CN109707453A - 一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，包括以下步骤：确定需论证的永久硐室、进行影响因素分析、量化可能影响因素的影响程度及影响范围、量化取值、增量叠加/累积、确定冲击危险判别标准、确定各永久硐室安全等级、确定各永久硐室致灾主控因素、分类监测与防治。本发明基于冲击地压动静载叠加诱冲原理，在永久硐室冲击地压影响因素分析、量化基础上，建立一种各致灾因素影响增量叠加/累积的安全性论证方法，适用于已积累较多监测预警数据的冲击地压矿井永久硐室的安全性论证。

Description

一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，主要用于有冲击地压灾害矿井永久硐室安全性论证，用于指导煤矿永久硐室的防冲工作。

背景技术

《防治煤矿冲击地压细则》第二十八条规定：“开拓巷道不得布置在严重冲击地压煤层中，永久硐室不得布置在冲击地压煤层中。开拓巷道、永久硐室布置达不到以上要求且不具备重新布置条件时，需进行安全性论证。”对于已建成矿井，在实际回采过程中发现冲击显现，因生产系统业已形成，若永久硐室布置在冲击地压煤层中，永久硐室一般不具备重新布置条件，故需要进行永久硐室布置在冲击地压煤层中的安全性论证。本条文为本次细则修订新增内容，针对永久硐室布置在冲击地压煤层中的安全性论证方法尚处于摸索阶段，目前仍借鉴工作面冲击危险性评价方法进行安全性论证，例如综合指数法、可能性指数法和多因素耦合方法。

实际论证中发现以上方法不完全适用于永久硐室的安全性论证，具体来说存在以下几个问题：

1.综合指数法、可能性指数法对于区域性宏观评价效果较好，但采用该方法评价永久硐室时，论证结果明显与现场实际显现不符，造成这一现象的原因是：综合指数法、可能性指数法更多关注的是与采掘活动先关的致灾因素，对于附近采掘活动相对较少的井下永久硐室，多项参数无法选取，导致评价结果失真。

2.其他工作面冲击危险性评价方法大都基于煤岩体应力集中程度与覆岩破断动载影响进行，该类方法用于永久硐室安全性论证时，存在的问题主要有：一是应力集中程度缺乏基于现场实际监测数据分析的量化，指标选取过程中更多考虑的是经验数据，往往导致分析结果与现场实际不相符；二是对于工作面危险性评价，动载影响无需考虑距离因素，采掘活动造成的覆岩破断必然直接影响其下方工作面的危险程度，但井下永久硐室与附近工作面之间一般均设有大巷保护煤柱，工作面采掘活动造成的动载影响需要考虑井下永久硐室与附近工作面之间的距离因素。

3.冲击地压的防治需坚持“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的基本原则，永久硐室要实现分区管理、分类防治，首先应明确冲击地压类型以及各永久硐室实际危险程度、致灾主控因素，基于此结果，相关监测与防治措施才能有的放矢。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，该方法基于冲击地压动静载叠加诱冲原理，在永久硐室冲击地压影响因素分析、量化基础上，建立一种各致灾因素影响增量叠加的安全性论证方法，适用于已积累较多监测预警数据的冲击地压矿井永久硐室的安全性论证。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待论证的永久硐室；

步骤2：进行影响因素分析，待分析的因素包括：开采深度、煤岩物理力学性质、地质构造、顶板岩层结构、煤层厚度变化、地应力影响、顶板疏放水、保护煤柱宽度、底煤厚度、巷道交叉、巷道群、采空区影响和远场矿震；根据分析结果确定永久硐室冲击显现可能影响因素，排除影响可能性小的因素；

步骤3：量化可能影响因素的影响程度及影响范围

依据数值模拟、本矿井邻近工作面冲击地压监测数据分析、现场实际显现确定各可能因素影响程度，且有：

式中：σ_ijq为各可能因素强影响程度；σ_ijw为各可能因素无影响程度；σ_ijz为各可能因素中等影响程度；σ_ijr为各可能因素弱影响程度；σ_i1max，σ_i2max，σ_i3max，σ_i1min，σ_i2min，σ_i3min分别为通过理论分析、数值模拟、本矿井邻近工作面冲击地压监测数据分析确定的可能因素最大、最小影响程度；

按以下原则量化可能影响因素的影响范围：

①取σ_ijq～σ_ijz对应的影响范围为各可能因素最大影响范围L_ijq；

②取σ_ijz～σ_ijr对应的影响范围为各可能因素中影响范围L_ijz；

③取σ_ijr～σ_ijw对应的影响范围为各可能因为最小影响范围L_ijr；

④取≤σ_ijw对应的影响范围为各可能因为无影响范围L_ijw；

⑤对于开采深度无需量化影响范围的因素，只量化影响程度；

结合以上分析结果确定各可能因素影响量化指标表；

步骤4：量化取值

结合各永久硐室实际情况，依据步骤3中各可能因素影响量化指标表，逐项排查各可能因素影响实际影响程度σ′_ij和实际影响距离L′_ij，σ′_ij表示第i各因素对第j个永久硐室的实际影响程度，可能因素影响的实际影响距离L′_ij表示第i各因素对第j个永久硐室的实际影响距离，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；

步骤5：增量叠加/累积

依据数值模拟、现场实际显现确定本矿井应力采取叠加还是累积的方式，若采用叠加方式，按下式进行增量叠加：

若采用累积方式，按下式进行增量累积：

式中，λ_i表示各第i永久硐室及附近的各可能因素综合影响影响程度系数；

步骤6：确定冲击危险判别标准

步骤7：确定各永久硐室安全等级

步骤8：确定各永久硐室致灾主控因素

取步骤4中每个永久硐室各可能因素影响实际影响程度σ′_ij中数值最大的前两位作为各永久硐室致灾主控因素；

步骤9：分类监测与防治

根据步骤7、步骤8结果，考虑符合规范、方便施工、降低投资和分类监测的原则进行永久硐室冲击地压监测与防治。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法如下：

步骤6-1：找出本矿井范围内已有强冲击、中等、弱冲击显现的区域，分析以上区域冲击影响因素；

步骤6-2：依据强冲击、中等冲击显现的区域实际情况进行影响因素行量化取值；

步骤6-3：分别取步骤6-2分析得到的强、中等、弱冲击区域各影响因素量化的最小值进行增量累计/累乘；

步骤6-4：分别取步骤6-3计算结果的0.8倍为本矿井永久硐室强、中等、弱冲击危险判别标准|λ_imax|、|λ_imid|、|λ_imin|。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法如下：将步骤5各永久硐室增量叠加/累积结果与步骤6结果进行对比，按以下选择确定各永久硐室安全等级：

①若λ_i＞|λ_imax|，则该永久硐室为强冲击危险，处于不安全状态；

②若|λ_imax|＞λ_i＞|λ_imid|，则该永久硐室为中等冲击危险，处于存在风险状态；

③若|λ_imid|＞λ_i＞|λ_imin|，则该永久硐室为弱冲击危险，处于存在基本安全状态；

④若λ_i＜|λ_imin|，则该永久硐室为无冲击危险，处于安全状态。

本发明具有如下有益的技术效果：

1.本发明首先进行进行影响因素分析，结合矿井及永久硐室实际情况确定永久硐室冲击显现可能影响因素，排除影响可能性较小的因素，因素选取中尽可能的剔除了影响可能性较小的因素对最终论证结果的干扰，论证结果相对真实。

2.本发明中冲击危险影响因素的影响程度与影响距离的确定，更多的考虑了数值模拟及监测预警数据分析结果，给出了量化方法，量化结果相比传统方法中经验取值更贴近现场实际。

3.本发明中冲击危险判别标准的确定，更多的考虑了矿井实际冲击显现并进行了量化，故综合论证结果相对更贴近现场实际。依据本方法可确定致灾主控因素，相关监测与防治措施有的放矢。

附图说明

图1为本发明方法的流程原理示意框图；

图2为本发明实施例的步骤3中断层影响数值模拟结果。

图3为本发明实施例的步骤3中断层附近应力监测结果。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，包括以下步骤：

步骤1：根据目标矿井煤层冲击倾向性鉴定、煤层危险性评价、初步设计、实际采掘工程平面图等资料确定需要进行安全性论证的永久硐室包括：井底车场附近主要永久硐室、一盘区一号变电所、二号永久避难硐室、二号主排水泵房、三号永久避难硐室、盘区大巷中各调车硐室、四号配电硐室。

步骤2：进行影响因素分析，逐项分析开采深度、煤岩物理力学性质、地质构造、顶板岩层结构、煤层厚度变化、地应力影响、顶板疏放水、保护煤柱宽度、底煤厚度、巷道交叉、巷道群、采空区影响、远场矿震等，最终确定影响本矿井永久硐室冲击显现可能的影响因素有：开采深度、断层、巷道交叉、采空区影响、远场矿震。

步骤3：量化可能影响因素的影响程度及影响范围

以下举例说明部分影响因素影响程度及影响范围确定过程。

一、断层影响

落差大于10m的断层影响数值模拟结果如图2所示，断层附近应力监测结果如图3所示。

分析后可得：断层最大影响程度(断层附近煤岩体应力集中系数)σ_11max＝1.8，σ_11min＝1.0；

本矿井邻近工作面冲击地压监测数据分析：本矿井31102工作面回风顺槽2号联巷与3号联巷存在F10断层，落差小于25m，断层附近安装有27#应力计，在工作面距离断层200m以上时，27#应力计相比周围测点应力值明显上升，以后不再增加，上升幅度约1.6，具体见图3，故取σ_12max＝1.6，σ_12min＝1.0；

分析后可得：断层最大影响程度(断层附近煤岩体应力集中系数)σ_11max＝1.8，σ_11min＝1.0；

按以下原则量化可能影响因素的影响范围：

①取应力集中系数1.64～1.8所含范围为断层因素最大影响范围，即断层附近0～15m范围；

②取应力集中系数1.4～1.64所含范围为断层因素中等影响范围，即断层附近15～50m范围；

③取应力集中系数1.0～1.4所含范围为断层因素最小影响范围，即断层附近50～100m范围；

④取应力集中系数等于1.0所含范围为断层因素无影响范围，即断层附近＞100m范围；

结合以上分析结果确定断层因素影响量化指标表，如表1所示。

表1断层因素影响量化指标表

类似方法得到落差小于3m断层影响量化指标表、巷道交叉、采空区影响、远场矿震、开采深度影响量化指标表，分别如表2～表6所示。

表2落差小于3m断层影响量化指标表

表3采空区影响量化指标表

表4巷道交叉影响量化指标表

表5远场矿震动载能量增量量化指标表

表6自重应力场影响量化指标表

步骤4：量化取值

结合各永久硐室实际情况，依据步骤3中各可能因素影响量化指标表，逐项排查各可能因素影响实际影响程度σ′_ij和可能因素影响实际影响距离L′_ij。

下面以一盘区一号变电所的断层影响为例说明量化取值过程。

经排查该硐室附近断层分布情况及量化取值结果附表7所示。

表7一盘区一号变电所附近断层分布情况及量化取值结果

类似方法得到其他永久硐室各因素影响量化取值表，如表8所示。

表8各永久硐室各因素影响量化取值表

步骤5：增量叠加/累积

依据数值模拟、现场实际显现确定本矿井应力采取累积的方式，累积结果见表9。

表9永久硐室各危险因素影响增量累积结果

步骤6：确定冲击危险判别标准

步骤6-1：找出本矿井范围内已有强冲击、中等、弱冲击显现的区域，分析以上区域冲击影响因素；

本矿井已回采工作面临空顺槽存在冲击显现，其中超前工作面0～180m范围内的临空顺槽出现多次冲击显现，监测数据显示冲击危险程度常出现强危险预警，冲击危险程度较强，分析其主要影响因素有自重应力场影响、采空区侧向支承压力、超前支承压力、巷道交叉影响、远场矿震影响等；

超前工作面180～280m范围内的临空顺槽常出现应力中等冲击预警，部分地段底鼓明显，整体处于中等冲击危险，分析其主要影响因素有自重应力场影响、采空区侧向支承压力、巷道交叉影响、远场矿震影响等；

超前工作面280m以外仅在个别联巷口常现肩窝变形，无其他显现，且微震事件在280m以外分布较少，监测数据显示整体弱冲击危险，分析其主要影响因素有自重应力场影响、采空区侧向支承压力、巷道交叉影响等；

步骤6-2：依据强冲击、中等冲击显现的区域实际情况进行影响因素行量化取值

超前工作面0～180m范围内的临空顺槽：自重应力场影响1.1、采空区侧向支承压力1.5、超前支承压力1.0～1.5、巷道交叉影响1.1、远场矿震影响1.4～1.5；

超前工作面180～280m范围内的临空顺槽：自重应力场影响1.1、采空区侧向支承压力1.4、巷道交叉影响1.1、远场矿震影响1.25；

超前工作面280m以外的临空顺槽：自重应力场影响1.1、采空区侧向支承压力1.4、巷道交叉影响1.1；

步骤6-3：分别取步骤6-2分析得到的强、中等、弱冲击区域各影响因素量化的最小值进行增量累计/累乘。

超前工作面0～180m范围内的临空顺槽：强冲击危险，2.54；

超前工作面180～280m范围内的临空顺槽：中等冲击危险，2.1；

超前工作面280m以外的临空顺槽：弱冲击危险，1.69；

步骤6-4：分别取步骤6-3计算结果的0.8倍为本矿井永久硐室强、中等、弱冲击危险判别标准|λ_imax|、|λ_imid|、|λ_imin|。

超前工作面0～180m范围内的临空顺槽：强冲击危险判别标准|λ_imax|＝2.03；

超前工作面180～280m范围内的临空顺槽：中等冲击危险判别标准|λ_imid|＝1.68；

超前工作面280m以外的临空顺槽：弱冲击危险判别标准|λ_imin|＝1.35。

步骤7：确定各永久硐室安全等级

将步骤5各永久硐室增量叠加/累积结果与步骤6结果进行对比，按以下选择确定各永久硐室安全等级，结果见表10。

表10永久硐室安全等级

步骤8：确定各永久硐室致灾主控因素

取步骤4中每个永久硐室各可能因素影响实际影响程度σ′_ij中数值最大的前两位作为各永久硐室致灾主控因素，结果如表11所示，其中下划线标出的为各永久硐室致灾主控因素。

表11各永久硐室各可能因素影响实际影响程度排序表

步骤9：分类监测与防治

1.区域监测采用微震监测系统，局部监测采用煤体应力监测及钻屑检验，其中微震监测系统覆盖全部永久硐室，煤体应力监测测点布置方案设计考虑以下原则：

(1)处于安全状态的永久硐室：进行钻屑检验，排查实际危险程度，确认危险时安装煤体应力监测测点；

选择危险程度相对较高的永久硐室布置煤体应力监测测点，不采用在线监测方式；

(2)处于基本安全状态的永久硐室：选择危险程度相对较高的永久硐室布置煤体应力监测测点，不采用在线监测方式；

(3)处于存在风险状态的永久硐室：煤体应力监测测点全覆盖，不采用在线监测方式；

(4)处于存在不安全状态的永久硐室：煤体应力监测测点全覆盖，采用在线监测方式。

2.根据致灾主控因素确定永久硐室冲击防治解危措施设计，例如：一盘区一号变电所处于存在风险状态的永久硐室，致灾主控因素为断层构造及远场矿震，防治措施为：加强支护、加大保护煤柱留设宽度、在附近工作面回撤通道内实施水力压裂等顶板干预措施，降低采空区悬露顶板对永久硐室附近应力集中程度的影响。

Claims (3)

1.一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定待论证的永久硐室；

步骤2：进行影响因素分析，待分析的因素包括：开采深度、煤岩物理力学性质、地质构造、顶板岩层结构、煤层厚度变化、地应力影响、顶板疏放水、保护煤柱宽度、底煤厚度、巷道交叉、巷道群、采空区影响和远场矿震；根据分析结果确定永久硐室冲击显现可能影响因素，排除影响可能性小的因素；

步骤3：量化可能影响因素的影响程度及影响范围

依据数值模拟、本矿井邻近工作面冲击地压监测数据分析、现场实际显现确定各可能因素影响程度，且有：

式中：σ_ijq为各可能因素强影响程度；σ_ijw为各可能因素无影响程度；σ_ijz为各可能因素中等影响程度；σ_ijr为各可能因素弱影响程度；σ_i1max，σ_i2max，σ_i3max，σ_i1min，σ_i2min，σ_i3min分别为通过理论分析、数值模拟、本矿井邻近工作面冲击地压监测数据分析确定的可能因素最大、最小影响程度；

按以下原则量化可能影响因素的影响范围：

①取σ_ijq～σ_ijz对应的影响范围为各可能因素最大影响范围L_ijq；

②取σ_ijz～σ_ijr对应的影响范围为各可能因素中影响范围L_ijz；

③取σ_ijr～σ_ijw对应的影响范围为各可能因为最小影响范围L_ijr；

④取≤σ_ijw对应的影响范围为各可能因为无影响范围L_ijw；

⑤对于开采深度无需量化影响范围的因素，只量化影响程度；

结合以上分析结果确定各可能因素影响量化指标表；

步骤4：量化取值

结合各永久硐室实际情况，依据步骤3中各可能因素影响量化指标表，逐项排查各可能因素影响实际影响程度σ′_ij和实际影响距离L′_ij，σ′_ij表示第i各因素对第j个永久硐室的实际影响程度，可能因素影响的实际影响距离L′_ij表示第i各因素对第j个永久硐室的实际影响距离，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；

步骤5：增量叠加/累积

依据数值模拟、现场实际显现确定本矿井应力采取叠加还是累积的方式，若采用叠加方式，按下式进行增量叠加：

若采用累积方式，按下式进行增量累积：

式中，λ_i表示各第i永久硐室及附近的各可能因素综合影响影响程度系数；

步骤6：确定冲击危险判别标准

步骤7：确定各永久硐室安全等级

步骤8：确定各永久硐室致灾主控因素

取步骤4中每个永久硐室各可能因素影响实际影响程度σ′_ij中数值最大的前两位作为各永久硐室致灾主控因素；

步骤9：分类监测与防治

根据步骤7、步骤8结果，考虑符合规范、方便施工、降低投资和分类监测的原则进行永久硐室冲击地压监测与防治。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法如下：

步骤6-1：找出本矿井范围内已有强冲击、中等、弱冲击显现的区域，分析以上区域冲击影响因素；

步骤6-2：依据强冲击、中等冲击显现的区域实际情况进行影响因素行量化取值；

步骤6-3：分别取步骤6-2分析得到的强、中等、弱冲击区域各影响因素量化的最小值进行增量累计/累乘；

步骤6-4：分别取步骤6-3计算结果的0.8倍为本矿井永久硐室强、中等、弱冲击危险判别标准|λ_imax|、|λ_imid|、|λ_imin|。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿永久硐室冲击安全性论证方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法如下：将步骤5各永久硐室增量叠加/累积结果与步骤6结果进行对比，按以下选择确定各永久硐室安全等级：

①若λ_i＞|λ_imax|，则该永久硐室为强冲击危险，处于不安全状态；

②若|λ_imax|＞λ_i＞|λ_imid|，则该永久硐室为中等冲击危险，处于存在风险状态；

③若|λ_imid|＞λ_i＞|λ_imin|，则该永久硐室为弱冲击危险，处于存在基本安全状态；

④若λ_i＜|λ_imin|，则该永久硐室为无冲击危险，处于安全状态。