CN104653226A - 一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，包括以下步骤：收集地质资料；进行采动数值模拟；计算应力随空间分布数据和应力随时间分布数据；划分冲击危险区域；工作面开采之后，根据上述数值模拟划分的冲击危险区域，对此区域进行实时在线应力监测，得到监测区域的应力场，重复上述步骤，收集地质资料，根据应力数据进行冲击地压危险区域划分以及预测预警。本发明根据区域的应力梯度与煤岩体冲击破坏情况存在耦合关系来预测预警冲击地压。根据应力梯度异常情况划分冲击危险区域，适用性强，准确性高，能够准确的预测预警冲击地压危险区域，保证矿井财产安全和工作人员生命安全，对于煤矿安全意义重大。

Description

一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法

技术领域

本发明涉及一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法。

背景技术

煤炭工业是我国的基础产业, 其健康、稳定、持续发展是关系到国家能源安全的重大问题，随着开采深度的增加、开采范围的扩大和开采强度的加大，近年来虽然采取了不少措施，但冲击地压矿井数和总的冲击地压次数并未减少。尤其是东部矿井，目前达到千米深井开采的矿井不在少数，而且会越来越多，从煤矿的开采实践来看，冲击地压矿井数量将逐渐增多，冲击地压灾害将更加严重。煤岩体中的压力如超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量会突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，更是一种灾害，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘爆炸以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的生产安全。冲击矿压是煤矿开采后应力调整的结果，煤矿中许多动力现象的发生都与应力有着密切的关系，因此对煤岩体内应力分布的研究是分析预测冲击矿压危险性和其他一些动力显现现象的基础。目前应力监测的方法有矿压监测、应力计、钻屑法、激光测振等方法，其中钻孔应力计最为常用。现有的方法是根据应力的大小来推断是否有冲击危险，但是应力的大小与冲击危险没有直接的关系，所以这种方法局限性很大，准确性很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，该方法依据区域的应力梯度与煤岩体冲击破坏情况存在耦合关系的原理来确定煤矿冲击地压危险区域，适用性强，准确性高。

为了实现上述目的所采用的技术方案：一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，包括以下步骤：

第一步：收集地质资料,包括根据钻孔勘探取样得到的各岩层的名称，岩层厚度、密度、内聚力、弹性模量、变形模量、抗拉强度、泊松比、内摩擦角和根据矿井实际开采情况得到的矿井开采与工作面布置数据；

第二步：进行采动数值模拟，其步骤包括：建立模型网络，模块参数设置，边界条件与初始条件设置，模型初始平衡，进行模型开挖，模型求解平衡，模拟煤层开挖，得到应力分布数据；

第三步：计算应力随空间分布数据和应力随时间分布数据，根据应力分布数据，对空间和时间求导，得到工作面推进方向的应力梯度和开采时间上的垂直应力梯度；

第四步：划分冲击危险区域，把K1或K2异常偏离零值的区域划分为冲击危险区域。

第五步：工作面开采之后，根据步骤四数值模拟划分的冲击危险区域，对此区域进行实时在线应力监测，得到监测区域的应力场，重复步骤一至四，收集地质资料，根据应力数据进行冲击地压危险区域划分以及预测预警。

本发明根据梯度与煤岩体冲击破坏情况存在耦合关系来预测预警冲击地压。应力梯度一般稳定于零值上下，应力梯度出现偏离零值较大的情况即应力梯度异常时，会出现煤岩体冲击破坏。根据应力梯度异常情况划分冲击危险区域，应力梯度异常的区域为冲击危险区域。本方法适用性强，准确性高，能够准确的预测预警冲击地压危险区域，保证矿井财产安全和工作人员生命安全，对于煤矿安全意义重大。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明步骤二的方法流程图。

图3是本发明实施例中的垂直应力集中系数与梯度的模拟分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

应力梯度是指煤岩的应力随时间或空间的变化速率，是“应力-时间”曲线或“应力-空间”曲线上任意一点的切线斜率，即是应力对时间或空间的变化率，单位分别为MPa/min、MPa/m。

在图1中，一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，包括以下步骤：

第一步：在开采之前，收集地质资料,包括根据钻孔勘探取样得到的各岩层的名称，岩层厚度、密度、内聚力、弹性模量、变形模量、抗拉强度、泊松比、内摩擦角和根据矿井实际开采情况得到的矿井开采与工作面布置数据；

第二步：采动数值模拟，如图2所示，其步骤包括：建立模型网络，模块参数设置，边界条件与初始条件设置，模型初始平衡，进行模型开挖，模型求解平衡，模拟煤层开挖，得到应力分布数据；

第三步：计算应力随空间分布数据和应力随时间分布数据，根据应力分布数据，对时间或空间求导，得到工作面推进方向的应力梯度和开采时间上的垂直应力梯度；

第四步：划分冲击危险区域，把K1或K2异常偏离零值的区域划分为冲击危险区域。应力梯度一般稳定于零值，应力梯度出现偏离零值较大的情况即应力梯度异常时，会出现煤岩体冲击破坏。

第五步：工作面开采之后，根据步骤四数值模拟划分的冲击危险区域，对此区域进行实时在线应力监测，得到监测区域的应力场，重复步骤一至四，收集地质资料，根据应力数据进行冲击地压危险区域划分以及预测预警。也就是，先进行数值模拟，再根据模拟得到的冲击危险区域，进行现场应力监测分析，这样更接近真实值。

通常，适用于煤矿的实时在线应力监测使用的工具是钻孔应力计。

关于本发明原理的论证，根据实验室开展的岩石、煤岩组合试样的单轴抗压的声发射实验结果表明，应力梯度值越大，声发射幅值/脉冲次数越多，试样变形破坏越严重。应力梯度值较小时，幅值/脉冲次数较小，试样破坏程度较小；应力梯度变化较大时，幅值/脉冲次数较大，试样破坏较大。应力梯度与试样破坏存在耦合关系，可以作为判断试样冲击破坏程度的一个有效指标。

采用有限元数值模拟软件分析了某工作面开采全过程，尤其在煤柱区下方开采时的垂直应力分布规律。图3所示为工作面开采各个阶段（间隔20m）垂直应力集中系数与梯度的分布曲线。当该工作面开采进入煤柱区下方时，垂直应力集中系数急剧上升，最大值位置距煤柱1边缘60m左右，应力集中系数高达12.45。从区域垂直应力梯度的分布曲线来看，3个峰值位置分别为进煤柱1边缘、煤柱1与煤柱2交界以及出煤柱2边缘。煤柱1、2边缘出应力较集中，最易产生冲击破坏，因此，区域垂直应力梯度与煤岩体冲击破坏情况存在耦合关系。

Claims (3)

1.一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：收集地质资料,包括根据钻孔勘探取样得到的各岩层的名称，岩层厚度、密度、内聚力、弹性模量、变形模量、抗拉强度、泊松比、内摩擦角和根据矿井实际开采情况得到的矿井开采与工作面布置数据；

第二步：进行采动数值模拟；

第三步：计算应力随空间分布数据和应力随时间分布数据，根据应力分布数据，对时间或空间求导，得到工作面推进方向的应力梯度和开采时间上的垂直应力梯度；

第四步：划分冲击危险区域，把K1或K2异常偏离零值的区域划分为冲击危险区域；

第五步：工作面开采之后，根据步骤四数值模拟划分的冲击危险区域，对此区域进行实时在线应力监测，得到监测区域的应力场，重复步骤一至四，收集地质资料，根据应力数据进行冲击地压危险区域划分以及预测预警。

2.根据权利要求1所述的一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，其特征是：采动数值模拟的步骤包括：建立模型网络，模块参数设置，边界条件与初始条件设置，模型初始平衡，进行模型开挖，模型求解平衡，模拟煤层开挖，得到应力分布数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于应力梯度的煤矿冲击地压危险区域的划分方法，其特征是：所述实时在线应力监测使用的工具是钻孔应力计。