CN112906280A - 一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，该数学模型建立方法包括以下步骤：对矿山地下开采活动进行双水平双阶段同时开采相互扰动效应分析，获得双阶段同时开采过程中上、下部采区的相互影响规律。该用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，通过构建数学模型，使得对矿山的采掘活动进行安全评价、对危险有害因素进行风险预测，可以针对性的定向开采，采取“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”等系列针对性措施避免危险有害因素对开采的干扰，减少人员伤亡和财产损失，提升开采活动的本质安全程度，节约施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全技术领域，具体为一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法。
背景技术
矿山指有一定开采境界的采掘矿石的独立生产经营单位。矿山主要包括一个或多个采矿车间(或称坑口、矿井、露天采场等)和一些辅助车间，大部分矿山还包括选矿场(洗煤厂)；
矿山包括煤矿、金属矿、非金属矿、建材矿和化学矿等等。矿山规模(也称生产能力)通常用年产量或日产量表示。年产量即矿山每年生产的矿石数量。按产量的大小，分为大型、中型、小型3种类型。矿山规模的大小，要与矿山经济合理的服务年限相适应，只有这样，才能节省基建费用，降低成本。在矿山生产过程中，采掘作业既是消耗人力、物力最多，占用资金最多，又是降低采矿成本潜力最大的生产环节，降低采掘成本的主要途径是提高劳动生产率及产品质量，降低物资消耗。
近年来，造成矿山冒顶片帮、透水事故的危险有害因素不可控，造成大量人员伤亡、财产损失，为了对矿山开采活动进行安全评价和风险预测；因此发明一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明试图克服以上缺陷，因此本发明提供了一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，通过对矿山开采活动通过安全评价和风险预测，解决矿山开采过程中危险有害因素不可控，造成大量人员伤亡、财产损失的问题，提升矿山开采本质安全程度。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，该数学模型建立方法包括以下步骤：
步骤一、对已有矿山采掘工程中的冒顶片帮、透水事故进行总结，确定诱发冒顶片帮、透水事故的主要诱因，初步构建冒顶片帮、透水事故风险的评价系统，同时取工具探查矿山主要节理的产状，进行超前地质钻孔压水试验，并提取矿山岩土的试样，进行室内物理力学试验、渗透试验；
步骤二、分析并确立影响矿山采掘工程安全预警的多层级影响诱因或监测项目的预警指标，并且预设各级影响诱因或监项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；
步骤三、根据步骤二中超前水平地质钻探量测的出水量，采用正交反分析方法，建立地下矿山破碎围岩三维多孔连续介质流固耦合有限元模型，计算不同工况下的破碎围岩涌水量；
步骤四、开展室内岩石力学试验，获取矿山典型岩体及结构的物理力学参数；
步骤五、进行双水平双阶段同时开采相互扰动效应分析，获得双阶段同时开采过程中上、下部采区的相互影响规律；
步骤六、对上、下部采区之间留设周围岩体本身的稳固性和矿柱的支撑能力进行分析，维护回采过程中形成的采空区的安全性；
步骤七、进行深部采场结构参数和开采顺序优化分析，提出宜优先采用隔一采一的回采顺序，对于周围岩体破碎地段采用隔二采一的回采顺序；
步骤八、分析开采对邻近断层的扰动作用。
优选的，所述动力学特征判据包括断层破坏扰动应力判据、断层扰动破坏额库伦应力面积判据以及断层扰动的库伦应力梯度判据。
优选的，所述有限元模型仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。
优选的，所述权重计算为将矿山采掘工程安全监测方案和实测数据各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数。
优选的，所述渗透试验的整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。
优选的，所述渗透试验开始试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出，待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则V＝Q*t＝ν*A*t，根据达西定律，v＝k*i，则V＝k*(△h/L)*A*t，从而得出k＝V*L/A*△h*t。
优选的，所述室内岩石力学试验包括单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、岩石三轴压缩试验以及断层破碎带岩体结构面直剪试验。
优选的，所述超前地质钻孔压水试验包括以下步骤：
步骤一、进行地面踏勘，形成测区地质背景报告以及地质勘察实施方案，开展地表区域物探，进行工程地质分区，生成测区工程地质分区图，圈定物探异常带，对地下工程浅埋段实施常规垂直钻探，进行原位测试，并取芯留样进行室内土工试验，分析判断浅埋段工程地质情况；
步骤二、对地下采掘支护进行预设计，开挖前进行超前物探，对深埋段沿巷道轴线走向的分段长距离水平钻孔，开展原位压水试验，并取芯留样进行室内土工试验，分析地下工程开挖前方情况，综合探测成果，与超前物探地质资料进行比对，及时动态调整支护设计参数，以保证地下开采活动安全。
(三)有益效果
本发明提供的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法。具备以下有益效果：该一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，通过构建数学模型，使得对矿山的采掘活动进行安全评价、对危险有害因素进行风险预测，可以针对性的定向开采，采取“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”等系列针对性措施避免危险有害因素对开采的干扰，减少人员伤亡和财产损失，提升开采活动的本质安全程度，节约施工成本。
具体实施方式
根据本发明的第一方面，本发明提供一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，该数学模型建立方法包括以下步骤：
步骤一、对已有矿山采掘工程中的冒顶片帮、透水事故进行总结，确定诱发冒顶片帮、透水事故的主要诱因，初步构建冒顶片帮、透水事故风险的评价系统，同时取工具探查矿山主要节理的产状，进行超前地质钻孔压水试验，并提取矿山岩土的试样，进行室内物理力学试验、渗透试验；
步骤二、分析并确立影响矿山采掘工程安全预警的多层级影响诱因或监测项目的预警指标，并且预设各级影响诱因或监项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；
步骤三、根据步骤二中超前水平地质钻探量测的出水量，采用正交反分析方法，建立地下矿山破碎围岩三维多孔连续介质流固耦合有限元模型，计算不同工况下的破碎围岩涌水量；
步骤四、开展室内岩石力学试验，获取矿山典型岩体及结构的物理力学参数；
步骤五、进行双水平双阶段同时开采相互扰动效应分析，获得双阶段同时开采过程中上、下部采区的相互影响规律；
步骤六、对上、下部采区之间留设周围岩体本身的稳固性和矿柱的支撑能力进行分析，维护回采过程中形成的采空区的安全性；
步骤七、进行深部采场结构参数和开采顺序优化分析，提出宜优先采用隔一采一的回采顺序，对于周围岩体破碎地段采用隔二采一的回采顺序；
步骤八、分析开采对邻近断层的扰动作用。
动力学特征判据包括断层破坏扰动应力判据、断层扰动破坏额库伦应力面积判据以及断层扰动的库伦应力梯度判据。
有限元模型仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。
权重计算为将矿山采掘工程安全监测方案和实测数据各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数。
渗透试验的整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。
渗透试验开始试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出，待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则V＝Q*t＝ν*A*t，根据达西定律，v＝k*i，则V＝k*(△h/L)*A*t，从而得出k＝V*L/A*△h*t。
室内岩石力学试验包括单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、岩石三轴压缩试验以及断层破碎带岩体结构面直剪试验。
超前地质钻孔压水试验包括以下步骤：
步骤一、进行地面踏勘，形成测区地质背景报告以及地质勘察实施方案，开展地表区域物探，进行工程地质分区，生成测区工程地质分区图，圈定物探异常带，对地下工程浅埋段实施常规垂直钻探，进行原位测试，并取芯留样进行室内土工试验，分析判断浅埋段工程地质情况；
步骤二、对地下采掘支护进行预设计，开挖前进行超前物探，对深埋段沿巷道轴线走向的分段长距离水平钻孔，开展原位压水试验，并取芯留样进行室内土工试验，分析地下工程开挖前方情况，综合探测成果，与超前物探地质资料进行比对，及时动态调整支护设计参数，以保证地下开采活动安全。
实施例1
超前地质钻孔压水试验包括以下步骤：首先进行地面踏勘，形成测区地质背景报告以及地质勘察实施方案，开展地表区域物探，进行工程地质分区，生成测区工程地质分区图，圈定物探异常带，对地下工程浅埋段实施常规垂直钻探，进行原位测试，并取芯留样进行室内土工试验，分析判断浅埋段工程地质情况；然后对地下采掘支护进行预设计，开挖前进行超前物探，对深埋段沿巷道轴线走向的分段长距离水平钻孔，开展原位压水试验，并取芯留样进行室内土工试验，分析地下工程开挖前方情况，综合探测成果，与超前物探地质资料进行比对，及时动态调整支护设计参数，以保证地下开采活动安全。
实施例2
该数学模型建立方法包括以下步骤：首先对已有矿山采掘工程中的冒顶片帮、透水事故进行总结，确定诱发冒顶片帮、透水事故的主要诱因，初步构建冒顶片帮、透水事故风险的评价系统，同时取工具探查矿山主要节理的产状，进行超前地质钻孔压水试验，并提取矿山岩土的试样，进行室内物理力学试验、渗透试验；分析并确立影响矿山采掘工程安全预警的多层级影响诱因或监测项目的预警指标，并且预设各级影响诱因或监项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；根据超前水平地质钻探量测的出水量，采用正交反分析方法，建立地下矿山破碎围岩三维多孔连续介质流固耦合有限元模型，计算不同工况下的破碎围岩涌水量；开展室内岩石力学试验，获取矿山典型岩体及结构的物理力学参数；进行双水平双阶段同时开采相互扰动效应分析，获得双阶段同时开采过程中上、下部采区的相互影响规律；对上、下部采区之间留设周围岩体本身的稳固性和矿柱的支撑能力进行分析，维护回采过程中形成的采空区的安全性；进行深部采场结构参数和开采顺序优化分析，提出宜优先采用隔一采一的回采顺序，对于周围岩体破碎地段采用隔二采一的回采顺序；分析开采对邻近断层的扰动作用。
动力学特征判据包括断层破坏扰动应力判据、断层扰动破坏额库伦应力面积判据以及断层扰动的库伦应力梯度判据；有限元模型仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体；权重计算为将矿山采掘工程安全监测方案和实测数据各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数；渗透试验的整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数；渗透试验开始试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出，待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则V＝Q*t＝ν*A*t，根据达西定律，v＝k*i，则V＝k*(△h/L)*A*t，从而得出k＝V*L/A*△h*t；室内岩石力学试验包括单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、岩石三轴压缩试验以及断层破碎带岩体结构面直剪试验。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：该数学模型建立方法包括以下步骤：
步骤一、对已有矿山地下采掘工程中的冒顶片帮、透水事故进行总结，确定诱发冒顶片帮、透水事故的主要诱因，初步构建引发冒顶片帮、透水事故的风险的评价系统，同时取工具探查矿山主要节理的产状，进行超前地质钻孔压水试验，并提取矿山岩土的试样，进行室内物理力学试验、渗透试验；
步骤二、分析并确立影响矿山采掘工程安全预警的多层级影响诱因或监测项目的预警指标，并且预设各级影响诱因或监项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；
步骤三、根据步骤二中超前水平地质钻探量测的出水量，采用正交反分析方法，建立地下矿山破碎围岩三维多孔连续介质流固耦合有限元模型，计算不同工况下的破碎围岩涌水量；
步骤四、开展室内岩石力学试验，获取矿山典型岩体及结构的物理力学参数；
步骤五、进行双水平双阶段同时开采相互扰动效应分析，获得双阶段同时开采过程中上、下部采区的相互影响规律；
步骤六、对上、下部采区之间留设周围岩体本身的稳固性和矿柱的支撑能力进行分析，维护回采过程中形成的采空区的安全性；
步骤七、进行深部采场结构参数和开采顺序优化分析，提出宜优先采用隔一采一的回采顺序，对于周围岩体破碎地段采用隔二采一的回采顺序；
步骤八、分析开采对邻近断层的扰动作用。
2.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述动力学特征判据包括断层破坏扰动应力判据、断层扰动破坏额库伦应力面积判据以及断层扰动的库伦应力梯度判据。
3.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述有限元模型仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。
4.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述权重计算为将矿山采掘工程安全监测方案和实测数据各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数。
5.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述渗透试验的整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。
6.根据权利要求5所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述渗透试验开始试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出，待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则V＝Q*t＝ν*A*t，根据达西定律，v＝k*i，则V＝k*(△h/L)*A*t，从而得出k＝V*L/A*△h*t。
7.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述室内岩石力学试验包括单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、岩石三轴压缩试验以及断层破碎带岩体结构面直剪试验。
8.根据权利要求1所述的一种用于安全评价和风险预测的数学模型建立方法，其特征在于：所述超前地质钻孔压水试验包括以下步骤：
步骤一、进行地面踏勘，形成测区地质背景报告以及地质勘察实施方案，开展地表区域物探，进行工程地质分区，生成测区工程地质分区图，圈定物探异常带，对地下工程浅埋段实施常规垂直钻探，进行原位测试，并取芯留样进行室内土工试验，分析判断浅埋段工程地质情况；
步骤二、对地下采掘支护进行预设计，开挖前进行超前物探，对深埋段沿巷道轴线走向的分段长距离水平钻孔，开展原位压水试验，并取芯留样进行室内土工试验，分析地下工程开挖前方情况，综合探测成果，与超前物探地质资料进行比对，及时动态调整支护设计参数，以保证地下开采活动安全。
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Legal Events
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