CN110598162A - 考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法,属于矿山安全技术领域。该方法首先确定冲击危险性评价对象;然后确定Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um;再确定冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc;最后确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级。该方法较当前冲击危险性评价方法更加科学合理,评价结果也更符合现场实际情况,对特厚煤层掘进工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全技术领域,特别是指一种考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法。
背景技术
随着我国中东部地区煤炭资源开采深度和难度的不断增加,冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震等动力灾害越来越严重,煤炭产能正快速向西部转移。作为我国未来煤炭生产的主要基地,西部矿区煤层普遍属于巨厚煤层,具有采高大、采动影响剧烈、影响范围大的特点,易发生冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道失稳、采场压架等动力灾害。因此,对厚煤层的冲击危险性评价对冲击地压防治具有重要的现实意义。
基于综合指数法的多尺度冲击危险性评价方法(中国专利CN108960653A),是目前冲击地压危险性评价方法中比较科学、全面和符合实际的,但这种方法没有考虑煤层厚度这一对冲击地压有重要影响的因素,在一定程度上降低了西部矿区浅埋厚煤层冲击地压危险性评价的精确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法。
该方法包括步骤如下:
(1)确定冲击危险性评价对象:
根据评价范围确定评价对象,评价对象包括矿井、采区、回采工作面和巷道;
(2)确定Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um:
根据矿井设计资料确定评价参数,评价参数包括煤层厚度m、煤层埋深H、掘进巷道半径r、煤层单轴抗压强度σ煤和围岩单轴抗压强度σ岩;以掘进巷道半径为r,煤层埋深为H的掘进工作面作为评价标准,建立考虑煤层厚度的冲击危险性评价模型,模型中设定煤层厚度为2r的围岩积聚弹性能为Er、煤层厚度为m的围岩积聚弹性能为Em、煤层厚度为m的巷道当量采深为发生冲击地压的可能性系数为Im四个指标,各指标表达式为:
Er=S岩r·ε岩r+S煤r·ε煤r
Em=S岩m·ε岩m+S煤m·ε煤m
式中,Er和Em单位为J;S岩r为巷道半径为r时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩r为巷道半径为r时的岩层能量密度,J/m3;S煤r为巷道半径为r时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤r为巷道半径为r时的煤层能量密度,J/m3;S岩m为巷道半径为m时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩m为巷道半径为m时的岩层能量密度,J/m3;S煤m为巷道半径为m时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤m为巷道半径为m时的煤层能量密度,J/m3;Im为冲击危险性指数,当Im≥1.5时可认为具有冲击危险;σ为煤体承受最大应力,Mpa;[σs]为煤体单轴抗压强度,Mpa;k为煤体应力集中系数;γ为上覆岩层的平均容重,N/m3;
采用模糊数学方法对上述指标进行归一化处理,采用各区间平均权重的原则,得到Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um为:
(3)确定冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc:
根据煤层冲击倾向性鉴定报告确定评价参数,评价参数包括单轴抗压强度Rc(即为[σs]),弹性能量指数WET,冲击能量指数KE和动态破坏时间DT;建立考虑煤层冲击倾向性的冲击危险性评价模型,引入煤层冲击倾向性的四个指标:动态破坏时间DT对冲击地压可能性的隶属度UDT、弹性能量指数WET对冲击地压可能性的隶属度UWET、冲击能量指数KE对冲击地压可能性的隶属度UKE、单轴抗压强度RC对冲击地压可能性的隶属度URC,各指标表达式为:
以煤层冲击倾向性的四个指标UDT、UWET、UKE、URC为基础,各指标所占冲击倾向性的权重分别为a1、a2、a3、a4,得到冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc为:
Uc=a1UDT+a2UWET+a3UKE+a4URC;
(4)确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级:
评价发生冲击地压的危险性指数U为:
根据危险性指数U确定冲击危险等级。
其中,步骤(2)中,当Im<1.5时冲击危险性为无冲击危险;当Im处于1.5~2.0时冲击危险性为弱冲击;当Im处于2.0~2.5时冲击危险性为中等冲击;当Im>2.5时冲击危险性为强冲击。
步骤(3)中,a1+a2+a3+a4=1。一般取a1=a2=a3=a4=0.25。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
上述方案中,综合考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性,填补了其他方法未考虑煤层厚度影响的空白,对特厚煤层掘进工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。
附图说明
图1为本发明的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法。
如图1所示,该方法首先确定冲击危险性评价对象;然后确定Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um;再确定冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc;最后确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级。
具体的,该方法步骤如下:
步骤一、确定冲击危险性评价对象
根据评价范围确定评价对象,评价对象包括矿井、采区(盘区或水平)、回采工作面和巷道;
步骤二、确定Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um
根据矿井设计资料确定评价参数,评价参数包括煤层厚度m、煤层埋深H、掘进巷道半径r、煤层单轴抗压强度σ煤和围岩单轴抗压强度σ岩;以巷道半径为r,埋深为H的掘进工作面作为评价标准,建立考虑煤层厚度的冲击危险性评价模型,模型中设定煤层厚度为2r的围岩积聚弹性能为Er、煤层厚度为m的围岩围岩积聚弹性能为Em、煤层厚度为m的巷道当量采深为发生冲击地压的可能性系数为Im四个指标,各指标表达式为:
Er=S岩r·ε岩r+S煤r·ε煤r
Em=S岩m·ε岩m+S煤m·ε煤m
式中Er和Em单位为J;S岩r为巷道半径为r时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩r为巷道半径为r时的岩层能量密度,J/m3;S煤r为巷道半径为r时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤r为巷道半径为r时的煤层能量密度,J/m3;S岩m为巷道半径为m时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩m为巷道半径为m时的岩层能量密度,J/m3;S煤m为巷道半径为m时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤m为巷道半径为m时的煤层能量密度,J/m3;Im为冲击危险性指数,当Im≥1.5时可认为具有冲击危险;σ为煤体承受最大应力,Mpa;[σs]为煤体单轴抗压强度,Mpa;k为煤体应力集中系数;γ为上覆岩层的平均容重,N/m3
表1 Im与冲击危险性的关系
I<sub>m</sub> | <1.5 | 1.5~2.0 | 2.0~2.5 | >2.5 |
冲击危险性 | 无 | 弱冲击 | 中等冲击 | 强冲击 |
采用模糊数学方法对上述指标进行归一化处理,当Um为0时冲击危险性最小,当Um为1时冲击危险性最高。采用各区间平均权重的原则,得到Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um为:
步骤三、确定冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc
根据煤层冲击倾向性鉴定报告确定评价参数,评价参数包括单轴抗压强度Rc(即为[σs]),弹性能量指数WET,冲击能量指数KE和动态破坏时间DT。建立考虑煤层冲击倾向性的冲击危险性评价模型,引入煤层冲击倾向性的四个指标:动态破坏时间DT对冲击地压可能性的隶属度UDT、弹性能量指数WET对冲击地压可能性的隶属度UWET、冲击能量指数KE对冲击地压可能性的隶属度UKE、单轴抗压强度RC对冲击地压可能性的隶属度URC,各指标表达式为:
以煤层冲击倾向性的四个指标UDT、UWET、UKE、URC为基础,各指标所占冲击倾向性的权重分别为a1、a2、a3、a4,得到冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc为:
Uc=a1UDT+a2UWET+a3UKE+a4URC
表2煤层冲击倾向性鉴定标准
类别 | I类 | II类 | III类 |
冲击倾向 | 无 | 弱 | 强 |
单轴抗压强度/MPa | Rc<7 | 7≤Rc<14 | Rc≥14 |
弹性能量指数 | W<sub>ET</sub><2 | 2≤W<sub>ET</sub><5 | W<sub>ET</sub>≥5 |
冲击能量指数 | K<sub>E</sub><1.5 | 1.5≤K<sub>E</sub><5 | K<sub>E</sub>≥5 |
动态破坏时间/ms | DT>500 | 50<DT≤500 | DT≤50 |
对上述指标进行归一化处理,可得:
步骤四、确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级
评价发生冲击地压的危险性指数为:
根据危险性指数U确定冲击危险等级。
表3冲击地压危险等级划分
U | 0~0.25 | 0.25~0.5 | 0.5~0.75 | >0.75 |
冲击危险性 | 无 | 弱冲击 | 中等冲击 | 强冲击 |
以下以新疆某煤矿为例,介绍本实施例的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法。
背景:新疆某煤矿9-15煤层,经煤层冲击倾向性鉴定试验,被判定为强冲击倾向性煤层。考虑到9-15煤层安全开采,需对9-15煤层进行冲击危险性评价。
(1)确定冲击危险性评价对象
确定冲击危险性评价对象为新疆某煤矿9-15煤层。
(2)确定Im对“冲击地压可能性”的隶属度Um
根据矿井设计确定评价参数为:9-15煤层厚度m=36m,埋深H=382m,掘进巷道半径r=2.0m,ε煤=21.8KJ/m3,ε岩=10.4KJ/m3,取掘进工作面迎头煤体应力集中系数为2.0。
Er=S岩r·ε岩r+S煤r·ε煤r
Em=S岩m·ε岩m+S煤m·ε煤m
将参数代入上述公式,计算得Im=0.72,Um=0.16。
(3)确定冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc
根据9-15煤层冲击倾向性鉴定报告确定评价参数为Rc=35.4MPa,WET=5.6,KE=12,DT=31.5ms。
将参数代入上述公式,可得UDT=1,UWET=1,UKE=1,URC=1。
以煤层冲击倾向性的四个指标UDT、UWET、UKE、URC为基础,各指标所占冲击倾向性的权重分别为a1、a2、a3、a4,其中a1+a2+a3+a4=1,一般取a1=a2=a3=a4=0.25得到冲击倾向性对“冲击地压可能性”的隶属度Uc为:
Uc=a1UDT+a2UWET+a3UKE+a4URC
代入参数可得冲击危险指数Uc=1。
(4)确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级
将Um=0.16和Uc=1代入上式可得9-15煤层工作面冲击危险指数U=0.58,对照表3可知评价结果为具有中等冲击危险。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法,其特征在于:包括步骤如下:
(1)确定冲击危险性评价对象:
根据评价范围确定评价对象,评价对象包括矿井、采区、回采工作面和巷道;
(2)确定Im对冲击地压可能性的隶属度Um:
根据矿井设计资料确定评价参数,评价参数包括煤层厚度m、煤层埋深H、掘进巷道半径r、煤层单轴抗压强度σ煤和围岩单轴抗压强度σ岩;以掘进巷道半径为r,煤层埋深为H的掘进工作面作为评价标准,建立考虑煤层厚度的冲击危险性评价模型,模型中设定煤层厚度为2r的围岩积聚弹性能为Er、煤层厚度为m的围岩积聚弹性能为Em、煤层厚度为m的巷道当量采深为发生冲击地压的可能性系数为Im四个指标,各指标表达式为:
Er=S岩r·ε岩r+S煤r·ε煤r
Em=S岩m·ε岩m+S煤m·ε煤m
式中,Er和Em单位为J;S岩r为巷道半径为r时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩r为巷道半径为r时的岩层能量密度,J/m3;S煤r为巷道半径为r时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤r为巷道半径为r时的煤层能量密度,J/m3;S岩m为巷道半径为m时巷道影响范围内的岩层面积,m2;ε岩m为巷道半径为m时的岩层能量密度,J/m3;S煤m为巷道半径为m时巷道影响范围内煤层面积,m2;ε煤m为巷道半径为m时的煤层能量密度,J/m3;Im为冲击危险性指数,当Im≥1.5时可认为具有冲击危险;σ为煤体承受最大应力,Mpa;[σs]为煤体单轴抗压强度,Mpa;k为煤体应力集中系数;γ为上覆岩层的平均容重,N/m3;
采用模糊数学方法对上述指标进行归一化处理,采用各区间平均权重的原则,得到Im对冲击地压可能性的隶属度Um为:
(3)确定冲击倾向性对冲击地压可能性的隶属度Uc:
根据煤层冲击倾向性鉴定报告确定评价参数,评价参数包括单轴抗压强度Rc,即为[σs],弹性能量指数WET,冲击能量指数KE和动态破坏时间DT;建立考虑煤层冲击倾向性的冲击危险性评价模型,引入煤层冲击倾向性的四个指标:动态破坏时间DT对冲击地压可能性的隶属度UDT、弹性能量指数WET对冲击地压可能性的隶属度UWET、冲击能量指数KE对冲击地压可能性的隶属度UKE、单轴抗压强度RC对冲击地压可能性的隶属度URC,各指标表达式为:
以煤层冲击倾向性的四个指标UDT、UWET、UKE、URC为基础,各指标所占冲击倾向性的权重分别为a1、a2、a3、a4,得到冲击倾向性对冲击地压可能性的隶属度Uc为:
Uc=a1UDT+a2UWET+a3UKE+a4URC;
(4)确定发生冲击地压的危险性指数U和冲击危险等级:
评价发生冲击地压的危险性指数U为:
根据危险性指数U确定冲击危险等级,当U为0~0.25时,无冲击危险,当U为0.25~0.5时,有弱冲击危险,当U为0.5~0.75时,有中等冲击危险,当U>0.75时,有强冲击危险。
2.根据权利要求1所述的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法,其特征在于:所述步骤(2)中,当Im<1.5时冲击危险性为无冲击危险;当Im处于1.5~2.0时冲击危险性为弱冲击;当Im处于2.0~2.5时冲击危险性为中等冲击;当Im>2.5时冲击危险性为强冲击。
3.根据权利要求1所述的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法,其特征在于:所述步骤(3)中,a1+a2+a3+a4=1。
4.根据权利要求3所述的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法,其特征在于:所述a1=a2=a3=a4=0.25。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191220 |
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