CN112379460B - 基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，收集待确定合理停采线位置的工作面的相关地质信息；根据预先建立的工作面超前支承压力分布力学模型确定工作面超前应力分布影响范围；根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布影响范围；根据微震监测确定工作面超前应力分布影响范围；根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布影响范围；综合比较上述各工作面超前应力分布影响范围，最终确定工作面超前应力分布影响范围，从而确定合理停采线位置。本发明充分考虑了工作面煤层和覆岩特征，分析更加可靠、更具说服力。
Description
技术领域
本发明涉及冲击地压防控技术领域，具体涉及一种基于应力场和震动波场的深部工作面合理停采线位置确定的方法。
背景技术
目前，地下资源开发不断走向地球深部，就煤炭开采而言，开采深度超过1000m的矿井全国有50余对，最大已达1500m，未来深部开采将成为常态。矿井进入深部开采，冲击地压灾害的频度和强度显著增加，难以有效预测与防治。
统计表明，近年来深部工作面或采(盘)区开采末期停采线附近和下(上)山煤柱区发生多起冲击地压事故。因此，合理的确定工作面停采线位置，提高回采率的同时，确保冲击地压灾害的防控将是深部采(盘)区后期开采亟待解决的问题，迫切需要科学、精确、动态分析的工作面停采线位置确定方法。
目前，工作面合理停采线位置的确定，这一工程技术难题仍缺乏有效的理论依据，大多只是依靠经验。其次，数值模拟与现场真实情况的差异，忽略了大量的现场实际工程条件，不利于现场的冲击危险防控。因此，面对深部工作面停采线附近冲击地压日益严峻的形势，有必要提出确定深部工作面回采过程中更为有效的合理停采线位置的确定方法。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，解决了目前不能有效合理的确定深部工作面停采线位置的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，包括步骤：
收集待确定合理停采线位置的工作面的相关地质信息；
根据相关地质信息和预先建立的工作面超前支承压力分布力学模型确定工作面超前应力分布第一影响范围；
根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布第二影响范围；
根据微震监测确定第三工作面超前应力分布第三影响范围；
根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布第四影响范围；
综合比较上述各工作面超前应力分布影响范围，确定工作面超前应力分布影响范围，从而确定合理停采线位置。
进一步的，所述相关地质信息包括：煤岩层的基本物理力学属性、矿井开采与工作面布置数据，所述基本物理力学属性包括煤岩层厚度、煤岩层密度、煤岩层内聚力、煤岩层弹性模量、煤岩层泊松比、煤岩层内摩擦角、煤岩层抗拉强度、覆岩碎胀系数、覆岩体积力和覆岩单轴抗压强度。
进一步的，所述工作面超前支承压力分布力学模型为：
①对于全空间OX结构，其工作面超前支承压力的表达式为：
②对于半空间OX结构，其工作面超前支承压力的表达式为：
工作面上覆岩层自重应力σg表示为：
其中，i为关键层序号，i＝1～n，n为关键层总数；x为工作面超前支承压力区起始点的横坐标值，α为岩层移动角，Hd为覆岩演化高度；σmax为第i层关键层岩块所产生的最大应力值，σmax＝Qi*tanα/H，γ为岩层的平均容重，H为采空区的工作面埋深。
进一步的，覆岩演化高度Hd由下式表达：
其中，h为煤层厚度，E为覆岩弹性模量，σc为覆岩单轴抗压强度，ν为覆岩泊松比，b为覆岩碎胀系数。
进一步的，根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布第一影响范围，包括：通过应力在线监测预警系统，在线监测工作面前方采动应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，反映采煤工作面煤体应力，进而得到工作面超前应力分布影响范围。
进一步的，根据微震监测确定工作面超前应力分布第二影响范围，包括：在微震监测数据的基础上，根据工作面前方微震事件的分布特征，考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围，进而得到工作面超前应力分布影响范围。
进一步的，根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布第三影响范围，包括：采用震动波CT探测技术，确定采动应力场状态及其动态迁移情况，进而确定工作面超前应力分布影响范围。
进一步的，高应力或高应力集中区域，相对其它区域将出现震动波波速、波速梯度的正异常，构建了以P波波速异常与波速梯度异常为主的冲击危险预警指标：
其中：Vp、VG分别为区域内某点P波波速值与波速梯度值，VGa分别为模型波速平均值与波速梯度平均值。
本发明所达到的有益效果：本发明考虑覆岩应力传递机制和工作面煤岩体相关地质信息，计算出工作面煤超前应力影响分布范围；通过应力在线监测预警系统，实时在线监测工作面前方采动应力场及特定区域应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，实时准确反映采煤工作面煤体应力；从震动场的角度，考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围、震动波波速异常与波速梯度异常，确定采动应力场状态及其动态迁移情况。发明给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够动态量化工作面超前影响范围，细化工作面前方冲击危险区域；
本发明与其他工程类比法相比，分析更加全面、更具针对性，同时冲击危险等级划分考虑了本煤层和覆岩特征，评价分级结果更可靠、更准确。另外，可将评价区域进行网格化，与已有方法对评价区域进行笼统评价相比，评价结果更细致，冲击防范更具针对性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种停采线位置确定方法流程图；
图2为本发明实施例中的工作面开采后顶板结构形式及其应力传递模式理论分析结构图；
图3为本发明实施例中的工作面超前支承压力估算模型图；
图4为本发明实施例中的3302工作面超前支承压力曲线图；
图5为本发明实施例中的3302工作面3组典型的应力测点数据变化曲线图；
图6为本发明实施例中3302工作面震动波CT探测评价结果图；其中，图6(a)为实施例波速异常系数图；其中图6(b)为实施例波速梯度异常图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，包括以下步骤：
步骤1，收集待确定合理停采线位置的工作面的相关地质信息；
相关地质信息包括：煤岩层的基本物理力学属性、矿井开采与工作面布置数据，所述基本物理力学属性包括煤岩层厚度、煤岩层密度、煤岩层内聚力、煤岩层弹性模量、煤岩层泊松比、煤岩层内摩擦角、煤岩层抗拉强度、覆岩碎胀系数、覆岩体积力和覆岩单轴抗压强度；
矿井开采与工作面布置数据包括：工作面埋深以及工作面长度。
步骤2，根据相关地质信息和预先建立的工作面超前支承压力分布力学模型确定工作面超前应力分布第一影响范围；
根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布第二影响范围；
根据微震监测确定工作面超前应力分布第三影响范围；
根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布第四影响范围。
步骤2中，根据工作面顶板结构分类及其应力传递机制，建立工作面超前支承压力分布力学模型：
(1)工作面顶板结构分类及其应力传递机制；
单一工作面开采后，根据主关键层破断与否，顶板覆岩结构可分为：①主关键层破断后，全空间OX结构，如图2(a)所示；②主关键层未破断，半空间OX结构，如图2(b)所示。全空间OX结构由于主关键层发生破断，关键层承担自身及其上覆岩层的重量，因此可认为亚关键层将其所承担载荷的1/4传递至工作面煤体；而半空间结构由于主关键层未发生破断，可认为断裂的亚关键层及其所控制的覆岩载荷的1/4传递至工作面煤体，断裂带以上的覆岩载荷的1/2传递至工作面煤体。
(2)工作面超前支承压力分布力学模型。
由此，建立了基于覆岩应力传递机制的工作面超前应力分布力学模型，如图3所示。
假设第i层关键层发生破断，自身及其控制的岩层重量为qi，则其传递至工作面前方的载荷Qi：
其中，γ为覆岩的平均容重，一般取25kN/m3，Li为第i层关键层待破断块体的长度，Mi和mi为第i层关键层及其所控制的岩层的厚度。
为简化计算，基于工程实践，我们假设每一层覆岩关键层传递至工作面煤体的应力大致呈等腰三角形分布。因此，由第i层关键层所产生的应力增量Qi可由下式表达：
其中，x为工作面超前支承压力区起始点的横坐标值，α为岩层移动角，Hd为覆岩演化高度；σmax为第i层关键层岩块所产生的最大应力值，σmax＝Qi*tanα/H。
Hd可由下式表达：
其中，H为采空区的工作面埋深，h为煤层厚度，E为覆岩弹性模量，σc为覆岩单轴抗压强度，ν为覆岩泊松比，b为覆岩碎胀系数、γ为岩层的平均容重。
对于全空间OX结构而言，下覆岩层承载主关键层及其所控制的覆岩载荷的1/2，则传递至第n层关键层的载荷Qn：
其中，qn为第n层关键层发生破断，自身及其控制的岩层重量，h1为主关键层的平均厚度，Ln为第n层关键层待破断块体的长度，Mn和mn为第n层关键层及其所控制的岩层的厚度。
此时，未破断的主关键层传递至工作面前方煤体的载荷为QB：
其中，QB为主关键层在超前影响范围内的岩层重量。
主关键层传递至煤层的应力QB表达式同式(2)。
工作面超前应力σs主要由围岩自重应力σg和后方采空区上覆岩层传递至工作面前方的应力增量Δσ组成。因此，工作面超前支承压力可由下式表示：
σs＝σg+Δσ (7)
工作面上覆岩层自重应力σg可表示为：
综上所述，工作面超前支承压力分布力学模型为：
①对于全空间OX结构，其超前支承压力的表达式为：
②对于半空间OX结构，其超前支承压力的表达式为：
公式(9)(10)中的Qi为简化后的公式(2)，QB为公式(6)。
所述的根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布影响范围，具体为：通过应力在线监测预警系统，实时在线监测工作面前方采动应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，实时准确反映采煤工作面煤体应力。
所述的根据微震监测确定工作面超前应力分布影响范围，具体为：在大量微震监测数据的基础上，研究工作面前方微震事件的分布特征，对于停采线位置的确定，主要考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围。
所述的根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布影响范围，具体为采用震动波CT探测技术，确定采动应力场状态及其动态迁移情况，从而为工作面超前应力分布情况提供依据。具体为：
研究表明，高应力或高应力集中区域，相对其它区域将出现震动波波速、波速梯度的正异常。因此，构建了以P波波速异常与波速梯度异常为主的冲击危险预警指标：
其中：Vp、VG分别为区域内某点P波波速值与波速梯度值，VGa分别为模型波速平均值与波速梯度平均值。同时，给出了各指标的判别准则，如表1和2所示。
表1，波速正异常与应力集中程度关系表
表2，VG异常变化与冲击地压危险之间的关系
步骤3，综合比较上述四个各工作面超前应力分布影响范围，最终确定工作面超前应力分布影响范围，从而确定合理停采线位置。
选择各工作面超前应力分布影响范围中最大的值，合理停采线位置应大于该最大值。
同时，给出了各指标的判别准则，如表1和2所示。
实施例2：
某矿的3302工作面回采过程中停采线附近冲击地压危险性较高，下面结合本发明中的基于“应力场-震动波场”的合理停采线位置的确定方法对工作面回采过程中停采线位置进行动态调整，具体实施步骤如下：
步骤1，收集到如表3中的工作面相关地质信息
3302工作面位于星村煤矿西翼三采区东部，地面平均标高55m，井下平均标高1200m，采深1250m左右。工作面西南方向350m为3308工作面采空区，西北方向为三采区三条集中上山，东北方向为西翼三采区三条开拓大巷。
3302工作面走向长1125m，倾斜长100m，采3#煤，煤层平均厚度8.2m，平均倾角9°。
根据公式(3)求得3302工作面开采后覆岩演化理论高度Hd＝646.11m，根据钻孔提供的地质资料(具体见表2)，3302工作面上部存在5层硬岩，划分为1个主关键层和4个亚关键层，在工作面回采过程中，上覆主关键层和厚度较大的亚关键层4(116.79m厚的粉砂岩)并未发生破断。根据关键层理论(即若判断出所涉及的关键层破断，则覆岩演化高度等于各破断的关键层与其所控制的岩层的高度之和)，采空区覆岩演化高度等于顶板至主关键层的高度，其修正结果为352.64m，即表4中3下煤上方的粉砂岩至砂岩(主关键层)的高度＝2.8+27.91+10.7+0.56+42.61+22.4+4.49+33.27+60.09+3.68+13.46+130.67＝352.64m。
表3 3302工作面基本地质和力学参数
表4 3302工作面上覆岩层基本力学参数
步骤2，工作面应力分布计算所需要的力学参数依次如下：H1＝16.76m，L1＝37.2m，M1＝27.91m，m1＝53.87m；H2＝95.78m，L2＝39.4m，M2＝22.40m，m2＝37.76m；H3＝174.79m，L3＝66.9m，M3＝60.09m，m3＝147.81m；γ＝25.5kN/m3，h1＝593.54m，H＝1200m。根据现场观测和相似模拟实验研究，岩层移动角一般取值为α＝80.4°。
根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(7)和(9)求出工作面超前支承压力分布曲线，见图4。从图4中可以看出，3302工作面前方50m处出现应力峰值，超前应力峰值约为50MPa，工作面超前应力影响范围约为255m，即3302工作面停采线至少要布设在工作面前方255m左右。
通过应力在线监测预警系统，实时在线监测工作面前方采动应力场及特定区域应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，实时准确反映采煤工作面煤体应力。
图5为3302工作面回采过程中提取的3组典型的应力数据变化曲线。以20#应力传感器为例，随着工作面的推进应力变化可分为三个阶段：①平稳阶段(距测点200-160m)：工作面超前支承压力对监测点处应力无影响，应力值为3.3MPa；②缓慢上升阶段(距测点160-40m)：随着工作面的推进，测点区域开始进入超前支承压力影响区，应力值缓慢上升，应力由4.4MPa增长至6.3MPa；③应力突增阶段(距测点40-10m)：超前支承应力急速升高区，总体呈应力上升趋势，应力值增长速度较快，变化幅度很大，由6.3MPa迅速增长至24.6MPa。局部有应力降低的，分析其原因是当应力达到其预警值(黄色预警12MPa，红色预警15MPa)附近时，采取大直径钻孔或者爆破卸压时，应力有所下降，但很快会又继续上升。
其他测点应力变化规律与之类似。值得注意的是22#应力传感器，在工作面超前位置120-200m范围内，监测数据呈现波动变化的趋势，分析原因在于22#应力传感器附近有强矿震显现，导致应力上升，现场实施大直径进行卸压工作后应力下降，从而导致了应力波动曲线的出现。综上所述，工作面超前支承压力范围约为200m，在工作面前方40m左右处达到应力峰值。
表3中仅列出工作面推进靠近停采线附近200m范围内的矿震统计结果。由表可知，工作面推进过程中前方震动发生的最远距离存在较大的变化，其中震动发生的最大距离的最小值为215m，最大值为260m，平均值为248m，均方差为14m，因此确定262m为矿震发生的正常范围，从动静载叠加的角度来讲，停采线的最小范围为262m。
表3 3302工作面矿震分布统计
图6为基于2015年7月26日至2015年8月4日的微震事件，绘制了波速正异常系数An及波速梯度系数VG云图。反演结果显示，工作面前方存在明显的波速异常和波速梯度异常分区特征，大约超前工作面220m左右，考虑反演精度(震动波CT反演精度为30m)，可认为工作面超前支承压力影响范围应为220～250m左右。根据波速正负异常变化与应力集中程度及弱化程度之间的关系(表1，2)，划分出强应力集中区域，这个应力集中区域与工作面超前支承压力有关，那么它的范围基本就是工作面超前影响范围。
步骤3，结合理论分析(255m)、应力在线监测(200m)、微震监测(262m)和震动波CT反演(220～250m)，最终可确定3302工作面停采线保护煤柱宽度应不小于262m。
本发明通过实验室和现场实测数据，采用定量和动态的比较静载和动载的影响，对工作面采动超前应力影响范围和冲击危险等级进行评价，充分考虑了工作面煤层和覆岩特征，分析更加可靠、更具说服力。
本发明提供的一种基于“应力场-震动波场”的深部工作面合理停采线位置确定的方法，从应力场的角度，考虑覆岩应力传递机制和工作面煤岩体相关地质信息，计算出工作面煤超前应力影响分布范围；通过应力在线监测预警系统，实时在线监测工作面前方采动应力场及特定区域应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，实时准确反映采煤工作面煤体应力；从震动场的角度，考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围、震动波波速异常与波速梯度异常，确定采动应力场状态及其动态迁移情况。发明给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够动态量化工作面超前影响范围，细化工作面前方冲击危险区域；
本发明与其他工程类比法相比，分析更加全面、更具针对性，同时冲击危险等级划分考虑了本煤层和覆岩特征，评价分级结果更可靠、更准确。另外，可将评价区域进行网格化，与已有方法对评价区域进行笼统评价相比，评价结果更细致，冲击防范更具针对性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，其特征在于：包括步骤：
收集待确定合理停采线位置的工作面的相关地质信息；
根据相关地质信息和预先建立的工作面超前支承压力分布力学模型确定工作面超前应力分布第一影响范围；
根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布第二影响范围；
根据微震监测确定工作面超前应力分布第三影响范围；
根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布第四影响范围；
综合比较上述各工作面超前应力分布影响范围，确定工作面超前应力分布影响范围，从而确定合理停采线位置；
所述相关地质信息包括：煤岩层的基本物理力学属性、矿井开采与工作面布置数据，所述基本物理力学属性包括煤岩层厚度、煤岩层密度、煤岩层内聚力、煤岩层弹性模量、煤岩层泊松比、煤岩层内摩擦角、煤岩层抗拉强度、覆岩碎胀系数、覆岩体积力和覆岩单轴抗压强度；
所述工作面超前支承压力分布力学模型为：
①对于全空间OX结构，其工作面超前支承压力的表达式为：
②对于半空间OX结构，其工作面超前支承压力的表达式为：
工作面上覆岩层自重应力σg表示为：
其中，i为关键层序号，i＝1～n，n为关键层总数；x为工作面超前支承压力区起始点的横坐标值，α为岩层移动角，Hd为覆岩演化高度；σmax为第i层关键层岩块所产生的最大应力值，σmax＝Qi*tanα/H，γ为岩层的平均容重，H为采空区的工作面埋深；Qi为第i层关键层发生破断后传递至工作面前方的载荷；QB为主关键层在超前影响范围内的岩层重量；
覆岩演化高度Hd由下式表达：
其中，h为煤层厚度，E为覆岩弹性模量，σc为覆岩单轴抗压强度，ν为覆岩泊松比，b为覆岩碎胀系数；
根据工作面煤层应力在线监测确定工作面超前应力分布第一影响范围，包括：通过应力在线监测预警系统，在线监测工作面前方采动应力场的变化规律，记录监测数据并绘制应力变化曲线，反映采煤工作面煤体应力，进而得到工作面超前应力分布影响范围；
根据微震监测确定工作面超前应力分布第二影响范围，包括：在微震监测数据的基础上，根据工作面前方微震事件的分布特征，考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围，进而得到工作面超前应力分布影响范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，其特征是：根据震动波CT反演确定工作面超前应力分布第三影响范围，包括：采用震动波CT探测技术，确定采动应力场状态及其动态迁移情况，进而确定工作面超前应力分布影响范围。
3.根据权利要求2所述的一种基于应力场和震动波场的合理停采线位置确定的方法，其特征是：高应力或高应力集中区域，相对其它区域将出现震动波波速、波速梯度的正异常，构建了以P波波速异常与波速梯度异常为主的冲击危险预警指标：
其中：Vp、VG分别为区域内某点P波波速值与波速梯度值，VGa分别为模型波速平均值与波速梯度平均值；An1为以P波波速异常为主的冲击危险预警指标；An2为以P波波速梯度异常为主的冲击危险预警指标。
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