CN111396129B - 深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，涉及地压灾害预测防治技术领域，利用岩层应力、抗压强度、电荷和能量作为监测指标对采动围岩进行开采前后的地压灾害预测，能够提高地压灾害预测准确度和预测精度；该方法采用岩层应力、抗压强度在采动围岩开采前进行监测，根据监测到的岩层应力和抗压强度判断采动围岩的危险等级，判断是否开采；电荷和声发射事件在采动围岩的开采过程中或危险等级处于不开采等级时进行监测，根据监测到的电荷和声发射事件判断采动围岩实时的危险程度，并在满足预警条件时进行预警。本发明提供的技术方案适用于采动围岩地压灾害的预测过程中。
Description
【技术领域】
本发明涉及地压灾害预测防治技术领域，尤其涉及一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法。
【背景技术】
深部开采地压灾害频繁，其发生前会显现某种特征，抓住这些特征，可有效的进行预测和防治。然而，目前对深部地压灾害前兆特征信息的分析不足，未形成主控因素分析方法，也未寻找到灾害前兆的主要控制因素，存在深部开采地压灾害发生前兆主控因素分析方法不完善、主控因素不明确的问题。
因此，有必要研究一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法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，本发明提供了一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，利用岩层应力、抗压强度、电荷和能量作为监测指标对采动围岩进行开采前后的地压灾害预测，能够提高地压灾害预测准确度和预测精度。
一方面，本发明提供一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，通过监测采动围岩地压灾害发生前兆信息：岩层应力、抗压强度、电荷和声发射事件这四个指标对采动围岩地压灾害进行预测和预警。
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，岩层应力、抗压强度在采动围岩开采前进行监测，根据监测到的岩层应力和抗压强度判断采动围岩的危险等级，判断是否开采；
电荷和声发射事件在采动围岩的开采过程中或危险等级处于不开采等级时进行监测，根据监测到的电荷和声发射事件判断采动围岩实时的危险程度，并在满足预警条件时进行预警。
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，岩层应力指数、岩层应力和抗压强度指标的关系为：
式中，Kp为岩层应力指数，P为岩层应力，σc为抗压强度。
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，采动围岩的危险等级包括正常开采等级和不开采等级；正常开采等级的岩层应力指数为0-1.2，不开采等级的岩层应力指数为大于等于1.2。
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，预警条件具体为：声发射事件预警标准和电荷预警标准，二者满足其一时，进行预警；
声发射事件预警标准为：低主频事件和/或高主频事件高度骤增；
电荷预警标准为：时域上电荷脉冲数幅值突变和/或频域上电荷主频带的变化范围处于0-100Hz之间时。
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，低主频事件频率范围为0-25kHz；高主频事件频率范围为250-500kHz；
骤增具体为：超出频率范围并达上限的110％以上或者达下限的90％以下。
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，突变具体为：后1小时电荷脉冲数幅值较前1小时电荷脉冲数幅值增加50％以上。
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，采动围岩开采过程中或危险等级处于不开采等级时还进行正常监测；
所述正常监测包括采矿工程过程中常规巷道变形、收敛、岩层沉降和岩层应力的监测。
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，正常开采等级包括无危险和弱危险两个等级，无危险的岩层应力指数为0-0.8，弱危险的岩层应力指数为0.8-1.2；不开采等级包括中等危险和强危险，中等危险的岩层应力指数为1.2-1.7，强危险的岩层应力指数为大于等于1.7。
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，所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法适用区域包括井田、矿区、矿井和工作面。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明利用岩层应力、抗压强度、电荷和能量作为四个监测指标，通过实时对采动围岩地压灾害监测进行预测和预警，提高了预测准确度和预测精度；方法简单，现场可操作性强，且可重复性和验证性好。
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深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素示意图；
图2是本发明一个实施例提供的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法的流程图。
其中，图中：
1-采动围岩，2-大变形，3-裂纹，4-贯通裂缝，5-界面势垒，6-能量事件。
【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。
本发明针对现有技术的不足，提供一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，将岩层应力、抗压强度、电荷和能量作为监测指标，对采动围岩地压灾害进行预测和预警，提高预测准确度和预测精度。
深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，如图1所示，具体内容包括：深部开采围岩承受地应力作用，首先在主应力σ1和σ2作用下使得开采围岩发生大的变形甚至破裂；接着，采动围岩原始裂纹发展和新生裂纹不断扩展扩张延伸至贯通裂缝，围岩抗压强度发生了显著改变；采动围岩在变形破裂过程中，裂缝界面发生界面势垒移动、积聚形成电荷；同时，采动围岩变形破裂能量事件用声发射特征描述，利用声发射传感器紧贴采动围岩，用于实时获得采动围岩破裂事件数以及其累计的振铃次数，使用累计振铃数可以描述采动围岩破裂行为。记录变形破裂的发生点源和表征破裂严重程度，采动围岩破裂发生发展过程中可以在采动围岩破裂对应位置显示累计振铃数，破裂事件越多，累计振铃次数越多越密集，这样就可以描述出破裂的位置和破裂程度。
此方法给出了深部采动围岩地压灾害发生前兆信息主控指标为岩层应力、抗压强度、电荷和声发射事件，通过监测这四个指标对采动围岩地压灾害进行预测和预警，通过岩层应力、抗压强度判断开采可能性，再通过电荷和声发射事件监测开采过程中的危险程度，开采前后相互结合，完善了整个开采周期的预警制度，提高了预测准确度和预测精度。方法简单，现场可操作性强，且可重复性和验证性好。
采动围岩地压灾害的发生与应力环境、围岩抗压强度直接相关，低应力和弱强度围岩不易发生地压灾害；在采动围岩破裂过程中，围岩体破裂界面势垒增加首先萌生电荷，随着破裂发生发展过程中，声发射破裂事件愈发显著，因此，采动围岩在开采前首要监测岩层应力和抗压强度指标，根据这两个指标判断围岩的危险程度，如果处于无危险或者弱危险的程度，则正常开采，开采过程中监测萌生的电荷和声发射事件，根据电荷和声发射事件判断开采过程中实时的危险程度。这样可以对采动前进行地压灾害的预评估(高应力、高强度围岩易发生地压灾害)，采动过程中地压灾害的预测和预警(电荷频谱激变和声发射振铃数激增时进行预警)。根据开采前监测的岩层应力和抗压强度指标判断围岩的危险程度如果处于中等危险或强危险，则不进行开采，只进行萌生的电荷和声发射事件的监测，以及常规的正常监测，并根据电荷和声发射事件判断是否报警。这里的正常监测是指采矿工程过程中常规巷道变形、收敛、岩层沉降、岩层应力等监测手段。如图2所示。
开采前监测岩层应力和抗压强度指标，岩层应力指数、岩层应力和抗压强度指标的关系为：
式中，Kp为临界岩层应力指数，P为岩层应力，σc为抗压强度。
表1采动围岩开采前危险程度判断表
声发射事件能量预警的判断标准为：低主频事件(0-25kHz)和高主频事件(250-500kHz)高度骤增时报警。高度骤增是指高度超出预设范围并达上限的110％以上或者达下限的90％以下。高度是指频率的幅值，高度骤增即频率幅值的增加值。高度的预设范围可根据不同的工况进行设定。
电荷预警的判断标准是：时域上电荷脉冲数幅值突变，频域上电荷主频带的变化范围处于0-100Hz之间时，时域上的突变和频域上的范围，二者满足其一既可报警。其中，后1小时电荷脉冲数幅值较前1小时内电荷脉冲数幅值增加50％及以上，为突变。
声发射事件和电荷的判断标准满足其一时进行预警。
岩层应力、抗压强度、电荷和能量四个控制因素中，岩层应力和抗压强度是地压灾害发生决定因素，电荷和声发射能量是地压灾害发生时可预先采集的信息，可根据这两个因素预测地压灾害发生的可能性，因此采用岩层应力和抗压强度因素指标进行开采前评估，采用电荷和声发射能量因素指标作为开采过程中预测预警因素，最为直接和可靠。
以上对本申请实施例所提供的一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，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)
1.一种深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，通过监测采动围岩地压灾害发生前兆信息：岩层应力、抗压强度、电荷和声发射事件这四个指标对采动围岩地压灾害进行预测和预警；
岩层应力、抗压强度在采动围岩开采前进行监测，根据监测到的岩层应力和抗压强度计算出岩层应力指数，根据岩层应力指数判断采动围岩的危险等级，判断是否开采；
电荷和声发射事件在采动围岩的开采过程中或危险等级处于不开采等级时进行监测，根据监测到的电荷和声发射事件判断采动围岩实时的危险程度，并在满足预警条件时进行预警。
2.根据权利要求1所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，岩层应力指数、岩层应力和抗压强度指标的关系为：
式中，Kp为岩层应力指数，P为岩层应力，σc为抗压强度。
3.根据权利要求1或2所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，采动围岩的危险等级包括正常开采等级和不开采等级；正常开采等级的岩层应力指数为0-1.2，不开采等级的岩层应力指数为大于等于1.2。
4.根据权利要求1所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，预警条件具体为：声发射事件预警标准和电荷预警标准，二者满足其一时，进行预警；
声发射事件预警标准为：低主频事件和/或高主频事件高度骤增；
电荷预警标准为：时域上电荷脉冲数幅值突变和/或频域上电荷主频带的变化范围处于0-100Hz之间时。
5.根据权利要求4所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，低主频事件频率范围为0-25kHz；高主频事件频率范围为250-500kHz；
骤增的判定标准具体为：超出预设范围并达上限的110％以上或者达下限的90％以下。
6.根据权利要求4所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，其中，突变的判定标准具体为：后1小时电荷脉冲数幅值较前1小时电荷脉冲数幅值增加50％以上。
7.根据权利要求1所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，采动围岩开采过程中或危险等级处于不开采等级时还进行正常监测；
所述正常监测包括采矿工程过程中常规巷道变形、收敛、岩层沉降和岩层应力的监测。
8.根据权利要求1所述的深部采动围岩地压灾害发生前兆主控因素分析方法，其特征在于，正常开采等级包括无危险和弱危险两个等级，无危险的岩层应力指数为0-0.8，弱危险的岩层应力指数为0.8-1.2；不开采等级包括中等危险和强危险，中等危险的岩层应力指数为1.2-1.7，强危险的岩层应力指数为大于等于1.7。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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