CN109726943A - 利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，通过实时采集待监测煤柱的应力数据得到相应的实时侧向应变差值，再通过比对实时侧向应变差值与最大侧向应变差值之间的关系，判断是否需要进行冲击地压预警，进一步地，可以通过对比实时应力数据与拐点应力数据的对比获得需要报警的时机。采用本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，充分考虑到了煤柱中裂隙对冲击地压的影响，降低误差，提高准确率，做到对冲击地压灾害进行实时预判、预警和报警，且实现方法简单，节约成本，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及煤矿开采风险规避技术领域，具体是指一种利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法。
背景技术
煤炭是我国的重要能源，随着近几年产业结构调整和环境保护的需求，石油、天然气以及新能源比例变大，煤炭资源的消费有所降低。但“富煤、贫油、少气”的现状使煤炭在未来几十年内仍占主要能源。目前，东部地区的浅部煤炭资源已基本被开采完，开采深度逐渐向深部发展。预计在未来20年，我国多数煤矿将进入1000m到1500m的开采深度。随着煤炭深部开采时代的到来，深部围岩受“三高一扰”(高地应力、高渗透压力、高地温、强开采扰动)影响，煤矿冲击地压发生趋于频繁。原来有冲击灾害的矿井，冲击危险性越发严峻；原来没有冲击灾害的矿井，也逐步出现冲击现象。冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它不仅能造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，而且还会引起瓦斯、煤尘爆炸、火灾及水灾，干扰通风系统等，是煤矿重大灾害之一，严重影响着煤矿的安全、高效开采。由于煤矿地质和开采条件的复杂性，冲击地压灾害发生的时间与地域具有多样性和突发性，因此对其进行预测预警也就成为世界性难题。尤其是对煤柱区域冲击灾害的研究不够充分，无法辨识冲击地压的孕育点和危险点，对其冲击危险性进行监测预警目前还存在很多不足，比如一般测量煤柱区域冲击危险程度方法，没有考虑到煤柱中分布的较多裂隙；弹性波CT反演技术还不能做到实时预警；微震法和声发射技术及电磁辐射技术误差较大、准确率比较低。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实时监测煤柱应力场、通过侧向应变差值实现实时精确预警的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法。
为了实现上述目的，本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法具有如下构成：
该利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其主要特点是，所述的方法包括
(1)对井下待监测煤柱进行取样获得数个煤样试块；
(2)采集各个煤样试块的竖向应变数据、侧向应变数据和应力数据；
(3)根据采集到的各个煤样试块的竖向应变数据、侧向应变数据和应力数据获得应力-侧向应变曲线和应力-体积应变曲线；
(4)根据所述的应力-侧向应变曲线的应力零点对应的坐标值和所述的应力-体积应变曲线的曲线拐点对应的坐标值确定应力-侧向应变参考直线；
(5)计算所述的应力-侧向应变曲线与所述的应力-侧向应变参考直线之间的侧向应变差值，得到侧向应变差值-应力曲线；
(6)采集井下待监测煤柱的实时应力数据，并根据所述的侧向应变差值-应力曲线获得相应的实时侧向应变差值数据；
(7)若所述的实时侧向应变差值数据小于所述的侧向应变差值-应力曲线的侧向应变差值的最大值，则判定无需冲击危险预警，并返回步骤(6)，否则判定为需要冲击危险预警。
进一步地，所述的步骤(7)之后，还包括：
(8)若判定为需要冲击危险预警，则对比该实时应力数据与所述的应力-体积应变曲线的曲线拐点对应的拐点应力数据；
(9)若实时应力数据小于拐点应力数据，则判定为返回步骤(6)，否则判定为该待监测煤柱有冲击危险，进行报警并返回步骤(6)。
进一步地，所述的应力-体积应变曲线中的体积应变的数据采用以下公式获得：
εv＝εh+2εl
其中，εv为体积应变，εh为竖向应变，εl为侧向应变。
更进一步地，所述的煤样试块的个数不小于20，所述的煤样试块形状为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体。
采用了该发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，通过实时采集待监测煤柱的应力数据得到相应的实时侧向应变差值，再通过比对实时侧向应变差值与最大侧向应变差值之间的关系，判断是否需要进行冲击地压预警，进一步地，可以通过对比实时应力数据与拐点应力数据的对比获得需要报警的时机，充分考虑到了煤柱中裂隙对冲击地压的影响，降低误差，提高准确率，做到对冲击地压灾害进行实时预判、预警的报警，且实现方法简单，节约成本，具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法的流程图。
图2为本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法的具体实施方式的系统示意图。
图3为本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法的应力-侧向应变曲线、应力-体积应变曲线和应力-侧向应变参考直线的示意图。
图4为本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法的侧向应变差值-应力曲线的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示，为本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法的流程图，在一种具体实施方式中，可采用如图2所述的系统实现发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法。
以下结合图1和2详细说明本发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法具体步骤：
(1)在井下待监测煤柱中取样，加工成至少N个煤样试块，安装应力监测探头，对该些煤样试块进行冲击破坏，井下监测分站对煤样试块在整个冲击破坏过程中的竖向应变εh和侧向应变εl进行监测，同时对煤样试块的应力σ进行监测，此处应力σ为轴向应力；
(2)井下监测分站将实时采集到的监测数据转化为光信号，经环网交换机由电缆传输至地面监测主机，地面监测主机通过公式(a)，进一步得到煤柱的体积应变的值：
εv＝εh+2εl (a)
其中，εv为体积应变，εh为竖向应变，εl为侧向应变；
(3)地面监测主机通过采集到的竖向应变εh和侧向应变εl做应力-侧向应变曲线和应力-体积应变曲线，如图3所示；
(4)地面监测主机确定应力-侧向应变参考直线，如图3所示，具体包
括以下步骤：
(4.1)地面监测主机通过应力-侧向应变曲线来确定应力-侧向应变参考直线的起点，将应力-侧向应变曲线上应力为零所对应的坐标设为应力-侧向应变参考直线的起点；
(4.2)地面监测主机通过应力-体积应变曲线来确定应力-侧向应变参考直线的终点，将应力-体积应变曲线的曲线拐点所对应的坐标作为应力-侧向应变参考直线的终点，该曲线拐点为冲击破坏的危险点，另外由于该曲线拐点坐标含有体积应变这种空间参数，因此涵盖待监测煤柱的非稳定裂缝扩展的情况；
(5)地面监测主机计算应力-侧向应变曲线与应力-侧向应变参考直线之间的侧向应变差值，得到以应力为横坐标、侧向应变差值为纵坐标的侧向应变差值-应力曲线，如图4所示；
(6)井下监测分站采集井下待监测煤柱的实时应力数据，地面监测主机根据侧向应变差值-应力曲线获得相应的实时侧向应变差值数据；
(7)若实时侧向应变差值数据小于侧向应变差值-应力曲线的侧向应变差值的最大值，则地面监测主机判定无需冲击危险预警，并返回步骤(6)，否则地面监测主机判定为需要冲击危险预警，并继续步骤(8)；
(8)地面监测主机对比该实时应力数据与应力-体积应变曲线的曲线拐点对应的拐点应力数据；
(9)若实时应力数据小于拐点应力数据，则地面监测主机判定继续预警和对待监测煤柱进行采样，返回步骤(6)，否则判定为该待监测煤柱有冲击危险，进行报警并返回步骤(6)。
在一种更优选的实施方式中，为了能够更加直观的进行数据对比，将应力-体积应变曲线的曲线拐点设为冲击破坏危险点，曲线拐点所对应的应力坐标值设为冲击破坏危险值σcd，将侧向应变差值-应力曲线的侧向应变最大值对应的顶点设为冲击破坏孕育点，顶点所对应的应力坐标值设为冲击破坏孕育值σci，从该点开始煤柱产生裂缝。地面监测主机对传入的实时应力信息进行信号处理，并得出应力场，通过远程监控装置实时显示待监测煤柱的应力场分布信息及危险等级信息等地面监测主机的处理结果，地面监测主机将监测的信号与冲击破坏危险值σcd及冲击破坏孕育值σci进行对比分析，对冲击危险进行预警或报警，具体为：
若监测的实时应力值达到或超过冲击破坏危险值σcd，即有冲击危险，需要采取卸压解危措施；若应力值小于冲击破坏孕育值σci，则无冲击危险；若应力值处于冲击破坏危险值σcd和冲击破坏孕育值σci两者之间，则进行冲击危险预警并加强应力的监测。
此外，所述的煤样试块的个数可以不小于20，所述的煤样试块形状可以为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体。
采用了该发明的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，通过实时采集待监测煤柱的应力数据得到相应的实时侧向应变差值，再通过比对实时侧向应变差值与最大侧向应变差值之间的关系，判断是否需要进行冲击地压预警，进一步地，可以通过对比实时应力数据与拐点应力数据的对比获得需要报警的时机，充分考虑到了煤柱中裂隙对冲击地压的影响，降低误差，提高准确率，做到对冲击地压灾害进行实时预判、预警和报警，且实现方法简单，节约成本，具有更广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (5)
1.一种利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其特征在于，所述的方法包括：
(1)对井下待监测煤柱进行取样获得数个煤样试块；
(2)采集各个煤样试块的竖向应变数据、侧向应变数据和应力数据；
(3)根据采集到的各个煤样试块的竖向应变数据、侧向应变数据和应力数据获得应力-侧向应变曲线和应力-体积应变曲线；
(4)根据所述的应力-侧向应变曲线的应力零点对应的坐标值和所述的应力-体积应变曲线的曲线拐点对应的坐标值确定应力-侧向应变参考直线；
(5)计算所述的应力-侧向应变曲线与所述的应力-侧向应变参考直线之间的侧向应变差值，得到侧向应变差值-应力曲线；
(6)采集井下待监测煤柱的实时应力数据，并根据所述的侧向应变差值-应力曲线获得相应的实时侧向应变差值数据；
(7)若所述的实时侧向应变差值数据小于所述的侧向应变差值-应力曲线的侧向应变差值的最大值，则判定无需冲击危险预警，并返回步骤(6)，否则判定为需要冲击危险预警。
2.根据权利要求1所述的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其特征在于，所述的步骤(7)之后，还包括：
(8)若判定为需要冲击危险预警，则对比该实时应力数据与所述的应力-体积应变曲线的曲线拐点对应的拐点应力数据；
(9)若实时应力数据小于拐点应力数据，则判定返回步骤(6)，否则判定为该待监测煤柱有冲击危险，进行报警并返回步骤(6)。
3.根据权利要求1所述的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其特征在于，所述的应力-体积应变曲线中的体积应变的数据采用以下公式获得：
εv＝εh+2εl
其中，εv为体积应变，εh为竖向应变，εl为侧向应变。
4.根据权利要求1-3中任一所述的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其特征在于，所述的煤样试块的个数不小于20。
5.根据权利要求1-3中任一所述的利用侧向应变差值对孤岛煤柱冲击地压进行预警的方法，其特征在于，所述的煤样试块形状为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体。
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