CN111369377B - 一种冲击地压的时空序列划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冲击地压的时空序列划分方法，该方法包括采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区，依据巷道各帮煤体的载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律将巷道各帮部煤体和巷道区域依次划分为多个空间区域，并作为冲击地压的空间序列，依据冲击地压发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为多个时间阶段，并作为冲击地压的时间序列。将冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列。本发明实施例能够有效地得知冲击地压灾害遏制的时机与目标区域，进而显著提高冲击地压卸压治理的精确度和针对性。

Description

一种冲击地压的时空序列划分方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别是一种冲击地压的时空序列划分方法。

背景技术

目前，全国煤矿百万吨死亡率(即每生产100万吨煤炭死亡的人数比例)在不断减少，特别是在2019年全国煤矿百万吨死亡率创历史新低达到0.083，但仍与国际先进水平存在较大差距，其中，冲击地压灾害导致的死亡人数占据了较大比例。冲击地压灾害具有突发性、破坏性和复杂性等特征，其中冲击地压显现只在几秒钟内完成能量瞬时释放并产生巨大破坏力，且常常引起突水、发火、瓦斯、煤尘爆炸、顶板事故等伴生灾害造成更严重破坏，其从孕育到停止的全过程十分抽象，导致了冲击地压灾害防治难度大，从而严重威胁煤矿作业人员的生命安全和矿井的安全高效生产。

对于冲击地压，目前已形成从机理到防治较为系统的认识，但仍存在以下两方面问题：一方面现有认知与技术水平尚不能对冲击地压发生显现的时间节点和空间位置做出精准预测，从而造成防治区域范围广，治理精度与效率低下；另一方面由于冲击地压形成孕育机制复杂，且少有研究将冲击地压的全过程进行直观的分解，因此难以捕捉到冲击地压灾害的遏制时机和目标区域，造成现有治理措施针对性不强的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的冲击地压的时空序列划分方法，能够有效地得知冲击地压灾害遏制的时机与目标区域，以显著提高冲击地压卸压治理的精确度和针对性。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种冲击地压的时空序列划分方法，包括：

采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区；

依据所述巷道各帮煤体的载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律将巷道各帮煤体和巷道区域依次划分为多个空间区域，并作为冲击地压的空间序列；

依据冲击地压发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为多个时间阶段，并作为冲击地压的时间序列；

将所述冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列。

可选地，采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区，包括：

采用所述钻屑法在巷道中对巷道各帮煤体进行取屑施工；

对每米钻孔的煤粉量进行收集和称重，根据称重结果记录煤体的每米钻屑重量；

依据记录的每米钻屑重量确定煤体支承压力实测趋势线，根据所述煤体支承压力实测趋势线确定原岩应力基准线；

基于所述煤体支承压力实测趋势线和原岩应力基准线将所述巷道各帮煤体依次划分为包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区的巷道各帮煤体的载荷自然分区。

可选地，依据记录的每米钻屑重量确定煤体支承压力实测趋势线，包括：

将记录的所述每米钻屑重量与取屑位置对应，以柱状图形式表示每米钻屑重量；

将所述柱状图中每米钻屑重量对应的顶点依次连接，得到所述支承压力实测趋势线。

可选地，根据所述煤体支承压力实测趋势线确定原岩应力基准线，包括：

若所述煤体支承压力实测趋势线中的一段趋势线对应的每米钻屑重量与其均值偏离度不大于指定数值，将该段趋势线的延长线确定为原岩应力基准线。

可选地，基于煤体支承压力实测趋势线和原岩应力基准线将所述巷道各帮煤体依次划分为包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区的巷道各帮煤体的载荷自然分区，包括：

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量位于原岩应力基准线附近的空间区域划分为原岩应力区；

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量高于原岩应力基准线的空间区域划分为支承压力区；

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量低于原岩应力基准线的空间区域划分为应力降低区。

可选地，依据所述巷道各帮煤体的载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律将煤体和巷道区域依次划分为多个空间区域，并作为冲击地压的空间序列，包括：

依据巷道各帮煤体的原岩应力区、支承压力区和应力降低区和冲击地压载荷供给区域分布规律将煤体和巷道区域依次划分为原岩区、加载区、卸荷区和无载区，并作为冲击地压的空间序列；

其中，原岩区对应原岩应力区，加载区对应支承压力区，卸荷区对应应力降低区，无载区对应巷道。

可选地，依据冲击地压发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为多个时间阶段，并作为冲击地压的时间序列，包括：

依据冲击地压从开始发生到最后停止的发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为启动阶段、发展阶段、停止阶段，并作为冲击地压的时间序列。

可选地，所述方法还包括：

建立空间序列坐标系，将空间序列和每米钻屑重量分别作为空间序列坐标系的坐标轴；

建立时间序列坐标系，将时间序列和每米钻屑重量分别作为时间序列坐标系的坐标轴；

其中，所述空间序列坐标系和所述时间序列坐标系中包含的每米钻屑重量坐标轴为同一方向坐标轴。

可选地，将所述冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列，包括：

基于所述空间序列坐标系和所述时间序列坐标系中每米钻屑重量所对应的支承压力大小将所述空间序列和所述时间序列进行对应；

其中，所述加载区对应启动阶段，卸荷区对应发展阶段，无载区对应停止阶段，所述加载区的支承压力最大。

本发明实施例从时间和空间两个角度对冲击地压在巷道各帮煤体中由启动到停止的全过程进行划分，即采用时间序列和空间序列将历时几秒钟的冲击地压演化过程进行了分解，通过冲击地压的时空序列可以直观地获取到冲击地压灾害出现的时间节点和空间位置，从而能够有效地得知冲击地压灾害遏制的时机与目标区域，进而显著提高冲击地压卸压治理的精确度和针对性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一实施例的冲击地压的时空序列划分方法的流程图；

图2示出了根据本发明一实施例的采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区的方法流程图；

图3示出了根据本发明一实施例的巷道各帮煤体剖面钻屑法施工示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的冲击地压空间序列划分示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的冲击地压时间序列划分示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种冲击地压的时空序列划分方法，图1示出了根据本发明一实施例的冲击地压的时空序列划分方法的流程图。参见图1，冲击地压的时空序列划分方法可以包括以下步骤S102至步骤S108。

步骤S102，采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区。

该步骤中，各帮煤体的载荷自然分区体现了煤体的自然应力分布状态，因此，还可以称为各帮煤体的载荷自然分布状态分区。

步骤S104，依据巷道各帮煤体的载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律将巷道各帮煤体和巷道区域依次划分为多个空间区域，并作为冲击地压的空间序列。

步骤S106，依据冲击地压发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为多个时间阶段，并作为冲击地压的时间序列。

步骤S108，将冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列。

本发明实施例从时间和空间两个角度对冲击地压在巷道各帮煤体中由启动到停止的全过程进行划分，即采用时间序列和空间序列将历时几秒钟的冲击地压演化过程进行了分解，通过冲击地压的时空序列可以直观地获取到冲击地压灾害出现的时间节点和空间位置，从而能够有效地得知冲击地压灾害遏制的时机与目标区域，进而显著提高冲击地压卸压治理的精确度和针对性。

本发明实施例的巷道以煤矿回采巷道为例，由于巷道两帮煤体实施方法类似，因此后文实施例主要以巷道右帮煤体的冲击地压的时空序列划分过程进行介绍。

参见上文步骤S102、图2至图3，在本发明一实施例中，采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区的方法包括如图2所示的步骤S1021至步骤S1024。

步骤S1021，采用钻屑法在巷道中对巷道各帮煤体进行取屑施工。

该实施例中，钻屑法的原理为钻头在受压煤体中钻进排出的煤粉量与煤体中应力集中程度具有正相关关系，因此通过钻屑法观测每米钻屑量变化情况可较准确地获得煤体中应力积聚状态，从而可以为冲击地压的防治提供参考。

在本发明一可选实施例中，取屑施工范围位于为采动应力影响范围内(例如超前工作面100m范围内)，取屑钻孔1垂直于巷道各帮煤体的煤壁钻进，取屑钻孔1单孔钻进深度约为三倍巷道高度，钻头直径一般为42mm。本发明实施例的钻进深度可采用13m，当然，还可以是其他钻进深度，本发明实施例对此不做具体的限定。通常为了避免取屑施工过程中钻进排出的煤粉量出现误差，会通过多个钻孔进行取屑施工，图2示意性的显示出一个取屑钻孔1。

步骤S1022，对每米钻孔的煤粉量进行收集和称重，根据称重结果记录煤体的每米钻屑重量2。

在本发明一可选实施例中，在取屑钻孔1钻进过程中，应尽量保持取屑钻孔1直径均匀且钻进方向无偏差。并且，通常可以采用预先准备好的专用取粉容器和称量工具及时对每米钻孔的煤粉量(钻屑)进行收集、称重和记录，此处需要注意，在收集煤粉量过程中应及时将非钻孔内的煤块取出以减小不必要的误差。

步骤S1023，依据记录的每米钻屑重量2确定煤体支承压力实测趋势线3，根据煤体支承压力实测趋势线3确定原岩应力基准线4。

如图3所示，在本发明一可选实施例中，待取屑钻孔1整体钻进完成且称量后，对记录的煤体的每米钻屑重量2的数据进行整理。首先，将记录的每米钻屑重量2与取屑位置对应，以柱状图形式表示每米钻屑重量2，然后，将柱状图中每米钻屑重量2对应的顶点依次连接，从而得到支承压力实测趋势线3。该实施例中，若每米钻屑重量2根据支承压力实测趋势线3可清晰划分为三个分区则视为达到合格标准。

在该实施例中，在确定出煤体支承压力实测趋势线3之后，若分析煤体支承压力实测趋势线3中的一段趋势线对应的每米钻屑重量2与其均值偏离度不大于指定数值，可以将该段趋势线的延长线确定为原岩应力基准线4。例如，在屑钻孔1钻进达到一定深度后(一般大于7m)，若接下来趋势线对应的连续5m的每米钻屑重量2变化幅度不明显且与其均值偏离度不大于5％时，可以认为这连续5m的每米钻屑重量2对应的趋势线的延长线为原岩应力基准线4。

步骤S1024，基于煤体支承压力实测趋势线3和原岩应力基准线4将巷道各帮煤体依次划分为包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区的巷道各帮煤体的载荷自然分区。

在本发明一可选实施例中，根据煤体支承压力实测趋势线3将煤体的每米钻屑重量2位于原岩应力基准线4附近的空间区域划分为原岩应力区。然后，根据煤体支承压力实测趋势线3将煤体的每米钻屑重量2高于原岩应力基准线4的空间区域划分为支承压力区。例如，支承压力区长度约为5m，整体处在距煤体的煤壁2.5～7.5m的区域内，且每米钻屑重量2随深度增加呈先增长后下降形态，其峰值距煤壁6m左右。另外，根据煤体支承压力实测趋势线3将煤体的每米钻屑重量2低于原岩应力基准线4的空间区域划分为应力降低区。例如，应力降低区位于距煤体煤壁0～2.5m的区域内，且每米钻屑重量2随深度增加呈增长形态。

参见上文步骤S104和图4，在本发明一实施例中，通过上文实施例可知，巷道各帮煤体的载荷自然分区包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区，并且，冲击地压载荷供给区域分布规律中支承压力区的支承压力(载荷)逐渐加载增大使煤体受载极限达到最大，支承压力区将载荷能量通过煤体的应力降低区向巷道外围逐步传递以进行卸荷，应力降低区释放部分载荷，另一部分载荷通过应力降低区临近的巷道释放完毕。因此，可以依据巷道各帮煤体的原岩应力区、支承压力区和应力降低区和冲击地压载荷供给区域分布规律将巷道各帮部煤体和巷道区域依次划分为原岩区、加载区、卸荷区和无载区，并作为冲击地压的空间序列。在空间序列中，原岩区对应原岩应力区，加载区对应支承压力区，卸荷区对应应力降低区，巷道部分由于无承载体，因此无载区对应巷道。

参见上文步骤S106和图5，在本发明一实施例中，由于通常情况下冲击地压发生过程规律包含从开始启动到进一步发展，再到最后停止的过程，因此，可以将冲击地压发生过程依次划分为启动阶段、发展阶段、停止阶段，并作为冲击地压的时间序列。

本发明实施例中，启动阶段为冲击地压逐步孕育启动的时间段，在此阶段内巷道各帮煤体中静载荷局部积聚产生的基础静载荷和由采掘工程活动产生的动、静载荷加载两部分载荷源叠加，促使煤体逐步达到受载极限，从而完成冲击地压启动。由于支承压力区基础静载荷积聚水平较高，相较其他区域完成冲击启动的门槛低，因此启动阶段对应煤体的支承压力区。

在完成冲击地压启动阶段后，冲击地压进入发展阶段，在该阶段内由于启动阶段积蓄的部分能量造成围岩局部因强度不足首先发生材料破坏，为剩余能量传递和释放提供弱结构体和弱抵抗面，此时剩余能量由煤体深部(弹性区)向巷道外围(塑性区)方向逐步传递，直到迫使巷道各帮煤体发生结构性动力失稳和出现破坏性灾害即冲击地压发生过程完成。由于煤体中应力降低区应力水平较低，且临近巷道自由空间，外围浅部煤体由于巷道工程处于塑性破坏状态，因此有利于完成冲击地压的发展，故将发展阶段对应巷道各帮煤体的应力降低区。

在能量释放完毕，巷道右侧帮鼓9、底板底鼓10等其他灾害结果形成后为冲击地压停止阶段。冲击地压显现导致的灾害结果体现在巷道和外围浅部煤体中，因此认为停止阶段对应位置为巷道。

继续参见图4和图5，在本发明一可选实施例中，为了方便将冲击地压的空间序列和时间序列进行对应，还可以结合建立空间序列坐标系5和时间序列坐标系7的方式实现。具体的，建立空间序列坐标系5，将空间序列和每米钻屑重量2分别作为空间序列坐标系5的坐标轴。建立时间序列坐标系7，将时间序列和每米钻屑重量2分别作为时间序列坐标系7的坐标轴。其中，空间序列坐标系5和时间序列坐标系7中包含的每米钻屑重量坐标轴为同一方向坐标轴。

例如，建立空间序列坐标系5，将空间序列作为空间序列坐标系5的横轴，每米钻屑重量2作为空间序列坐标系5的纵轴，如图4示出的单位是Kg/m的钻屑量，按照横轴由右至左的方向将对煤体和巷道区域依次划分的原岩区、加载区、卸荷区和无载区对应至横轴上。又例如，建立时间序列坐标系7，将时间序列作为时间序列坐标系7的横轴，每米钻屑重量2作为时间序列坐标系7的纵轴，如图5示出的单位是Kg/m的钻屑量，按照横轴由右至左的方向将对冲击地压发生过程依次划分的启动阶段、发展阶段、停止阶段对应至横轴上。

参见上文步骤S108，在将冲击地压的空间序列和时间序列对应以得到冲击地压的时空序列时，可以基于空间序列坐标系5和时间序列坐标系7中每米钻屑重量2所对应的支承压力大小将空间序列和时间序列进行对应。其中，加载区对应启动阶段，卸荷区对应发展阶段，无载区对应停止阶段，加载区的支承压力最大。在该实施例中，由于空间序列基于巷道各帮煤体载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律得到，因此，在对冲击地压的空间序列和时间序列进行对应时，还可以参考上文介绍的冲击地压的三个时间阶段启动阶段、发展阶段、停止阶段与支承压力区、应力降低区、巷道的对应关系，即启动阶段对应煤体的支承压力区，发展阶段对应煤体的应力降低区，停止阶段对应煤体工程中的巷道。

将冲击地压发生全过程的时间序列和空间序列一一对应之后，可以得到冲击地压发生的演化过程为冲击地压首先在加载区完成冲击启动阶段，紧接着在卸荷区完成冲击发展阶段，在冲击地压显现完成后，在无载区达到冲击停止阶段。综上，冲击地压防治的最佳时机在于冲击启动阶段，最优干预目标区域在于加载区。

上文实施例介绍了巷道右帮煤体的冲击地压的时空序列划分过程，由于巷道两帮煤体实施方法类似，因此，对于巷道左帮煤体的冲击地压的时空序列划分过程对此不做赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现前述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件(诸如个人计算机，服务器，或者网络设备等的计算设备)来完成，程序指令可以存储于一计算机可读取存储介质中，当程序指令被计算设备的处理器执行时，计算设备执行本发明各实施例方法的全部或部分步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，包括：

采用钻屑法确定巷道各帮煤体的载荷自然分区；其中采用所述钻屑法在巷道中对巷道各帮煤体进行取屑施工；对每米钻孔的煤粉量进行收集和称重，根据称重结果记录煤体的每米钻屑重量；依据记录的每米钻屑重量确定煤体支承压力实测趋势线；根据所述煤体支承压力实测趋势线确定原岩应力基准线；基于所述煤体支承压力实测趋势线和原岩应力基准线将巷道各帮煤体依次划分为包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区的巷道各帮煤体的载荷自然分区；

依据所述巷道各帮煤体的载荷自然分区和冲击地压载荷供给区域分布规律将巷道各帮煤体和巷道区域依次划分为多个空间区域，并作为冲击地压的空间序列；其中，依据巷道各帮煤体的原岩应力区、支承压力区和应力降低区和冲击地压载荷供给区域分布规律将煤体和巷道区域依次划分为原岩区、加载区、卸荷区和无载区，并作为冲击地压的空间序列；所述原岩区对应原岩应力区，加载区对应支承压力区，卸荷区对应应力降低区，无载区对应巷道；

依据冲击地压发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为多个时间阶段，并作为冲击地压的时间序列；其中，依据冲击地压从开始发生到最后停止的发生过程规律将冲击地压发生过程依次划分为启动阶段、发展阶段、停止阶段，并作为冲击地压的时间序列；

将所述冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列。

2.根据权利要求1所述的冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，依据记录的每米钻屑重量确定煤体支承压力实测趋势线，包括：

将记录的所述每米钻屑重量与取屑位置对应，以柱状图形式表示每米钻屑重量；

将所述柱状图中每米钻屑重量对应的顶点依次连接，得到所述支承压力实测趋势线。

3.根据权利要求1或2所述的冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，根据所述煤体支承压力实测趋势线确定原岩应力基准线，包括：

若所述煤体支承压力实测趋势线中的一段趋势线对应的每米钻屑重量与其均值偏离度不大于指定数值，将该段趋势线的延长线确定为原岩应力基准线。

4.根据权利要求1或2所述的冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，基于煤体支承压力实测趋势线和原岩应力基准线将所述巷道各帮煤体依次划分为包含原岩应力区、支承压力区和应力降低区的巷道各帮煤体的载荷自然分区，包括：

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量位于原岩应力基准线附近的空间区域划分为原岩应力区；

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量高于原岩应力基准线的空间区域划分为支承压力区；

根据煤体支承压力实测趋势线，将煤体的每米钻屑重量低于原岩应力基准线的空间区域划分为应力降低区。

5.根据权利要求1或2所述的冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，还包括：

建立空间序列坐标系，将空间序列和每米钻屑重量分别作为空间序列坐标系的坐标轴；

建立时间序列坐标系，将时间序列和每米钻屑重量分别作为时间序列坐标系的坐标轴；

其中，所述空间序列坐标系和所述时间序列坐标系中包含的每米钻屑重量坐标轴为同一方向坐标轴。

6.根据权利要求5所述的冲击地压的时空序列划分方法，其特征在于，将所述冲击地压的空间序列和时间序列对应，得到冲击地压的时空序列，包括：

基于所述空间序列坐标系和所述时间序列坐标系中每米钻屑重量所对应的支承压力大小将所述空间序列和所述时间序列进行对应；

其中，所述加载区对应启动阶段，卸荷区对应发展阶段，无载区对应停止阶段，所述加载区的支承压力最大。

Images