CN105758565B - 煤巷掘进迎头应力测定方法及危险性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种煤巷掘进迎头应力测定方法及煤巷掘进迎头危险性评估方法，煤巷掘进迎头应力测定方法通过在煤巷掘进迎头的侧边位置的竖直方向上从一端起开设深度不同的钻孔，将光纤光栅传感器放置于各个钻孔的末端位置，通过光纤光栅监测系统得到各个钻孔末端位置处的应力，绘制应力分布曲线，观察应力分布曲线趋于水平并停止开设钻孔；煤巷掘进迎头危险性评估方法通过煤巷掘进迎头应力测定方法得到相邻应力分布曲线，预测更远位置处虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值并与煤体最大总应力比较。本发明的有益效果为：可以实时获得掘进迎头前方不同距离、不同位置处的应力；为掘进工作面的推进速度及相关解危措施的应用提供依据。

Description

煤巷掘进迎头应力测定方法及危险性评估方法
技术领域
本发明涉及煤矿灾害预警与防治技术领域，特别是涉及一种煤巷掘进迎头应力测定方法及危险性评估方法。
背景技术
煤岩动力灾害以其来势迅猛、危害性大的特点，严重威胁我国煤炭的安全高效开采，成为最严重的灾害形式之一。由相关文献可知，掘进迎头位置处是煤岩动力灾害的主要发生地点，由于巷道掘进往往是向煤岩环境相对不明且受多种因素影响的区域开挖，事故防控难度较大。除此之外，人为的采掘活动造成掘进迎头前方煤体受力不均，也是煤岩动力灾害的一种重要的诱导因素。具体的，煤体内的原始应力处于动态平衡状态，当巷道向前掘进时，煤体受到外界扰动的影响，原有的应力平衡被打破，掘进工作面前方煤体破碎区及应力集中区出现，当煤体中的集中应力大于煤体中能承受的最大总应力时，则引发煤岩动力灾害的可能性较高。现有技术中对煤体内部的应力测定还没有很好的解决方法，也不能实时获得掘进迎头前方不同距离、不同位置处的应力。现有技术中也没有合适的煤巷掘进迎头危险性评估方法，不能为掘进工作面的推进速度及相关解危措施的应用提供依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤巷掘进迎头应力测定方法以实现实时获得掘进迎头前方不同距离、不同位置处的应力，还提供一种煤巷掘进迎头危险性评估方法以为掘进工作面的推进速度及相关解危措施的应用提供依据。
本发明提供一种煤巷掘进迎头应力测定方法，应用光纤光栅监测系统，光纤光栅监测系统包括主机和与主机信号连接的光纤光栅传感器，所述方法包括以下步骤：
步骤一，在煤巷掘进迎头的侧边位置的竖直方向上从一端起开设深度不同的钻孔；
步骤二，将光纤光栅传感器放置于各个钻孔的末端位置；
步骤三，通过光纤光栅监测系统得到各个钻孔末端位置处的应力；
步骤四，基于各个钻孔末端位置处的应力和钻孔的深度，绘制应力分布曲线；
步骤五，观察应力分布曲线趋于水平，步骤一中停止开设钻孔。
进一步的，步骤一中，在煤巷掘进迎头的两侧边位置同步开设钻孔。
进一步的，步骤一中，相邻钻孔在竖直方向上相距等长距离，相邻钻孔的深度在沿掘进方向上相差等长距离。
进一步的，所述光纤光栅监测系统还包括连接杆，连接杆的一端连接光纤光栅传感器， 连接杆内设置有信号电缆，主机经信号电缆连接光纤光栅传感器；步骤二中，通过连接杆将光纤光栅传感器放置于各个钻孔的末端位置。
本发明还提供一种煤巷掘进迎头危险性评估方法，应用上述的煤巷掘进迎头应力测定方法，包括以下步骤：
步骤一，煤巷掘进起点位置处，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第一应力分布曲线，并确定第一应力分布曲线中的应力最大值σ1和第一应力分布曲线中的应力最大值σ1位置距离煤巷掘进起点位置的距离A；
步骤二，煤巷掘进ΔL位置处，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第二应力分布曲线，并确定第二应力分布曲线中的应力最大值σ2，其中，ΔL＜A；
步骤三，预测煤巷掘进2ΔL位置处的虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值 σ3'，
步骤四，虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值σ3'与煤体最大总应力σmax比较，评估煤巷掘进迎头的危险性。
步骤五，煤巷掘进2ΔL、3ΔL、4ΔL至nΔL位置处，重复步骤二至步骤四。
进一步的，步骤四中，煤体最大总应力σmax包括极限平衡区内煤体最大总应力σpmax和弹性区内煤体最大总应力σomax。
与现有技术相比，本发明的煤巷掘进迎头应力测定方法和煤巷掘进迎头危险性评估方法具有以下特点和优点：
1、本发明的煤巷掘进迎头应力测定方法，可以实时获得掘进迎头前方不同距离、不同位置处的应力；
2、本发明的煤巷掘进迎头危险性评估方法，为掘进工作面的推进速度及相关解危措施的应用提供依据。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中光纤光栅监测系统布置示意图；
图2为本发明实施例中煤巷掘进迎头横截面示意图；
图3为本发明实施例中煤巷掘进迎头前方的应力分布曲线示意图。
其中，
1、主机，2、光纤光栅传感器，3、连接杆，4、煤巷掘进迎头，41、左侧边，42、右侧边，5、煤体，6、钻孔，7、新掘巷道。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实施例提供一种煤巷掘进迎头应力测定方法，应用光纤光栅监测系统，光纤光栅监测系统包括主机1、光纤光栅传感器2和连接杆3，连接杆3内设置有信号电缆，主机1经信号电缆连接光纤光栅传感器2，主机1内包括数据处理单元和光纤光栅网络解调仪，数据处理单元用于对主机1接收到的数据进行处理并屏显，光纤光栅网络解调仪提供宽带光源和波长解调，并将光纤光栅传感器2中波长飘移量转化成岩层的应变。所述方法包括以下步骤：
步骤一，在煤巷掘进迎头4的侧边位置的竖直方向上从一端起开设深度不同的钻孔6；
步骤二，通过连接杆3将光纤光栅传感器2放置于各个钻孔6的末端位置；
步骤三，通过光纤光栅监测系统得到各个钻孔6末端位置处的应力；
步骤四，基于各个钻孔6末端位置处的应力和钻孔6的深度，以应力值为纵坐标、深度值为横坐标，绘制应力分布曲线；
步骤五，观察应力分布曲线趋于水平，也就是曲线趋向于σ＝γH时，步骤一中停止开设钻孔6，其中，γH为原岩应力值(γ为常系数，H为煤巷掘进迎头距离地表的高度)。
根据绘制的应力分布曲线(参照附图3)，工程技术人员可以分析煤巷掘进迎头4前方不同距离、不同位置处的应力分布情况，并可以确定应力分布曲线中特殊值的物理量，比如应力分布曲线中的应力最大值和应力最大值的位置等。
本实施例的一种煤巷掘进迎头应力测定方法，其步骤一中，在煤巷掘进迎头4的左侧边41和右侧边42的位置同步开设钻孔6，左侧边41和右侧边42的位置同步开设钻孔6，即是左侧边41和右侧边42的钻孔6在竖直方向的高度相等时，其在沿掘进方向上深度相等，如此可以使在左侧边41和右侧边42的钻孔6的末端位置处得到的应力数值相互校对、验证。步骤一中，相邻钻孔6在竖直方向上相距等长距离h，相邻钻孔6的深度在沿掘进方向上相差等长距离l，如此确保钻孔6末端位置均匀地布置于煤体5中，使绘制的应力分布曲线更加 接近煤体5中的应力分布情况。
本发明还提供一种煤巷掘进迎头危险性评估方法，应用上述的煤巷掘进迎头应力测定方法，包括以下步骤：
步骤一，煤巷掘进起点位置处，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第一应力分布曲线，并确定第一应力分布曲线中的应力最大值σ1和第一应力分布曲线中的应力最大值σ1位置距离煤巷掘进起点位置的距离A；
步骤二，煤巷掘进ΔL位置处，即新掘巷道7的长度为ΔL时，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第二应力分布曲线，并确定第二应力分布曲线中的应力最大值σ2，其中，ΔL＜A，可以保证第二应力分布曲线的轨迹为整体连续的，并且使第二应力分布曲线相对于第一应力分布曲线为线性变化，并以此可以进一步预测煤巷掘进2ΔL位置处的虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值σ3'；
步骤三，预测煤巷掘进2ΔL位置处的虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值 σ3'，
步骤四，虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值σ3'与煤体最大总应力σmax比较，评估煤巷掘进迎头的危险性。
其中，煤体最大总应力σmax包括极限平衡区内煤体最大总应力σpmax和弹性区内煤体最大总应力σomax，需要说明的是，应力分布曲线将煤体5分为三个区：煤巷掘进起点位置处至应力分布曲线中的应力最大值之间的极限平衡区、应力分布曲线中的应力最大值至原岩应力值γH之间的弹性区以及煤体5深部未受采动影响的原岩应力区。
σpmax和σomax的计算公式如下：
式中：A1——极限平衡区内煤体微元体表面孔隙所占面积比；
p——作用于孔隙中的瓦斯压力，Mpa；
σrp——极限平衡区内作用于煤体骨架上的径向应力，MPa；
σθp——极限平衡区内作用于煤体骨架上的切向应力，MPa；
——为煤体内内摩擦角；
K——煤体的内聚力，Mpa；
R0——巷道圆形断面的半径。
式中：R0——巷道断面半径；
r——微元体到掘进头的距离，m；
A2——极限弹性区煤体微元体表面孔隙所占比例；
ω0——无限远处煤体单元面积上所受应力，Mpa；
当σ3'≤σpmax且σ3'≤σomax时，掘进迎头前方煤体5才是稳定的，否则，必须对掘进迎头前方煤体5采取卸压解危措施，并再次用光纤光栅监测系统进行检验，直到满足条件才可进行下一步的掘进工作。
步骤五，煤巷掘进2ΔL、3ΔL、4ΔL至nΔL位置处，重复步骤二至步骤四。具体的，以煤巷掘进2ΔL位置处为例，在煤巷掘进2ΔL位置处，新掘巷道7的长度变为2ΔL，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第三应力分布曲线，并确定第三应力分布曲线中的应力最大值σ3，其中，2ΔL-ΔL＝ΔL，ΔL＜A；预测煤巷掘进3ΔL位置处的虚拟的第四应力分布曲线中的应力最大值σ4'，虚拟的第四应力分布曲线中的应力最大值σ4'与煤体最大总应力σmax比较，评估煤巷掘进迎头的危险性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种煤巷掘进迎头危险性评估方法，应用一种煤巷掘进迎头应力测定方法，煤巷掘进迎头应力测定方法应用光纤光栅监测系统，光纤光栅监测系统包括主机和与主机信号连接的光纤光栅传感器，煤巷掘进迎头应力测定方法包括以下步骤：
步骤一，在煤巷掘进迎头的侧边位置的竖直方向上从一端起开设深度不同的钻孔；
步骤二，将光纤光栅传感器放置于各个钻孔的末端位置；
步骤三，通过光纤光栅监测系统得到各个钻孔末端位置处的应力；
步骤四，基于各个钻孔末端位置处的应力和钻孔的深度，绘制应力分布曲线；
步骤五，观察应力分布曲线趋于水平，步骤一中停止开设钻孔；
其特征在于，煤巷掘进迎头危险性评估方法包括以下步骤：
步骤一，煤巷掘进起点位置处，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第一应力分布曲线，并确定第一应力分布曲线中的应力最大值σ1和第一应力分布曲线中的应力最大值σ1位置距离煤巷掘进起点位置的距离A；
步骤二，煤巷掘进ΔL位置处，应用煤巷掘进迎头应力测定方法得到第二应力分布曲线，并确定第二应力分布曲线中的应力最大值σ2，其中，ΔL＜A，ΔL为新掘巷道的长度；
步骤三，预测煤巷掘进2ΔL位置处的虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值σ3'，
步骤四，虚拟的第三应力分布曲线中的应力最大值σ3'与煤体最大总应力σmax比较，评估煤巷掘进迎头的危险性；
步骤五，煤巷掘进2ΔL、3ΔL、4ΔL至nΔL位置处，重复步骤二至步骤四。
2.根据权利要求1所述的煤巷掘进迎头危险性评估方法，其特征在于：煤巷掘进迎头应力测定方法的步骤一中，在煤巷掘进迎头的两侧边位置同步开设钻孔。
3.根据权利要求2所述的煤巷掘进迎头危险性评估方法，其特征在于：煤巷掘进迎头应力测定方法的步骤一中，相邻钻孔在竖直方向上相距等长距离，相邻钻孔的深度在沿掘进方向上相差等长距离。
4.根据权利要求1至3任一项所述的煤巷掘进迎头危险性评估方法，其特征在于：煤巷掘进迎头应力测定方法中，所述光纤光栅监测系统还包括连接杆，连接杆的一端连接光纤光栅传感器，连接杆内设置有信号电缆，主机经信号电缆连接光纤光栅传感器；煤巷掘进迎头应力测定方法的步骤二中，通过连接杆将光纤光栅传感器放置于各个钻孔的末端位置。
5.根据权利要求1所述的煤巷掘进迎头危险性评估方法，其特征在于：步骤四中，煤体最大总应力σmax包括极限平衡区内煤体最大总应力σpmax和弹性区内煤体最大总应力σomax。
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