权利要求
1.一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用超前探测与实时监测相结合的方式，采集采掘区域的岩层单轴抗压强度、断层发育程度、围岩稳定性等级、瓦斯含量及涌水量;对采集参数进行降噪处理、归一化处理并剔除异常数据，得到标准化地质参数数据集;
S2、基于所述标准化地质参数数据集，构建包含安全优先级指标组与破岩难度指标组的分级评价体系;采用层次分析法确定各指标权重，并通过加权评分得到综合分级系数;依据所述综合分级系数将采掘区域划分分级等级，所述分级等级包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级;
S3、根据所述分级等级匹配差异化工艺，其中Ⅰ级与Ⅱ级采用机械截割工艺，Ⅲ级与Ⅳ级采用爆破与机械截割协同工艺，并依据所述分级等级确定并执行对应的支护参数与安全防控参数;
S4、在采掘过程中持续采集地质参数，并与所述标准化地质参数数据集对应参数进行对比，当参数偏差超过预设阈值时，修正分级等级并更新对应工艺参数;每完成一个采掘循环，依据采掘过程监测结果按预设更新规则更新所述分级评价体系中的指标权重，形成闭环调控。
2.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，所述标准化地质参数数据集对应的多维度地质参数包括基础力学参数、地质构造参数及环境与稳定性参数，其中：
基础力学参数包括岩层单轴抗压强度、弹性模量和泊松比;
地质构造参数包括断层发育程度、节理裂隙密度及开度、岩层分层厚度及界面黏结强度;
环境与稳定性参数包括围岩稳定性等级、瓦斯含量、涌水量及水压以及顶板下沉量;
且所述综合分级系数中的等效强度指标f由岩层单轴抗压强度通过预设映射关系换算得到或由现场强度测试得到。
3.根据权利要求2所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，采集所述多维度地质参数的设备包括地质雷达、钻孔窥视仪、声发射监测装置、瓦斯
检测仪及水压
传感器，以实现参数的自动化采集与实时更新。
4.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，所述层次分析法确定的安全类指标权重之和不低于60%。
5.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，所述综合分级系数对应分级等级的判定标准如下：
Ⅰ级：等效强度指标f≤1.5，无断层且节理密度≤2条/m，顶板下沉量≤5mm/d，瓦斯含量<8m³/t，涌水量<5m³/h;
Ⅱ级：1.5
Ⅲ级：3.0
Ⅳ级：f>6.0，存在落差>5m的大型断层或节理密度>8条/m，顶板下沉量>20mm/d，瓦斯含量≥25m³/t，涌水量≥30m³/h。
6.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，对应Ⅰ级的差异化工艺为：采用采煤机或掘进机外旋截割并配置耐磨截齿，截割速度为5～8m/min，单次截割深度为0.8～1.2m，牵引速度为3～5m/min;不进行爆破预处理;并采用常规锚杆支护，锚杆支护间距为1.5m×1.5m。
7.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，对应Ⅱ级的差异化工艺为：采用采煤机或掘进机内旋截割与局部松动爆破相结合的工艺，先对节理密度为2～5条/m的区域进行浅孔松动爆破，再进行机械截割;
所述浅孔松动爆破的孔深为2～3m，孔径为42mm，装药量为0.5～1.0kg/孔，起爆间隔为0.5s;
机械截割的截割速度为3～5m/min，单次截割深度为0.5～0.8m;并采用锚杆与锚索联合支护，锚杆间距为1.2m×1.2m，锚索间距为3m×3m;实时监测瓦斯浓度，监测阈值为瓦斯体积分数≤1.0%。
8.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，对应Ⅲ级的差异化工艺为：采用预裂爆破、机械截割与分步支护协同工艺，先对断层或节理区域进行预裂爆破，再采用功率≥300kW的掘进机进行分段截割，分段截割的单段长度≤5m;
所述预裂爆破的孔深为5～8m，孔径为65mm，装药量为1.5～2.5kg/孔，采用毫秒延期起爆;
分步支护包括截割后采用液压支架临时支护以及跟进锚网索支护，锚杆间距为1.0m×1.0m;
并开启瓦斯抽采系统及涌水引流装置，瓦斯抽采负压≥15kPa。
9.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，对应Ⅳ级的差异化工艺为：采用地质改性、多段爆破与机械辅助相结合的工艺，先通过水力压裂对硬岩区域进行改性，再进行多段分级爆破，随后采用冲击式掘进机进行辅助破岩并清理残留岩块;
所述水力压裂的水压为15～25MPa，裂缝扩展长度≥10m;
多段分级爆破按周边预裂、中部破碎、辅助清理的顺序进行;
安全防控措施包括设置防突水墙以及布置瓦斯抽采钻孔群，瓦斯抽采钻孔群孔距为2m×2m;
实时监测围岩应力及顶板下沉量，其中围岩应力阈值为25MPa，顶板下沉量阈值为20mm/d，监测值超过对应阈值时停机并调整工艺参数。
10.根据权利要求1所述的复杂地质条件下分级破岩采掘方法，其特征在于，所述参数偏差阈值为10%，采掘循环长度为5～10m。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
采矿与岩石破碎技术领域，特别涉及一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法。
背景技术
[0002]在土层或岩石钻进、采矿技术领域，采掘作业常需在岩层强度差异显著、地质构造发育以及围岩稳定性变化频繁的环境中进行。所谓复杂地质条件，通常表现为：同一采掘区段内煤岩互层或夹矸导致强度不均，断层、褶皱及节理裂隙等构造作用导致介质完整性下降，且顶板与围岩稳定性随空间位置变化而波动。上述因素会直接影响破岩方式选择、开采参数匹配以及支护策略配置，若采掘工艺与地质条件匹配不足，容易出现片帮、冒顶、顶板离层等风险，同时导致设备冲击载荷增大、截割效率下降与能耗升高。
[0003]现有技术中，例如公开号为CN105507902A的“煤岩同采工作面分级开采方法”，提出在工作面开采前对岩层强度进行测试，并以强度指标(以f值表征)作为分级依据，将地质条件划分为不同等级，再针对不同等级选择采煤机截割方式或配合爆破预处理等措施，以期提升煤岩同采场景下的开采适配性。
[0004]然而，上述现有分级开采方案主要以岩层强度为单一分级依据，未综合考虑断层影响程度、节理裂隙发育程度、岩体完整性与围岩稳定性差异等地质因素;由于复杂地质条件往往由多因素耦合作用形成，仅依据强度参数进行分级，易导致分级结果与实际作业风险不一致，从而出现工艺选择偏差;
[0005]为此，提出一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法。
发明内容
[0006]有鉴于此，本发明提供一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。
[0007]本发明的技术方案是这样实现的：一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法，包括以下步骤：
[0008]S1、采用超前探测与实时监测相结合的方式，对采掘区域进行地质参数采集，所述地质参数至少包括岩层单轴抗压强度、断层发育程度、围岩稳定性等级、瓦斯含量以及涌水量;对采集得到的地质参数进行降噪处理、归一化处理并剔除异常数据，形成标准化地质参数数据集，为后续分级评价提供统一的数据基础。
[0009]S2、基于所述标准化地质参数数据集，构建包含安全优先级指标组与破岩难度指标组的分级评价体系，通过层次分析法确定各评价指标的权重，并对各指标进行加权评分，得到反映采掘区域综合地质特征的综合分级系数;依据所述综合分级系数，将采掘区域划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级四个分级等级。
[0010]S3、根据所述分级等级匹配差异化破岩采掘工艺，其中Ⅰ级与Ⅱ级采掘区域采用以机械截割为主的破岩工艺，Ⅲ级与Ⅳ级采掘区域采用爆破与机械截割协同的破岩工艺;同时依据所述分级等级，选定并执行对应的支护参数及安全防控参数，以实现破岩方式与地质条件的协同匹配。
[0011]S4、在采掘过程中，持续采集地质参数，并将采掘过程中的实时参数与所述标准化地质参数数据集进行对比;当参数偏差超过预设阈值时，对采掘区域的分级等级进行修正，并同步更新对应的破岩工艺参数;在每完成一个采掘循环后，依据采掘过程的监测结果，按照预设更新规则对所述分级评价体系中的指标权重进行调整，从而形成动态分级与工艺调整的闭环调控过程。
[0012]进一步优选的，所述标准化地质参数数据集对应的多维度地质参数包括基础力学参数、地质构造参数及环境与稳定性参数，其中：
[0013]基础力学参数包括岩层单轴抗压强度、弹性模量和泊松比;地质构造参数包括断层发育程度、节理裂隙密度及开度、岩层分层厚度及界面黏结强度;环境与稳定性参数包括围岩稳定性等级、瓦斯含量、涌水量及水压以及顶板下沉量;且所述综合分级系数中的等效强度指标f由岩层单轴抗压强度通过预设映射关系换算得到或由现场强度测试得到。
[0014]进一步优选的，采集所述多维度地质参数的设备包括地质雷达、钻孔窥视仪、声发射监测装置、瓦斯检测仪及水压传感器，以实现参数的自动化采集与实时更新。
[0015]进一步优选的，所述层次分析法确定的安全类指标权重之和不低于60%。
[0016]进一步优选的，所述综合分级系数对应分级等级的判定标准如下：
[0017]Ⅰ级：等效强度指标f≤1.5，无断层且节理密度≤2条/m，顶板下沉量≤5mm/d，瓦斯含量<8m³/t，涌水量<5m³/h;
[0018]Ⅱ级：1.5
[0019]Ⅲ级：3.0
[0020]Ⅳ级：f>6.0，存在落差>5m的大型断层或节理密度>8条/m，顶板下沉量>20mm/d，瓦斯含量≥25m³/t，涌水量≥30m³/h。
[0021]进一步优选的，对应Ⅰ级的差异化工艺为：采用采煤机或掘进机外旋截割并配置耐磨截齿，截割速度为5～8m/min，单次截割深度为0.8～1.2m，牵引速度为3～5m/min;不进行爆破预处理;并采用常规锚杆支护，锚杆支护间距为1.5m×1.5m。
[0022]进一步优选的，对应Ⅱ级的差异化工艺为：采用采煤机或掘进机内旋截割与局部松动爆破相结合的工艺，先对节理密度为2～5条/m的区域进行浅孔松动爆破，再进行机械截割;所述浅孔松动爆破的孔深为2～3m，孔径为42mm，装药量为0.5～1.0kg/孔，起爆间隔为0.5s;机械截割的截割速度为3～5m/min，单次截割深度为0.5～0.8m;并采用锚杆与锚索联合支护，锚杆间距为1.2m×1.2m，锚索间距为3m×3m;实时监测瓦斯浓度，监测阈值为瓦斯体积分数≤1.0%。
[0023]进一步优选的，对应Ⅲ级的差异化工艺为：采用预裂爆破、机械截割与分步支护协同工艺，先对断层或节理区域进行预裂爆破，再采用功率≥300kW的掘进机进行分段截割，分段截割的单段长度≤5m;
[0024]所述预裂爆破的孔深为5～8m，孔径为65mm，装药量为1.5～2.5kg/孔，采用毫秒延期起爆;分步支护包括截割后采用液压支架临时支护以及跟进锚网索支护，锚杆间距为1.0m×1.0m;并开启瓦斯抽采系统及涌水引流装置，瓦斯抽采负压≥15kPa。
[0025]进一步优选的，对应Ⅳ级的差异化工艺为：采用地质改性、多段爆破与机械辅助相结合的工艺，先通过水力压裂对硬岩区域进行改性，再进行多段分级爆破，随后采用冲击式掘进机进行辅助破岩并清理残留岩块;
[0026]所述水力压裂的水压为15～25MPa，裂缝扩展长度≥10m;多段分级爆破按周边预裂、中部破碎、辅助清理的顺序进行;安全防控措施包括设置防突水墙以及布置瓦斯抽采钻孔群，瓦斯抽采钻孔群孔距为2m×2m;
[0027]实时监测围岩应力及顶板下沉量，其中围岩应力阈值为25MPa，顶板下沉量阈值为20mm/d，监测值超过对应阈值时停机并调整工艺参数。
[0028]进一步优选的，所述参数偏差阈值为10%，采掘循环长度为5～10m。
[0029]本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
[0030]一、本发明通过在采掘前及采掘过程中同步采集岩层单轴抗压强度、断层发育程度、节理裂隙密度、围岩稳定性、瓦斯含量及涌水量等多维度地质参数，并在分级评价中同时考虑安全优先级指标组与破岩难度指标组，使采掘区域的分级结果不再依赖单一强度参数。相较于仅以岩层强度分级的方法，本发明能够在断层发育、节理密集或环境条件波动的情况下，保持分级结果与实际地质状态的一致性，降低因分级偏差导致的工艺选择不合理风险。
[0031]二、本发明根据Ⅰ级至Ⅳ级不同分级结果，分别采用机械截割、机械截割与局部爆破协同、预裂爆破与分步支护协同以及地质改性与多段爆破相结合的破岩方式，使破岩手段与岩体结构复杂程度及安全条件相对应。通过该分级匹配方式，避免了在地质条件较简单区域采用过度爆破，或在构造复杂区域单纯依赖机械截割的问题，从而使采掘工艺在各分级条件下保持合理的工作状态。
[0032]三、本发明在不同分级等级下同步配置对应的支护参数与安全防控措施，并在采掘过程中持续监测围岩变形、瓦斯含量及涌水量等关键安全参数。当监测参数相对于初始状态发生偏离并超过预设阈值时，及时修正分级等级并调整破岩与支护参数，使支护强度和作业方式能够随地质条件变化而同步调整，有助于控制顶板下沉、瓦斯浓度及涌水量在安全范围内，降低安全风险的积累。
附图说明
[0033]图1为本发明的复杂地质条件下分级破岩采掘方法步骤流程图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0035]如图1所示，本发明实施例提供了一种复杂地质条件下分级破岩采掘方法，包括以下步骤：
[0036]S1、多维度地质参数采集与预处理
[0037]本步骤的目的是全面获取采掘区域的地质信息，为后续分级评价提供精准数据支撑，具体实施过程如下：
[0038]采用“超前探测+实时监测”的组合方式采集参数。在超前探测阶段，在采掘作业面前方10–20m处布置探测点，利用地质雷达探测断层发育程度、岩层分层厚度及界面黏结强度，并通过钻孔窥视仪观察节理裂隙密度及开度;在实时监测阶段，在采掘设备及作业面周边布设声发射监测装置、瓦斯检测仪、水压传感器及顶板下沉量监测仪，实现对围岩稳定性、瓦斯含量、涌水量及水压等参数的动态采集。上述采集设备协同工作，可实现多维度地质参数的自动化采集与实时更新，避免人工采集的滞后性与误差。
[0039]采集的多维度地质参数包括以下三类核心参数：①基础力学参数，涵盖岩层单轴抗压强度、弹性模量和泊松比，其中岩层单轴抗压强度用于后续等效强度指标f的换算;②地质构造参数，包括断层发育程度(含断层走向、倾角及落差)、节理裂隙密度及开度、岩层分层厚度及界面黏结强度;③环境与稳定性参数，包括围岩稳定性等级、瓦斯含量、涌水量、水压及顶板下沉量。
[0040]对采集的原始参数进行三步预处理：首先，采用数字信号处理方法对声发射信号、瓦斯浓度监测数据等进行降噪处理，以削弱环境干扰信号对参数识别的影响;其次，对不同量纲的参数进行归一化处理，使各参数具备可比性;最后，采用统计方法剔除异常数据，最终形成标准化地质参数数据集，确保数据的可靠性与一致性。
[0041]S2、多维度分级评价体系构建与分级实施
[0042]本步骤基于S1得到的标准化地质参数数据集，完成采掘区域的Ⅰ–Ⅳ级划分。
[0043]构建包含安全优先级指标组与破岩难度指标组的分级评价体系。其中，安全优先级指标组涵盖瓦斯含量、涌水量、顶板下沉量、围岩稳定性等级等与作业安全直接相关的参数;破岩难度指标组涵盖等效强度指标f、断层发育程度、节理裂隙密度等与破岩效率相关的参数。采用层次分析法确定各指标权重，其中安全类指标权重之和不低于60%，以确保安全优先的分级原则;各指标权重可通过专家经验、历史数据及一致性校核等方式综合确定，并可结合采掘过程中的监测结果进行配置与调整。
[0044]综合分级系数中的等效强度指标f通过以下方式确定：一是由S1采集的岩层单轴抗压强度通过预设的映射关系换算得到，所述映射关系可根据不同岩性及工程经验进行设定;在部分实施例中，等效强度指标f可采用与岩层单轴抗压强度成比例关系的换算方式获得;二是当岩层单轴抗压强度采集困难时，通过现场点荷载试验直接测试得到f值。
[0045]根据各指标权重与标准化参数值进行加权评分，计算得到综合分级系数;所述综合分级系数采用加权聚合方式得到，在本实施例中可按各指标权重与对应标准化参数值的加权求和进行计算。依据综合分级系数对应的判定标准，将采掘区域划分为Ⅰ–Ⅳ级，具体判定标准如下：
[0046]Ⅰ级：f≤1.5，无断层且节理密度≤2条/m，顶板下沉量≤5mm/d，瓦斯含量<8m³/t，涌水量<5m³/h;
[0047]Ⅱ级：1.5
[0048]Ⅲ级：3.0
[0049]Ⅳ级：f>6.0，存在落差>5m的大型断层或节理密度>8条/m，顶板下沉量>20mm/d，瓦斯含量≥25m³/t，涌水量≥30m³/h。
[0050]分级完成后，通过可视化系统将分级结果标注在采掘作业平面图上，为后续工艺适配提供直观依据。
[0051]S3、基于分级等级的差异化工艺适配与执行
[0052]根据S2划分的Ⅰ–Ⅳ级分级结果，匹配对应的破岩、支护及安全防控工艺。
[0053]Ⅰ级采用以机械截割为主的破岩方式，利用采煤机或掘进机进行外旋截割，不进行爆破预处理，并采用常规锚杆支护以维持围岩稳定。
[0054]Ⅱ级采用机械截割与局部松动爆破相结合的工艺，先对节理发育区域实施浅孔松动爆破以降低岩体整体性，再进行机械截割;同时采用锚杆与锚索联合支护，并对瓦斯浓度进行实时监测。
[0055]Ⅲ级采用预裂爆破、机械截割与分步支护协同的破岩工艺。首先对断层或节理集中区域进行预裂爆破，随后采用大功率掘进机进行分段截割，并在截割后立即实施临时支护，再跟进强化支护;同时开启瓦斯抽采系统及涌水引流装置。
[0056]Ⅳ级采用地质改性、多段爆破与机械辅助相结合的破岩工艺。首先通过水力压裂等方式对硬岩区域进行地质改性，其后按周边预裂、中部破碎及辅助清理的顺序实施多段爆破，再通过机械辅助方式完成破岩及残留岩块清理。在该等级下同步加强安全防控措施，包括设置防突水墙，其结构与厚度满足Ⅳ级地质条件下的防突水要求;布置瓦斯抽采钻孔群，孔距为2m×2m，抽采深度满足瓦斯抽采覆盖要求;并对围岩应力及顶板下沉量进行实时监测，当监测参数超过预设阈值时及时调整工艺参数或暂停作业。
[0057]S4、实时动态优化与闭环调控
[0058]在采掘作业过程中，持续采集围岩稳定性、瓦斯含量、涌水量及顶板下沉量等关键参数，并与S1阶段形成的标准化地质参数数据集进行对比分析。
[0059]当监测参数相对于初始参数的偏差超过预设阈值时，重新执行分级评价过程，对采掘区域的分级等级进行修正，并同步更新对应的破岩工艺及支护参数。
[0060]在每完成一个采掘循环后，根据采掘过程中的围岩响应及安全监测结果，对分级评价体系中的指标权重进行更新，从而形成“参数采集—分级评价—工艺适配—动态监测—参数修正”的闭环调控机制，使本发明方法能够持续适应复杂地质条件的动态变化。
[0061]试验例
[0062]一、试验条件与方法
[0063]试验工作面地质条件复杂，岩层力学性质、构造特征及环境参数变化范围大，能够覆盖本发明分级评价体系中Ⅰ级至Ⅳ级全部地质类型，其主要地质参数统计如表1所示。
[0064]表1 试验工作面地质条件参数统计表
[0065]
[0066]试验设置试验组与对照组两类作业方式：
[0067]试验组采用本发明的多维度地质参数分级—差异化工艺适配—闭环调控采掘方法;
[0068]对照组采用现有技术中仅以岩层单轴抗压强度作为分级依据的采掘方法。
[0069]两组在采掘设备、作业人员配置、通风条件及作业制度等方面保持一致，保证对比结果的客观性，具体对比如表2所示。
[0070]表2 试验组与对照组作业条件一致性对比表
[0071]
[0072]二、采掘效率与设备运行效果对比
[0073]在30天连续采掘过程中，对两组的日均采掘量进行统计，结果如表3所示。
[0074]表3 采掘效率对比结果统计表
[0075]
[0076]结果表明，采用本发明方法后，能够根据地质条件动态匹配破岩工艺，避免了不必要的爆破或低效截割，使破岩效率提升。
[0077]同时，对采掘设备的损耗情况进行统计，结果如表4所示。
[0078]表4 设备损耗与运行状态对比表
[0079]
[0080]由表4可知，本发明通过分级控制截割参数及爆破方式，有效降低了设备在高阻力工况下的异常磨损和故障发生率。
[0081]三、安全控制效果对比分析
[0082]试验期间同步监测围岩变形、瓦斯浓度及涌水情况，对两组安全控制效果进行统计，结果如表5所示。
[0083]表5 作业安全与围岩控制效果对比表
[0084]
[0085]综上，本发明通过实时监测与闭环调控，使围岩变形与瓦斯浓度始终处于安全控制范围内，降低了安全风险。
[0086]对比结果表明，本发明方法通过多维度地质参数参与分级评价，并在分级基础上实施差异化破岩工艺与支护策略，使采掘工艺与实际地质条件之间的匹配度得到提升;同时，通过实时监测与闭环调控机制，能够在地质条件发生变化时及时修正分级结果及工艺参数，从而有效降低设备异常负荷与安全风险。
[0087]与仅基于岩层单轴抗压强度进行分级的现有方法相比，本发明在复杂地质条件下表现出更好的适配性，在提高采掘效率的同时，降低了设备损耗并增强了作业过程的安全可控性。
说明书附图(1)
声明：
“复杂地质条件下分级破岩采掘方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：湖南宝山有色金属矿业有限责任公司
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