CN111047216B - 一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法 - Google Patents

一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法 Download PDF

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Abstract

一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，其步骤包括：实验室测试煤体单轴抗压强度σc、冲击能指数K；计算支护应力ps；理论计算冲击地压发生的临界应力Pcr；理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度Rcr；分析待评价区域的实际煤体应力P；估算或实测待评价区域巷道阻力区半径R；计算待评价区域的临界应力指数Kcr；确定冲击地压发生指标Kfcr；确定待评价区域冲击危险等级；依据危险等级对待评价区域划分危险区域。该评价方法考虑到煤层的实际应力、单向抗压强度、冲击能指数、煤层巷道支护及巷道尺寸等因素之间的内在关系及其对冲击地压的影响，考虑因素更直接、合理，评价指标更具有针对性，评价结果能真实反映评价区域的冲击危险状态，准确率高。

Description

一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法
技术领域
本发明涉及矿山安全技术领域，特别是一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法。
背景技术
随着煤矿开采深度与开采强度的不断增加，煤矿巷道和采场内冲击地压灾害愈发频繁。冲击地压造成常常煤矿巷道和硐室毁坏、人员伤亡、设备损坏，给煤矿安全生产带来巨大的威胁。冲击地压危险性评价是冲击地压防治工作的重要环节，专利号为ZL201310309908.6、ZL201310159400.2以及专利申请号为201810760855.2的中国专利，都是考虑采掘条件及地质条件的综合指数评估方法，是目前广泛采用的评价方法，但该类方法对复杂多变的采掘及地质条件缺乏针对性，评价结果与实际有一定差距，同时容易受评价业务人员的能力水平及主观意识影响。
冲击地压是高应力下的煤岩体动力失稳现象，采场周围的应力、巷道形状、巷道支护应力及煤冲性质等情况对冲击地压均有影响，只有全面考虑这些因素对冲击地压的影响程度，进而评价冲击地压的危险性，才能使评价结果更有针对性，可靠性更高。《煤矿冲击地压》专著及发表在《煤炭学报》2018年第8期的“煤矿冲击地压扰动响应失稳理论及应用”给出了冲击地压发生的临界应力计算公式，但未进一步考虑如何利用临界应力进行冲击地压危险性评价。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，通过分析待评估采掘区域实际煤体应力状态与临界应力的比值，进而判断可能发生冲击地压的危险等级，使冲击地压危险性评价更具有针对性，评价结果可靠性更高。
为实现上述目的，本发明提供的基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，包括以下步骤：
(1)实验室测试煤体单轴抗压强度σc、冲击能指数K；
(2)依据待评价区域巷道支护参数与支护形式计算支护应力ps，计算式为
Figure BDA0002340403650000011
式中F为按照巷道设计支护参数与支护形式取计算面积内各个支护构件支护阻力之和，S为所取的计算支护面积；
(3)理论计算冲击地压发生的临界应力Pcr，计算式为
Figure BDA0002340403650000021
式中σc为单轴抗压强度，ps为支护应力，K为冲击能指数；
(4)理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度Rcr，计算式为
Figure BDA0002340403650000022
式中a为巷道半径；n为巷道形状变异系数，对于圆形巷道n取1.0，半圆拱形巷道n取1.1～1.3，矩形巷道n取1.3～1.5，梯形巷道n取1.5～1.8；σc为单轴抗压强度，ps为支护应力，K为冲击能指数；
(5)分析待评价区域的实际煤体应力P：对于煤层及采区的区域冲击地压危险性评价，首先依据地应力测试结果，根据煤层或采区的地质条件，考虑断层、褶曲、煤层厚度变化、采空区分布等进行地应力反演，得出煤层或采区的煤体应力分布云图，提取应力分布云图各个点的应力值作为煤层或采区的实际应力；对于采掘工作面冲击地压危险性评价，实际应力在地应力测试的基础上考虑邻近煤层遗留煤柱、临近采空区、区段煤柱、巷道交叉影响等开采条件引起的采动应力增量，按照应力叠加原则只取各个因素引起的应力增量与地应力之和计算某一点的实际应力P；
(6)估算或实测待评价区域巷道阻力区半径R，对于采掘工作面及巷道硐室采用钻屑法所测得的钻屑量峰值位置距离煤壁的距离为R取值；对于没有巷道掘进的新煤层或采区的巷道，R取(3～5)a，a为设计巷道半径；
(7)计算待评价区域的临界应力指数Kcr，计算式为
Figure BDA0002340403650000023
式中P为待评价区域的实际煤体应力，Pcr为理论计算冲击地压发生的临界应力，Rcr为理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度，R为估算或实测待评价区域巷道阻力区半径；
(8)确定冲击地压发生指标Kfcr：按步骤(1)～(7)计算待评价区域邻近已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；若待评价区域邻近区域未发生过冲击地压，可采用具有相同冲击倾向性已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；
(9)确定待评价区域冲击地压危险等级；
(10)依据步骤(9)确定的待评价区域冲击地压危险等级对待评价区域进行危险区域划分。
进一步，上述步骤(9)所述待评价区域冲击地压危险等级分为，0＜Kcr＜0.25Kfcr为无冲击地压危险；0.25Kfcr≤Kcr＜0.5Kfcr为弱冲击地压危险；0.5Kfcr≤Kcr＜0.75Kfcr为中等冲击地压危险；Kcr≥0.75Kfcr为强冲击地压危险。
进一步，上述步骤(10)所述对待评价区域进行危险区域划分，对于煤层或采区，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的冲击地压危险区域绘制在煤层底板等高线线图上，得出煤层或采区的冲击地压危险区域划分图；对于采掘工作面，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的冲击地压危险区域绘制在采掘工作面工程平面图上，得出采掘工作面的冲击地压危险区域划分图。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：本发明采用理论与实测相结合的方法，同时考虑了煤层的实际应力情况、单向抗压强度、冲击能指数、煤层巷道支护及巷道尺寸等因素之间的内在关系及其对冲击地压的影响，通过分析待评估采掘区域实际煤体应力状态与临界应力的比值，结合巷道支护与断面几何参数，判断可能发生冲击地压的危险等级。考虑因素更直接，更合理，使评价指标更具有针对性，评价结果更能真实反映评价区域的冲击地压危险状态，准确率更高。
附图说明
图1为基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法流程图；
图2为实施例评价区域采掘工程平面；
图3为实施例采掘工作面冲击地压危险等级及区域划分图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
结合图1，本发明基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，按以下步骤进行：
(1)实验室测试煤体单轴抗压强度σc、冲击能指数K；所述实验室测试按照国家标准GB/T25217.2-2010进行。
(2)依据待评价区域巷道支护参数与支护形式计算支护应力ps，计算式为
Figure BDA0002340403650000041
式中F为按照巷道设计支护参数与支护形式取计算面积内各个支护构件支护阻力之和，S为所取的计算支护面积。
(3)理论计算冲击地压发生的临界应力Pcr，计算式为
Figure BDA0002340403650000042
式中σc为单轴抗压强度，ps为支护应力，K为冲击能指数。
(4)理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度Rcr；计算式为
Figure BDA0002340403650000043
式中a为巷道半径；n为巷道形状变异系数，对于圆形巷道n取1.0，半圆拱形巷道n取1.1～1.3，矩形巷道n取1.3～1.5，梯形巷道n取1.5～1.8；σc为单轴抗压强度，ps为支护应力。
(5)分析待评价区域的煤体实际应力P：对于煤层及采区的区域冲击地压危险性评价，首先依据地应力测试结果，根据煤层或采区的地质条件，考虑断层、褶曲、煤层厚度变化、采空区分布等进行地应力反演，得出煤层或采区的煤体应力分布云图，提取应力分布云图各个点的应力值作为煤层或采区的实际应力；对于采掘工作面冲击地压危险性评价，实际应力在地应力测试的基础上考虑邻近煤层遗留煤柱、临近采空区、区段煤柱、巷道交叉影响等开采条件引起的采动应力增量，按照应力叠加原则只取各个因素引起的应力增量与地应力之和计算某一点的实际应力P。
(6)估算或实测待评价区域巷道阻力区半径R，对于采掘工作面及巷道硐室采用钻屑法所测得的钻屑量峰值位置距离煤壁的距离为R的取值；对于没有巷道掘进的新煤层或采区的巷道阻力区半径R取(3～5)a，a为设计巷道半径。
(7)计算待评价区域的临界应力指数Kcr，计算式为
Figure BDA0002340403650000044
式中P为待评价区域的实际煤体应力；Pcr为理论计算冲击地压发生的临界应力；Rcr为理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度；R为实测待评价区域估算或实测的巷道阻力区半径。
(8)确定冲击地压发生指标Kfcr：按步骤(1)～(7)计算待评价区域邻近已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；若待评价区域邻近区域未发生过冲击地压，可采用具有相同冲击倾向性已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；
(9)确定待评价区域冲击地压危险等级，0＜Kcr＜0.25Kfcr为无冲击地压危险；0.25Kfcr≤Kcr＜0.5Kfcr为弱冲击地压危险；0.5Kfcr≤Kcr＜0.75Kfcr为中等冲击地压危险；Kcr≥0.75Kfcr为强冲击地压危险。
(10)依据危险等级对待评价区域进行危险区域划分；对于煤层或采区，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的危险区域绘制在煤层底板等高线线图上，即可得出煤层或采区的冲击地压危险区域划分图；对于采掘工作面，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的冲击地压危险区域绘制在采掘工作面工程平面图上，即可得出采掘工作面的冲击地压危险区域划分图。
实施例
某矿煤层为近水平煤层，煤层开采过程中一采区曾经发生过冲击地压，发生位置及应力情况如表1所示。该采区309工作面运输巷与回风巷均设计断面为矩形，宽度为5.4m，高3.5m，巷道采用的支护形式为：锚杆+锚索+金属网支护，支护参数见表2。309工作面运输巷及回风巷长均为1200m，其采掘工程平面图如图2所示，运输巷掘进0～700m范围内受F1断层构造影响，回风巷掘进700～900m范围内受F1断层构造影响，回风巷掘进1100～1200m范围内受F3断层影响，F2断层对两条巷道影响较弱。
表1一采区冲击地压情况
Figure BDA0002340403650000051
表2巷道支护参数
支护材料 排距/m 间距/m 支护力/kN
锚杆 1 0.8 180
锚索 1 2 450
对309工作面运输与回风巷掘进过程中，采用上述基于临界应力指数法的评价方法进行冲击地压危险性评价，具体步骤如下：
(1)实测该煤层的单轴抗压强度均值为10.17MPa，冲击能量指数均值为0.84。
(2)按照巷道支护参数计算支护应力，取1m长度的巷道计算，则所有计算范围内有7根锚杆、3根锚索，由此计算支护应力
Figure BDA0002340403650000061
(3)理论计算冲击地压发生的临界应力Pcr＝13.24MPa
(4)理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度，取巷道形状变异系数n＝1.5，巷道半径a＝2.7m，代入单轴抗压强度与冲击能指数，
Figure BDA0002340403650000062
(5)分析待评价区域的实际煤体应力P，煤层为近水平煤层，309工作面运输与回风巷埋深取800m，取实测地应力为20MPa。
根据采掘工程平面图，两条巷道掘进时主要受断层构造影响，取断层两侧0～50m范围内的应力增量为0.5倍的实测地应力，取断层两侧50～100m范围内的应力增量为0.2倍的实测地应力，取断层两侧100m以外应力增量为0；
按照应力叠加原则，只考虑F1断层与F3断层引起的应力增量，当运输巷掘进0～750m范围时其实际应力为20MPa×(1+0.5)＝30MPa；当运输巷掘进750～800m范围时实际应力为20MPa×(1+0.2)＝24MPa；当运输巷掘进800～1200m范围时实际应力为20MPa。
当回风巷掘进0～600m范围时其实际应力为20MPa；当回风巷掘进600～650m范围时实际应力为20MPa×(1+0.2)＝24MPa；当回风巷掘进650～750m范围时实际应力为20MPa×(1+0.5)＝30MPa；当回风巷掘进750～800m范围时实际应力为20MPa×(1+0.2)＝24MPa；当回风巷掘进800～1150m范围时实际应力为20MPa；当回风巷掘进1150～1200m范围时实际应力为20MPa×(1+0.2)＝24MPa。
(6)采用钻屑法实测309工作面运输巷与回风巷阻力区半径R均为10m。
(7)计算待评价区域的临界应力指数Kcr，Kcr的计算式为
Figure BDA0002340403650000063
式中P为待评价区域的实际煤体应力；Pcr为理论计算冲击地压发生的临界应力；Rcr为理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度；R为实测待评价区域估算或实测的巷道阻力区半径。
当运输巷掘进0～750m范围时：
Figure BDA0002340403650000064
当运输巷掘进750～800m范围时：
Figure BDA0002340403650000071
当运输巷掘进800～1200m范围时：
Figure BDA0002340403650000072
当回风巷掘进0～600m范围时：
Figure BDA0002340403650000073
当回风巷掘进600～650m范围时：
Figure BDA0002340403650000074
当回风巷掘进650～750m范围时：
Figure BDA0002340403650000075
当回风巷掘进750～800m范围时：
Figure BDA0002340403650000076
当回风巷掘进800～1150m范围时：
Figure BDA0002340403650000077
当回风巷掘进1150～1200m范围时：
Figure BDA0002340403650000078
(8)确定冲击地压发生指标Kfcr
一采区302工作面运输巷发生过冲击地压，其近似实际应力28MPa，则冲击地压发生指标
Figure BDA0002340403650000079
(9)根据待评价区域冲击地压危险等级标准，0＜Kcr＜0.31为无冲击地压危险；0.31≤Kcr＜0.72为弱冲击地压危险；0.72≤Kcr＜0.95为中等冲击地压危险；Kcr≥0.95为强冲击地压危险，则当运输巷掘进0～750m范围时0.72≤Kcr＜0.95为中等冲击地压危险；当运输巷掘进750～800m范围时Kcr≥0.95为强冲击地压危险；当运输巷掘进800～1200m范围时0.72≤Kcr＜0.95为中等冲击地压危险；当回风巷掘进0～600m范围时0.72≤Kcr＜0.95为中等冲击地压危险；当回风巷掘进600～650m范围时Kcr≥0.95为强冲击地压危险；当回风巷掘进650～750m范围时Kcr≥0.95为强冲击地压危险；当回风巷掘进750～800m范围时Kcr≥0.95为强冲击地压危险；当回风巷掘进800～1150m范围时0.72≤Kcr＜0.95为中等冲击地压危险；当回风巷掘进1150～1200m范围时Kcr≥0.95为强冲击地压危险。
(10)按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的冲击地压危险区域绘制在309工作面采掘工程平面图上，即得出309工作面运输与回风巷掘进过程中的冲击地压危险区域划分图，如图3所示。

Claims (3)

1.一种基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实验室测试煤体单轴抗压强度σc、冲击能指数K；
(2)依据待评价区域巷道支护参数与支护形式计算支护应力ps，计算式为
式中F为按照巷道设计支护参数与支护形式取计算面积内各个支护构件支护阻力之和，S为所取的计算支护面积；
(3)理论计算冲击地压发生的临界应力Pcr，计算式为式中σc为单轴抗压强度，ps为支护应力，K为冲击能指数；
(4)理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度Rcr，计算式为式中a为巷道半径；n为巷道形状变异系数，对于圆形巷道n取1.0，半圆拱形巷道n取1.1～1.3，矩形巷道n取1.3～1.5，梯形巷道n取1.5～1.8；σc为单轴抗压强度，ps为支护应力，K为冲击能指数；
(5)分析待评价区域的实际煤体应力P：对于煤层及采区的区域冲击地压危险性评价，首先依据地应力测试结果，根据煤层或采区的地质条件，考虑断层、褶曲、煤层厚度变化、采空区分布进行地应力反演，得出煤层或采区的煤体应力分布云图，提取应力分布云图各个点的应力值作为煤层或采区的实际应力；对于采掘工作面冲击地压危险性评价，实际应力在地应力测试的基础上考虑邻近煤层遗留煤柱、临近采空区、区段煤柱、巷道交叉影响开采条件引起的采动应力增量，按照应力叠加原则只取各个因素引起的应力增量与地应力之和计算某一点的实际应力P；
(6)估算或实测待评价区域巷道阻力区半径R，对于采掘工作面及巷道硐室采用钻屑法所测得的钻屑量峰值位置距离煤壁的距离为R取值；对于没有巷道掘进的新煤层或采区的巷道，R取(3～5)a，a为设计巷道半径；
(7)计算待评价区域的临界应力指数Kcr，计算式为式中P为待评价区域的实际煤体应力，Pcr为理论计算冲击地压发生的临界应力，Rcr为理论计算冲击地压发生的巷道临界阻力区深度，R为估算或实测待评价区域巷道阻力区半径；
(8)确定冲击地压发生指标Kfcr：按步骤(1)～(7)计算待评价区域邻近已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；若待评价区域邻近区域未发生过冲击地压，可采用具有相同冲击倾向性已发生过冲击地压区域的临界应力指数Kcr，作为冲击地压发生指标Kfcr；
(9)确定待评价区域冲击地压危险等级；
(10)依据步骤(9)确定的待评价区域冲击地压危险等级对待评价区域进行危险区域划分。
2.根据权利要求1所述的基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，其特征在于，步骤(9)所述待评价区域冲击地压危险等级分为，0＜Kcr＜0.25Kfcr为无冲击地压危险；0.25Kfcr≤Kcr＜0.5Kfcr为弱冲击地压危险；0.5Kfcr≤Kcr＜0.75Kfcr为中等冲击地压危险；Kcr≥0.75Kfcr为强冲击地压危险。
3.根据权利要求1所述的基于临界应力指数法的煤矿冲击地压危险性评价方法，其特征在于，步骤(10)所述对待评价区域进行冲击地压危险区域划分，对于煤层或采区，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的冲击地压危险区域绘制在煤层底板等高线线图上，得出煤层或采区的冲击地压危险区域划分图；对于采掘工作面，按步骤(9)冲击地压危险等级界限将不同的危险区域绘制在采掘工作面工程平面图上，得出采掘工作面的冲击地压危险区域划分图。
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