CN113027529A - 一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，包括步骤一、采集矿井建模数据，构建三维地质精细化模型；步骤二、所建模型的进行平衡计算；步骤三、工作面开挖；步骤四、获取冲击地压危险性指数K并进行危险等级评定；本发明采用矿井钻孔柱状图的岩层数据进行精细化建模，能够有效的模拟出矿井实际的地质构造情况，提高冲击危险的评价准确度，同时依据矿井实际的采掘接替顺序对初始平衡计算后的模型进行开挖，所涉及的冲击危险评价更符合矿井实际情况，准确度更高，且采用煤岩体积累的弹性能与产生动力破坏所需的最小能量的比值大小作为判据，对工作面精准的进行支护和卸压措施，确定的冲击危险等级评价更具准确性。

Description

一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法
技术领域
本发明涉及采场冲击危险性评估技术领域，尤其涉及一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法。
背景技术
冲击地压是一种典型的矿山动力灾害，世界上几乎所有的采矿国家都不同程度地受到冲击地压的威胁或有记录已发生冲击地压事故，随着开采深度的不断增加，冲击地压陆续在我国各大矿区发生，并引起严重灾害，大采深的采掘作业受工作面复杂地质条件影响，所带来的围岩应力环境变得极其恶劣，冲击地压事件发生愈加频繁，综合指数法是一种宏观角度的评价方法，在分析已发生的近200次冲击地压事故的基础上，通过严格的数学统计方法，取开采区域的地质类和采矿类因素危险指数的最大值作为最终的冲击地压危险综合指数，从而确定开采区域的冲击地压危险等级、状态和防治对策；
目前使用的综合指数法仅考虑了地质条件和开采条件中的部分影响因素，与真实的矿井条件存在出入，所得的相关指标等级评定均由人工判断进行评级，具有较大的主观性及误差可能性；且对一些倾角较大的复杂性煤层，具有较大的误差率；此外，综合指数法无法对采掘进程中新揭露的地质条件进行综合评价，存在较大的限制，加之无法对工作面不同区域定量分析冲击危险性，无法精准的进行支护和卸压措施，因此，本发明提出一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，该基于数值反演的采场冲击危险性评估方法采用矿井钻孔柱状图的岩层数据进行精细化建模，能够有效的模拟出矿井实际的地质构造情况，提高冲击危险的评价准确度，同时依据矿井实际的采掘接替顺序对初始平衡计算后的模型进行开挖，所涉及的冲击危险评价更符合矿井实际情况，准确度更高，且采用煤岩体积累的弹性能与产生动力破坏所需的最小能量的比值大小作为判据，对工作面精准的进行支护和卸压措施，确定的冲击危险等级评价更具准确性。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，包括以下步骤：
步骤一、采集矿井建模数据，构建三维地质精细化模型包括：
S1、收集矿井地质资料，包括采掘平面图、钻孔柱状图，掌握煤层、上覆岩层其下覆岩层的物理力学性质，按照地层系统分成若干岩层分组，根据矿井范围内的所有钻孔柱状图，统计各岩层分组顶、底板的高程值H；
S2、根据矿井的实际规模，确定所建模型的走向及倾向长度分别为X、Y，在Surfer软件中按照模型尺寸根据S1中统计的各岩层分组顶、底板的高程值H绘制出相应岩层分组的顶、底板的值线图；
S3、根据矿井岩层分组情况，先在Rhino软件中生成最上层岩层分组的顶、底板曲面，然后在顶、底板曲面四周生成四个边界曲面，组合为一个封闭实体，即为模型最上层岩层分组，并将分组图层名更改为相应的岩层名称；
S4、依次对下覆岩层分组重复S3步骤，直至生成模型的最下层岩层分组，随后对整个模型进行网格划分；
S5、在Flac3D软件中依次导入以上划分好的岩层分组，根据矿井勘探成果对各岩层分组进行物理参数赋值；
步骤二、根据非线性初始地应力反演方法对所建模型进行平衡计算；
步骤三、根据矿井实际采掘顺序，对主要大巷进行开挖，计算至平衡；
步骤四、调取相应的FISH函数，获取冲击地压危险性指数K并进行危险等级评定。
进一步改进在于：所述步骤一的S2中模型的轴向及倾向长度X、Y分别为矿井实际走向、倾向长度的1.1倍。
进一步改进在于：所述步骤一的S4中对整个模型进行网格划分的原则为：
煤层分组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的0.5％，垂直方向上网格尺寸小于等于煤层分组厚度的20％；
煤层上覆及下覆岩层分组第1组、第2组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的1％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的25％；
煤层上覆及下覆岩层分组第i组(i＞2)、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的2％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的30％。
进一步改进在于：所述步骤一的S5中煤岩体中的应力条件与煤岩体物理力学性质有关，S5中的物理参数包含煤岩体密度、泊松比、粘聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量。
进一步改进在于：所述步骤二中非线性初始地应力反演方法为
σxx＝a1x2+b1x+c1
σyy＝a2x2+b2x+c2
σzz＝a3x2+b3x+c3
式中，σxx、σyy、σzz分别为Matlab曲线拟合工具箱对矿井地应力实测值所拟合出来的x、y、z方向上应力加载函数方程式，a、b、c为系数值，在对模型x、y、z方向上进行位移约束后，根据上述应力加载函数方程式编写FISH函数对模型进行初始地应力平衡计算。
进一步改进在于：所述步骤三中在对已回采工作面进行开挖时，每次进尺20m，计算时步为3000，而针对当前所需要冲击危险评估的工作面，每次进尺5m，计算时步为5000步，为评价当前工作面冲击危险性提供较为真实的采掘应力环境。
进一步改进在于：所述步骤四中冲击地压危险性指数K的计算方法为：
①、根据下述公式可计算工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体积聚的弹性能大小：
Figure BDA0002986047390000051
其中，E为煤岩体弹性模量；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，ν为煤岩体泊松比；
②、根据下述公式可计算回采工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体产生动力破坏所需的最低总能量：
Figure BDA0002986047390000052
其中，E为煤岩体弹性模量，σc为煤岩体抗压强度大小；
③、根据①、②确定冲击地压危险性指数K：
Figure BDA0002986047390000053
④、根据①、②和③通过Flac3D软件内置的FISH语言进行二次开发，编写了工作面冲击危险区域的求解命令，随后调用上述FISH函数对当前工作面进行分段开挖，对工作面各回采阶段不同区域冲击危险性指数K进行求解从而确定等级
本发明的有益效果为：本发明采用矿井钻孔柱状图的岩层数据进行精细化建模，能够有效的模拟出矿井实际的地质构造情况，提高冲击危险的评价准确度，同时依据矿井实际的采掘接替顺序对初始平衡计算后的模型进行开挖，所涉及的冲击危险评价更符合矿井实际情况，准确度更高，且采用煤岩体积累的弹性能与产生动力破坏所需的最小能量的比值大小作为判据，对工作面精准的进行支护和卸压措施，确定的冲击危险等级评价更具准确性。
附图说明
图1为本发明评估流程图。
图2为本发明模型的构建流程示意图。
图3为本发明实施例102工作面采掘平面图。
图4为本发明实施例综合柱状图。
图5为本发明实施例三维地质精细化模型示意图。
图6为本发明工作面回采期间不同区域的冲击危险程度示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2、3、4、5、6所示，本实施例提供了一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，包括以下步骤：
步骤一、采集矿井建模数据，构建三维地质精细化模型包括：
S1、收集矿井地质资料，包括采掘平面图、钻孔柱状图，掌握煤层、上覆岩层其下覆岩层的物理力学性质，按照地层系统分成若干岩层分组，根据矿井范围内的所有钻孔柱状图，统计各岩层分组顶、底板的高程值H；
S2、根据矿井的实际规模，确定所建模型的走向及倾向长度分别为X、Y，在Surfer软件中按照模型尺寸根据S1中统计的各岩层分组顶、底板的高程值H绘制出相应岩层分组的顶、底板的值线图；
S3、根据矿井岩层分组情况，先在Rhino软件中生成最上层岩层分组的顶、底板曲面，然后在顶、底板曲面四周生成四个边界曲面，组合为一个封闭实体，即为模型最上层岩层分组，并将分组图层名更改为相应的岩层名称；
S4、依次对下覆岩层分组重复S3步骤，直至生成模型的最下层岩层分组，随后对整个模型进行网格划分；
S5、在Flac3D软件中依次导入以上划分好的岩层分组，根据矿井勘探成果对各岩层分组进行物理参数赋值；
步骤二、根据非线性初始地应力反演方法对所建模型进行平衡计算；
步骤三、根据矿井实际采掘顺序，对主要大巷进行开挖，计算至平衡；
步骤四、调取相应的FISH函数，获取冲击地压危险性指数K并进行危险等级评定。
所述步骤一的S2中模型的轴向及倾向长度X、Y分别为矿井实际走向、倾向长度的1.1倍。
所述步骤一的S4中对整个模型进行网格划分的原则为：
煤层分组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的0.5％，垂直方向上网格尺寸小于等于煤层分组厚度的20％；
煤层上覆及下覆岩层分组第1组、第2组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的1％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的25％；
煤层上覆及下覆岩层分组第i组(i＞2)、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的2％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的30％。
所述步骤一的S5中煤岩体中的应力条件与煤岩体物理力学性质有关，S5中的物理参数包含煤岩体密度、泊松比、粘聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量。
在众多的数值模拟中，初始地应力场的施加是最容易被忽略的一个问题，在通过fix命令限制住边界位移条件后往往通过apply、initial分别施加一个边界应力和一个模型内部应力，这样的通过线性关系对模型施加初始应力的方式，由于构造应力分布规律复杂多变，往往无法模拟出较为真实的矿井应力环境。本方法基于某矿真实的地应力实测值，通过对x、y、z方向应力分量的非线性拟合后得到随埋深非线性变化的应力方程式，在对模型x、y、z方向上进行位移约束后，根据上述应力加载函数方程式编写FISH函数对模型进行初始地应力平衡计算。
所述步骤二中非线性初始地应力反演方法为：
σxx＝a1x2+b1x+c1
σyy＝a2x2+b2x+c2
σzz＝a3x2+b3x+c3
式中，σxx、σyy、σzz分别为Matlab曲线拟合工具箱对矿井地应力实测值所拟合出来的x、y、z方向上应力加载函数方程式，a、b、c为系数值，在对模型x、y、z方向上进行位移约束后，根据上述应力加载函数方程式编写FISH函数对模型进行初始地应力平衡计算。
所述步骤三中在对已回采工作面进行开挖时，每次进尺20m，计算时步为3000，而针对当前所需要冲击危险评估的工作面，每次进尺5m，计算时步为5000步，为评价当前工作面冲击危险性提供较为真实的采掘应力环境。
所述步骤四中冲击地压危险性指数K的计算方法为：
①、根据最小能量原理，煤岩体在三向应力状态作用下，积聚了大量的弹性能，当破坏一旦启动后，岩体应力重新调整，应力状态即迅速转变为二向，最终转变为单向应力状态，其破坏真正需要消耗的能量总是呈单向应力状态的破坏能量，根据下述公式可计算工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体积聚的弹性能大小：
Figure BDA0002986047390000091
其中，E为煤岩体弹性模量；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，ν为煤岩体泊松比；
②、根据下述公式可计算回采工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体产生动力破坏所需的最低总能量：
Figure BDA0002986047390000092
其中，E为煤岩体弹性模量，σc为煤岩体抗压强度大小；
③、根据①、②确定冲击地压危险性指数K：
Figure BDA0002986047390000093
④、根据①、②和③通过Flac3D软件内置的FISH语言进行二次开发，编写了工作面冲击危险区域的求解命令，随后调用上述FISH函数对当前工作面进行分段开挖，对工作面不同区域进行冲击危险性求解并根据下表确定等级，表中K为冲击地压危险性指数
类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
冲击危险等级 无 弱 中等 强
K值 K＜0.25 0.25≤K＜0.5 0.5≤K＜0.75 0.75≤K＜1
当K＜0.25时，该区域受工作面回采应力扰动影响较小，冲击危险等级为“无”冲击危险；当0.25≤K＜0.5时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度有所上升，冲击危险等级为“弱”冲击危险；当0.5≤K＜0.75时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度继续升高，冲击危险等级为“中等”冲击危险；当0.75≤K＜1时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度较高，在工作面回采期间该区域极易发生冲击地压，冲击危险等级为“强”冲击危险。
实施例
某矿在工作面回采期间，工作面附近区域大能量矿震频发，推进位置附近支架破坏严重，巷道破坏表现为顶板下沉、帮鼓和底鼓现象。下面结合本发明中基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，对工作面回采期间各回采阶段不同区域冲击地压危险性等级进行评价，具体实施步骤如下：
冲击地压的发生和煤层埋深有一定关系，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大，故根据某矿102工作面采掘平面图及综合柱状图。按照地层系统将该矿由上至下分成“第四系组”、“华池组”、“洛河组”、“安定组”、“延安组二段组”、“4煤组”、“胡家村组”、“底板组”8个组，随即对工作面范围内的所有钻孔柱状图进行汇总，统计以上岩层分组顶、底板的高程值H；
将各个岩层分组统计的高程数据表导入至Surfer软件，通过线性插值法在各个钻孔柱状图统计的高程值点之间连线以建立起若干个三角形，构成一张覆盖格网范围的网，最后根据各点高程值大小进行拟合，绘制出该岩层分组的底板高程等值线图，随后导出为.dxf格式文件备用；
煤岩体中的应力条件是影响冲击地压的最主要因素，直接受煤岩体中的地质构造的影响。本方法将各个岩层分组顶底板高程等值线图导入至Rhino软件，依次对等值线进行分段、网格生成、布帘等操作，根据该矿井的实际大小输入顶、底点坐标，截取出所需的各岩层分组曲面大小，能够直接反映出各岩层顶、底板的地质构造条件；
依次对各岩层分组的顶底板曲面四周的边界线进行放样，生成四个边界曲面，随后将6个封闭曲面组合成封闭实体，运用Rhino自带的插件Griddle将各岩层分组根据网格划分原则划分所需要的网格尺寸，最后导出为.f3grid文件备用；
“4煤组”：倾向及走向方向网格尺寸不大于模型尺寸的0.5％，垂直方向上网格尺寸不大于煤层分组厚度的20％；
“安定组”、“延安组二段组”、“胡家村组”、“底板组”：倾向及走向方向网格尺寸不大于模型尺寸的1％，垂直方向上网格尺寸不大于对应岩层分组厚度的25％；
“第四系组”、“华池组”、“洛河组”：倾向及走向方向网格尺寸不大于模型尺寸的2％，垂直方向上网格尺寸不大于对应岩层分组厚度的30％。
将划分好的岩层分组.f3grid文件导入Flac3D中，Rhino软件中各岩层分组图层名即为分组名，煤岩体中的应力条件与煤岩物理力学性质有关，本方法根据矿井勘探成果对各岩层分组进行物理参数赋值，各岩层分组物理属性见下表：
Figure BDA0002986047390000121
在众多的数值模拟中，初始地应力场的施加是最容易被忽略的一个问题，在通过fix命令限制住边界位移条件后往往通过apply、initial分别施加一个边界应力和一个模型内部应力，这样的通过线性关系对模型施加初始应力的方式，由于构造应力分布规律复杂多变，往往无法模拟出较为真实的矿井应力环境。本方法基于某矿真实的地应力实测值，通过对x、y、z方向应力分量的非线性拟合后得到随埋深非线性变化的应力方程式，随后编写fish函数在模型边界施加初始应力载荷进行真实的初始应力场反演。随后按照矿井实际，对主要大巷进行开挖，计算至平衡。
根据矿井实际采掘接替顺序对模型进行开挖，对矿井首采面101工作面进行开挖，每次进尺为20m，计算时步为3000步。
待101工作面开挖结束即可调用FISH函数并对102工作面进行开挖，每次进尺为5m，计算时步为5000步。根据最小能量原理，煤岩体在三向应力状态作用下，积聚了大量的弹性能，当破坏一旦启动后，岩体应力重新调整，应力状态即迅速转变为二向，最终转变为单向应力状态，其破坏真正需要消耗的能量总是呈单向应力状态的破坏能量，故根据S41可计算工作面不同区域单位体积煤岩体所积聚的弹性能M，根据S42可计算工作面不同区域单位体积的煤岩体产生动力破坏所需的最低总能量N。
随后输出冲击地压危险性指数K值，当K＜0.25时，该区域受工作面回采应力扰动影响较小，冲击危险等级为“无”冲击危险；当0.25≤K＜0.5时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度有所上升，冲击危险等级为“弱”冲击危险；当0.5≤K＜0.75时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度继续升高，冲击危险等级为“中等”冲击危险；当0.75≤K＜1时，该区域受工作面回采应力扰动影响程度较高，在工作面回采期间该区域极易发生冲击地压，冲击危险等级为“强”冲击危险。对102工作面回采期间不同区域冲击危险程度进行划分，获得不同区域的冲击地压危险等级评定。
Figure BDA0002986047390000131
该基于数值反演的采场冲击危险性评估方法采用矿井钻孔柱状图的岩层数据进行精细化建模，能够有效的模拟出矿井实际的地质构造情况，提高冲击危险的评价准确度，同时依据矿井实际的采掘接替顺序对初始平衡计算后的模型进行开挖，所涉及的冲击危险评价更符合矿井实际情况，准确度更高，且采用煤岩体积累的弹性能与产生动力破坏所需的最小能量的比值大小作为判据，对工作面精准的进行支护和卸压措施，确定的冲击危险等级评价更具准确性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采集矿井建模数据，构建三维地质精细化模型包括：
S1、收集矿井地质资料，包括采掘平面图、钻孔柱状图，掌握煤层、上覆岩层其下覆岩层的物理力学性质，按照地层系统分成若干岩层分组，根据矿井范围内的所有钻孔柱状图，统计各岩层分组顶、底板的高程值H；
S2、根据矿井的实际规模，确定所建模型的走向及倾向长度分别为X、Y，在Surfer软件中按照模型尺寸根据S1中统计的各岩层分组顶、底板的高程值H绘制出相应岩层分组的顶、底板的值线图；
S3、根据矿井岩层分组情况，先在Rhino软件中生成最上层岩层分组的顶、底板曲面，然后在顶、底板曲面四周生成四个边界曲面，组合为一个封闭实体，即为模型最上层岩层分组，并将分组图层名更改为相应的岩层名称；
S4、依次对下覆岩层分组重复S3步骤，直至生成模型的最下层岩层分组，随后对整个模型进行网格划分；
S5、在Flac3D软件中依次导入以上划分好的岩层分组，根据矿井勘探成果对各岩层分组进行物理参数赋值；
步骤二、根据非线性初始地应力反演方法对所建模型进行平衡计算；
步骤三、根据矿井实际采掘顺序，对主要大巷进行开挖，计算至平衡；
步骤四、调取相应的FISH函数，获取冲击地压危险性指数K并进行危险等级评定。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤一的S2中模型的轴向及倾向长度X、Y分别为矿井实际走向、倾向长度的1.1倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤一的S4中对整个模型进行网格划分的原则为：
煤层分组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的0.5％，垂直方向上网格尺寸小于等于煤层分组厚度的20％；
煤层上覆及下覆岩层分组第1组、第2组、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的1％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的25％；
煤层上覆及下覆岩层分组第i组(i＞2)、倾向及走向方向网格尺寸小于等于模型尺寸的2％，垂直方向上网格尺寸小于等于对应岩层分组厚度的30％。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤一的S5中煤岩体中的应力条件与煤岩体物理力学性质有关，S5中的物理参数包含煤岩体密度、泊松比、粘聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量。
5.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤二中非线性初始地应力反演方法为
σxx＝a1x2+b1x+c1
σyy＝a2x2+b2x+c2
σzz＝a3x2+b3x+c3
式中，σxx、σyy、σzz分别为Matlab曲线拟合工具箱对矿井地应力实测值所拟合出来的x、y、z方向上应力加载函数方程式，a、b、c为系数值，在对模型x、y、z方向上进行位移约束后，根据上述应力加载函数方程式编写FISH函数对模型进行初始地应力平衡计算。
6.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤三中在对已回采工作面进行开挖时，每次进尺20m，计算时步为3000，而针对当前所需要冲击危险评估的工作面，每次进尺5m，计算时步为5000步，为评价当前工作面冲击危险性提供较为真实的采掘应力环境。
7.根据权利要求1所述的一种基于数值反演的采场冲击危险性评估方法，其特征在于：所述步骤四中冲击地压危险性指数K的计算方法为：
①、根据下述公式可计算工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体积聚的弹性能大小：
Figure FDA0002986047380000031
其中，E为煤岩体弹性模量；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，ν为煤岩体泊松比；
②、根据下述公式可计算回采工作面各回采阶段不同区域单位体积的煤岩体产生动力破坏所需的最低总能量：
Figure FDA0002986047380000041
其中，E为煤岩体弹性模量，σc为煤岩体抗压强度大小；
③、根据①、②确定冲击地压危险性指数K：
Figure FDA0002986047380000042
④、根据①、②和③通过Flac3D软件内置的FISH语言进行二次开发，编写了工作面冲击危险区域的求解命令，随后调用上述FISH函数对当前工作面进行分段开挖，对工作面各回采阶段不同区域冲击危险性指数K进行求解从而确定等级。
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