CN111396128B - 采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统，涉及采矿工程动力灾害预测防治技术领域，能够有效预测动力灾害，大幅度降低深部开采动力灾害发生频次和危害程度，现场实用性强；该方法将采空区对应的直接顶和/或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为判断依据，来分析采动围岩的失稳状态；具体为：在直接顶和/或老顶中设置与监测中心连接的若干力传感器、声发射监测设备和微震传感器，用于采集其所在位置的实时水平向作用力，和计算实时竖向断裂能所需的原始数据；所述监测中心用于对采集的数据进行处理并根据处理结果判断是否进行预警。本发明提供的技术方案适用于围岩垮塌失稳监测的过程中。

Description

采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统

【技术领域】

本发明涉及采矿工程动力灾害预测防治技术领域，尤其涉及一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统。

【背景技术】

随着采矿工程逐渐向深部开采，地应力作用增强，开采煤岩形成大的采空区，致使采空区上覆直接顶甚至老顶垮落，动力灾害显现频繁，给煤矿开采安全造成重大影响。然而，目前对采空区顶板帽落或动力灾害成因分析均集中在围岩强度、刚度方面，从采动围岩断裂滑动启动致使失稳方面分析较少，也未形成采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法。

因此，有必要研究一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统，能够有效预测动力灾害，大幅度降低深部开采动力灾害发生频次和危害程度，现场实用性强。

一方面，本发明提供一种用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，所述系统包括：

设于直接顶和/或老顶内的若干力传感器，用于采集其所在位置的实时水平向作用力，所述实时水平向作用力用于判断该位置水平作用滑动的状态；

设于直接顶和/或老顶内的若干声发射监测设备和若干微震传感器，用于采集计算其所在位置处的实时竖向断裂能及震源定位所需的原始数据；

控制中心，用于对所述力传感器、所述声发射监测设备和所述微震传感器采集的数据进行处理和计算，并根据计算结果判断是否进行预警。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述力传感器、所述声发射监测设备和所述微震传感器均设置在所述直接顶和/或老顶的临界悬空长度内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述声发射监测设备和所述微震传感器设置在相同的顶，两者在竖直方向的间距为2m-5m，且交错布置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述声发射监测设备和所述微震传感器在水平方向安装间距根据现场来压步距进行确定，水平向安装间距为来压步距或来压步距的整数倍数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，控制中心对所述声发射监测设备和微震传感器采集数据的处理内容包括：通过预处理和滤波，使过滤掉背景噪音的声发射信号和微震信号显示一致，然后选择有利的声发射和微震事件做极化分析和初至拾取，获取相对震源的方位角和纵横波时差，进而依据纵横波时差建立速度模型，从而计算出实时竖向断裂能和震源定位。

另一方面，本发明提供一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，其特征在于，适用于如上任一所述的系统；

所述方法将采空区对应的直接顶和/或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为判断依据，来分析采动围岩的失稳状态。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制中心判断是否预警的具体内容为：判断是否满足预警条件，若是则进行预警，否则继续监测；

所述预警条件具体为：满足实时水平向作用力≥岩层界面阻力和实时竖向断裂能≥岩层临界断裂能中的任意一项或两项。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，不满足预警条件继续监测的内容包括：判断是否满足局部预警条件，若满足则进行局部预警，若不满足则继续对采集的新数据进行处理并判断；

所述局部预警条件具体为：岩层界面阻力＞实时水平向作用力≥90％*岩层界面阻力和岩层临界断裂能＞实时竖向断裂能≥90％*岩层临界断裂能中的任意一项或两项；

所述局部预警具体为向采矿管理部门预警。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明将采空区对应的直接顶和/或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为监测参量，用于判断采动围岩的失稳状态，能够有效预测动力灾害，大幅度降低深部开采动力灾害发生频次和危害程度，现场实用性强。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的采动围岩断裂滑动和失稳的过程图。

其中，图中：

1-采空区；2-直接顶；3-老顶；4-竖向断裂；5-水平滑动；6-垮落失稳。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对深部开采过程中动力灾害显现频繁、危害程度大的问题，本申请提供一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，该方法引入直接顶或老顶的竖向断裂和水平作用滑动两个监测参量，作为采动围岩断裂滑动失稳过程的新评判方法，能够大幅度降低灾害事故和危害。具体为：提出了滑动摩擦失稳的模式，采用力传感器监测水平滑动面的作用力，作为滑动判断依据，使用声发射、微震监测破裂变化和能量释放来判断释放能量值和定位。

采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，具体内容包括：深部开采围岩受到地压作用力P的作用，煤层开采后形成采空区，巷道围岩上方直接顶或老顶处于悬空状态，当采空区上方直接顶或老顶悬空长度达到临界长度时，直接顶或老顶无法承受上覆作用载荷作用将发生竖向断裂；竖向断裂发生后，在水平作用力f作用下发生滑动，进而沿着水平方向瞬间滑动，产生垮落失稳，造成对巷道或工作区间的破坏。此方法将直接顶或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为两个监测参量，形成采动围岩断裂滑动失稳过程的新评判方法。利用此方法进行深部开采围岩动态监测，可有效预测动力灾害，大幅度降低深部开采动力灾害发生频次和危害程度，现场实用性强。

开采围岩地压作用力P是指大地地应力和开采围岩形成的围岩集中力形成的合力。水平作用力f是地壳重力因采空区而在水平向的分力，水平作用力f等于岩层界面阻力时处于滑动临界状态，水平作用力f大于岩层界面阻力时处于滑动状态。声发射、微震事件能等于断裂能时处于断裂临界状态，声发射、微震事件能大于断裂能时处于断裂状态。如图1所示。

直接顶或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为两个监测参量，两个监测参量互补作为预报指标，两个监测参量中任何一个达到临界值均可作为预警条件进行预警。本申请的方法，在直接顶和/或老顶上安装声发射监测设备和微震传感器，用于监测直接顶或老顶的断裂事件并定位，定位的具体实现根据声发射和微震传感器监测的破裂事件分布及推演计算方法，进行事件能量分布计算，并依据计算方法确定破裂位置。该计算方法为本领域现有技术，这里不再赘述；在岩层界面安装力传感器用于监测水平作用力f的值。当监测到的水平作用力f小于岩层界面阻力，且声发射、微震事件能小于直接顶或老顶的断裂能时，不报警，只实时预报监测状况；当监测水平作用力f等于岩层界面阻力或声发射、微震事件能等于断裂能时，进行报警。声发射和微震传感器都是监测的破裂事件应力波，监测波的频段不同，利用声发射波段监测破裂事件数(即将声发射波段监测声发射数作为破裂事件数)，利用微震波段监测破裂事件能量(即以微震波段监测数据作为依据计算破裂能)，计算公式和过程是本领域的现有技术，这里不做赘述。声发射和微震传感器的设备名称和型号可根据现场情况决定。

声发射和微震伴随着岩体失稳的整个过程，因此跟踪监测声发射和微震，掌握该区域岩体的监测参数变化可有效分析和预警灾害的发生.

监测采集内容主要包括：

a)震源，即微地震震源，岩体失稳发生点；

b)事件率，即频度，单位时间声发射和微震的发生次数；

c)振幅，与震级对应，反映了事件的强度；

d)能率，单位时间内的能量；

e)事件变化率和能率变化，单位时间内的事件率和能率变化；

f)频率分布，声发射和微震的频率范围态势分布。

监测参数与破坏失稳关系：

基本参数与岩体的稳定状态密切相关，基本上反映了岩体的破坏现状。事件率和频率等的变化反映岩体变形和破坏过程；振幅分布与能率大小，则主要反映岩体变形和破坏范围；事件变化率和能率变化，反映了岩体状态的变化速度。

监测数据处理方法：

首先，通过预处理和合理滤波，使过滤背景噪音的声发射、微震信号显示一致；然后选择有利的声发射、微震事件做极化分析和初至拾取，获取相对震源的方位角和纵横波时差；进而依据纵横波时差建立速度模型，从而计算能量值(相对能量)和震源定位。是本领域的现有技术，这里不做赘述。

实施步骤：

第一步：安装矿山之星微震(声发射)监测及预警系统，系统通过布置一定的密度的检波器，组成传感器几何矩阵，拾取微震信号。

第二步：系统进行积分、微分、滤波和频谱等数据分析，实现定位；达到警戒值，主动预警，并在显示设备上呈现震源位置。

第三步：系统即时、连续地自动采集矿山岩体震动信号；自动生成震动信号图并保存；定期打包保存震动记录信息。

判断标准：岩体处于稳定状态时，事件率等参数很低，且变化不大，一旦受外界干扰，岩体开始发生破坏，微震活动随之增加，事件率等参数也相应升高。发生灾害之前，微震活动增加得更为明显。

本发明的方法可以在直接顶和老顶上均安装用于监测竖向断裂和水平作用滑动的装置，也可以在直接顶安装水平作用滑动监测装置，在老顶处安装竖向断裂监测装置，或者也可以只在直接顶安装用于监测竖向断裂和水平作用滑动的装置。竖向断裂和水平作用滑动的监测位置应该在直接顶和/或老顶。水平方向安装间距应根据现场来压步距进行确定，一般间距可以是来压步距，也可以是来压步距的整数倍数。竖直方向安装应贯穿直接顶或老顶，传感器的具体间距也不尽相同，可根据现场参数适当调整，声发射和微震传感器一般间距可在2m-5m交错布置。

本发明利用直接顶或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为两个监测参量，形成采动围岩断裂滑动失稳过程的新评判方法，对深部开采动力灾害发生具有重要预测作用，可大幅降低灾害发生频次和危害程度，现场实用性强。

以上对本申请实施例所提供的一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法及系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，所述系统包括：

设于直接顶和/或老顶内的若干力传感器，用于采集其所在位置的实时水平向作用力，所述实时水平向作用力用于判断该位置水平作用滑动的状态；

设于直接顶和/或老顶内的若干声发射监测设备和若干微震传感器，用于采集计算其所在位置处的实时竖向断裂能及震源定位所需的原始数据；

控制中心，用于对所述力传感器、所述声发射监测设备和所述微震传感器采集的数据进行处理和计算，并根据计算结果判断是否进行预警；

预警条件具体为：满足实时水平向作用力≥岩层界面阻力和实时竖向断裂能≥岩层临界断裂能中的任意一项或两项。

2.根据权利要求1所述的用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，所述力传感器、所述声发射监测设备和所述微震传感器均设置在所述直接顶和/或老顶的临界悬空长度内。

3.根据权利要求2所述的用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，所述声发射监测设备和所述微震传感器设置在相同的顶，两者在竖直方向的间距为2m-5m，且交错布置。

4.根据权利要求3所述的用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，所述声发射监测设备和所述微震传感器在水平方向安装间距根据现场来压步距进行确定，水平向安装间距为来压步距或来压步距的整数倍数。

5.根据权利要求1所述的用于采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析的系统，其特征在于，控制中心对所述声发射监测设备和微震传感器采集数据的处理内容包括：通过预处理和滤波，使过滤掉背景噪音的声发射信号和微震信号显示一致，然后选择有利的声发射和微震事件做极化分析和初至拾取，获取相对震源的方位角和纵横波时差，进而依据纵横波时差建立速度模型，从而计算出实时竖向断裂能和震源定位。

6.一种采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，其特征在于，适用于如权利要求1-5任一所述的系统；

所述方法将采空区对应的直接顶和/或老顶的竖向断裂和水平作用滑动作为判断依据，来分析采动围岩的失稳状态。

7.根据权利要求6所述的采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，其特征在于，所述控制中心判断是否预警的具体内容为：判断是否满足预警条件，若是则进行预警，否则继续监测。

8.根据权利要求7所述的采动围岩断裂滑动启动条件及失稳过程分析方法，其特征在于，不满足预警条件继续监测的内容包括：判断是否满足局部预警条件，若满足则进行局部预警，若不满足则继续对采集的新数据进行处理并判断；

所述局部预警条件具体为：岩层界面阻力＞实时水平向作用力≥90％*岩层界面阻力和岩层临界断裂能＞实时竖向断裂能≥90％*岩层临界断裂能中的任意一项或两项；

所述局部预警具体为向采矿管理部门预警。

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