律。

圖4 鉆孔成像儀

圖5 鉆孔彈模儀

圖6 原位巖石鉆孔剪切儀

圖7 地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)