CN113279813B - 一种基于动载的巷道支护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动载的巷道支护方法，包括：监测矿井矿震事件，获取震源位置、矿震能级及震波数据；根据矿井真实地质条件，构建矿井的三维数值模型；在模型的震源位置处施加震波数据，进行动载模拟计算，以获取在不同矿震能级和距离d下，从巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed；其中，距离d为震源距巷道壁的距离；构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系；根据具体矿井不同能级矿震分布，优化巷道支护布局，确定合理支护方案，以提高围岩稳定性。本发明能够精准化增强巷道支护强度，提高巷道围岩稳定性，优化支护布局，适用于矿震、冲击地压频发的矿井巷道支护设计。

Description

一种基于动载的巷道支护方法
技术领域
本发明涉及强矿震、岩爆和冲击地压灾害防治技术领域，特别涉及一种基于动载的巷道支护方法。
背景技术
岩爆和冲击地压作为非煤矿山和煤矿主要的动力灾害，破坏性大，常造成井巷破坏、人员伤亡、设备损坏。随着经济发展矿产资源需求不断增加，开采深度逐年递增。深部工程“三高一扰动”的恶劣地质力学环境使得岩爆和冲击地压灾害形势越发严峻，发生强度和频率都处于增加趋势。同时，由于应力集中，矿震事件频发，给巷道维护提出了更大挑战。对巷道支护的研究已成为矿业界的热点课题。
巷道是矿震、岩爆和冲击地压破坏显现的主要区域，其主要原因是巷道开挖破坏了围岩应力环境且巷道的开挖为矿震、岩爆和冲击地压提供了释放的空间。巷道支护是常见的提高巷道围岩稳定性，降低矿震、岩爆和冲击地压对巷道的破坏程度的方法。然而，随着采深的增加，矿震等事件增多，破裂震源产生的震动波传播到巷道围岩区域常诱发巷道破坏，严重时与周围静态应力叠加诱发冲击地压，岩爆等灾害。现在常用的巷道支护方法主要依据静态应力集中程度在巷道围岩按统一标准布置支护装置，没有考虑动载作用。而随着采深增加动载对诱发巷道破坏的可能性呈上升趋势，可见，有必要提出一种基于动载的巷道支护方法，既可提高巷道稳定性，减弱岩爆等灾害显现强度，又可以根据矿震频繁发生位置和静载应力优化巷道支护布局，对震动波扰动强烈区域加强支护，对危险较低区域可适当降低支护装置数量，降低支护成本。
发明内容
本发明提供了一种基于动载的巷道支护方法，以解决现有巷道支护方法在进行巷道支护设计时没有考虑动载作用，由此造成巷道稳定性不佳的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种基于动载的巷道支护方法，包括：
监测矿井矿震事件，以获取矿震事件的震源位置、矿震能级及震波数据；
根据矿井真实地质条件，构建矿井的三维数值模型；
在所述三维数值模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，以获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed；其中，距离d为震源距巷道壁的距离；
基于动载模拟结果，构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系；
基于Ed与矿震能级及距离d的函数关系，根据待进行巷道支护区域的不同能级矿震分布，对待进行巷道支护区域进行支护布局优化，确定巷道支护方案。
进一步地，所述监测矿井矿震事件，以获取矿震事件的震源位置、矿震能级及震波数据，包括：
在矿井预设区域布置微震监测系统，以对矿井矿震事件进行监测；
根据监测结果，统计预设区域矿震事件的震源位置和矿震能级；
基于震源位置和微震监测系统的传感器位置，根据经验标度定律，推算出微震监测系统监测到的矿震事件震源波形大小；
处理震源矿震事件原始波形，得到P波和S波；
根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，确定波传播特征；其中，ES表示震源微震波形拆分出的S波的能量，EP表示震源微震波形拆分出的P波的能量；
在所述三维数值模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，包括：
按波传播特征在所述三维数值模型的震源位置施加对震源矿震事件原始波形进行处理后所得到的P波和S波，进行动载模拟计算。
进一步地，所述基于震源位置和微震监测系统的传感器位置，根据经验标度定律，推算出微震监测系统监测到的矿震事件震源波形大小，通过下式实现：
Figure BDA0003093680870000021
其中，Vb(t)表示矿震事件震源波形大小，Va(t)表示微震监测系统的传感器采集的震动波质点振动速度，PPVa表示微震监测系统的传感器接收到的震动波质点峰值振动速度，PPVb表示震源位置震动波质点峰值振动速度。
进一步地，logR·PPVb＝a*logM0+logC*；其中，R表示震源到目标研究点的距离；M0表示地震距；A*和C*为经验常数。
进一步地，所述处理震源矿震事件原始波形，得到P波和S波，包括：
基于同步压缩变换方法，从震源矿震事件原始波形中提取P波和S波。
进一步地，所述根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，包括：
当ES/EP<10时，确定矿震破坏类型为张拉破裂；
当10≤ES/EP≤20时，确定矿震破坏类型为混合破裂；
当ES/EP>20时，确定矿震破坏类型为剪切破裂。
进一步地，所述获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed，包括：
统计被推出岩体的体积，并根据岩体密度计算被推出岩体的质量m；
布置测点监测动载模拟整个过程中被推出岩体的速度v的变化；
根据公式
Figure BDA0003093680870000031
计算在不同矿震能级和距离d下，被推出岩体具有的动能Ed；其中，Ed即为支护装置需要抵御的最小扰动能量。
进一步地，Ed与矿震能级的函数关系为：震源距巷道壁距离固定时，Ed随矿震能级增加的变化规律；
Ed与距离d的函数关系为：矿震能级固定时，Ed随距离d变化的变化规律。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明通过监测矿井矿震事件，获取震源位置、矿震能级及震波数据；根据矿井真实地质条件，构建矿井的三维数值模型；在三维模型的震源位置处施加震波数据，进行动载模拟计算，以获取在不同矿震能级和距离d下，从巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed；其中，距离d为震源距巷道壁的距离；构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系；根据具体矿井不同能级矿震分布，优化巷道支护布局，确定合理支护方案；可以显著提高巷道稳定性，从而降低巷道动力灾害发生的危险，特别适用于强矿震、岩爆、冲击地压易发矿井。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的基于动载的巷道支护方法的流程示意图；
图2为本发明第一实施例提供的基于动载的巷道支护方法的具体流程图；
图3为本发明第二实施例提供的矿井微震监测系统传感器采集到的A矿震事件原始波形示意图；
图4为本发明第二实施例提供的根据A矿震事件震源位置和传感器位置计算的震源波形示意图；
图5为本发明第二实施例提供的A事件震源波形经同步压缩处理后得到的P波和S波波形示意图；其中，(a)为P波的波形，(b)为S波的波形；
图6为本发明第二实施例提供的监测点布置示意图；
图7为本发明第二实施例提供的A矿震事件处理好的震动波在模型震源处加载进行动载计算后巷道某截面的监测结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
请参阅图1和图2，本实施例提供了一种基于动载的巷道支护方法，该巷道支护方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：
S1，监测矿井矿震事件，获取矿震事件的震源位置、矿震能级及震波数据；
S2，根据矿井真实地质条件，构建矿井的三维数值模型；
S3，在三维数值模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，以获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed；其中，距离d为震源距巷道壁的距离；
S4，基于动载模拟结果，构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系；
S5，基于Ed与矿震能级及距离d的函数关系，根据具体矿井的不同能级矿震分布，对待支护区域进行支护布局优化，确定支护方案，提高围岩稳定性。
具体地，如图2所示，上述S1包括以下步骤：
S11，在矿井重点区域布置微震监测系统，以对矿井矿震事件进行监测；
S12，根据监测结果，统计重点区域矿震事件位置和矿震能级；
S13，基于微震事件震源位置和微震监测系统的传感器位置，根据经验标度定律，推算出微震监测系统监测到的矿震事件震源波形大小；
S14，处理震源矿震事件原始波形，得到P波和S波；
S15，根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，确定波传播特征；其中，ES表示震源微震波形拆分出的S波的能量，EP表示震源微震波形拆分出的P波的能量。
相应地，上述S3具体为：按波传播特征在三维数值模型的震源位置施加经上述步骤处理好的信号波，进行动载模拟计算。
其中，上述S13中矿震事件震源波形大小Vb(t)通过下式计算：
Figure BDA0003093680870000051
其中，Va(t)表示微震监测系统的传感器采集的震动波质点振动速度，PPVa表示微震监测系统的传感器接收到的震动波质点峰值振动速度，PPVb表示震源位置震动波质点峰值振动速度；logR·PPVb＝a*logM0+logC*；R表示震源到目标研究点的距离；M0表示地震距；A*和C*为经验常数。
上述S14中对于震源矿震事件原始波形的处理具体为：基于同步压缩变换方法，将P波和S波从细微差别的混合波中提取出来。
上述S15中根据ES/EP大小确定矿震破坏类型具体为：
当ES/EP<10时，确定矿震破坏类型为张拉破裂；
当10≤ES/EP≤20时，确定矿震破坏类型为混合破裂；
当ES/EP>20时，确定矿震破坏类型为剪切破裂。
上述S3中获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed，包括以下步骤：
S31，统计重点区域巷道围岩某区域应力σ＝0的岩体(被推出岩体)体积，并根据相应的岩体密度，计算出σ＝0的岩体质量m；
S32，布置测点监测动载模拟整个过程中岩体的速度v的变化；根据公式
Figure BDA0003093680870000052
计算从围岩推出质量m的岩体(推出意味着这个区域应力σ＝0)具有的动能Ed，Ed就是支护装置需要抵御的最小扰动能量。
上述S4所构建的构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系具体如下：
Ed与矿震能级的函数关系为：震源距巷道壁距离固定时，Ed随矿震能级增加的变化规律；
Ed与距离d的函数关系为：矿震能级固定时，Ed随距离d变化的变化规律。
综上，本实施例通过监测矿井矿震事件，获取震源位置、矿震能级及震波数据；根据矿井真实地质条件构建矿井的三维数值模型；在三维模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，获取在不同矿震能级和距离d下，从巷道围岩推出岩体时被推出岩体具有的动能Ed；根据具体矿井不同能级矿震分布，优化巷道支护布局，确定合理支护方案；从而能够显著提高巷道稳定性，进而降低巷道动力灾害发生的危险，特别适用于强矿震、岩爆、冲击地压易发矿井。
第二实施例
请参阅图3至图7，本实施例采用一个具体的应用实例作为示例来对本发明的基于动载的巷道支护方法的实现过程及最终效果进行详细说明，其中，在实际应用中，示例煤矿煤层倾角87°，采用水平分段放顶煤方式开采，采煤高度为3m，放煤高度为22m。本实施例以具有冲击地压危险的某工作面微震监测系统监测到的2016年10月24日至2017年5月26日的矿震事件位置、能级大小和原始震动波形作为原始数据，利用本发明的方法对原始数据处理分析，进行动载模拟计算，最终实现优化的巷道支护方案，其实现过程具体如下：
(1)布置微震监测系统，对矿井矿震事件进行监测。
(2)统计重点区域矿震事件位置和矿震能级，得到结果：岩柱微震事件占比60％、顶板占比17％。
(3)基于A矿震事件震源位置和传感器位置及微震传感器监测到的如图3所示的A矿震事件原始波形，计算微震系统监测到的矿震事件震源波形大小，其中，A矿震事件能量为2.1×108J。震源波形数值Vb(t)可由下式计算：
Figure BDA0003093680870000061
其中，logR·PPVb＝a*logM0+logC*，Va(t)表示微震传感器采集的震动波质点振动速度；PPVa表示传感器接收到的震动波质点峰值振动速度；PPVb表示震源位置震动波质点峰值振动速度；R表示震源到目标研究点的距离；M0表示为地震距；a*和C*为经验常数，计算结果如图4所示。
(4)基于同步压缩变换方法，处理震源矿震事件原始波形，将P波和S波从细微差别的混合波中提取出来，处理得到的P波和S波如图5所示。
(5)根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，确定波传播特征，ES/EP为震源微震波形拆分出的S波的能量和P波的能量比值，破坏类型分为张拉破裂(ES/EP<10)、混合破裂(10≤ES/EP≤20)和剪切破裂(ES/EP>20)。计算得出ES/EP＝2.73，A事件为张拉破裂产生。
(6)根据矿井真实地质条件构建三维数值模型。
(7)按波传播特征在三维模型震源位置施加处理好的信号波，进行动载模拟计算，其中，监测点的布置如图6所示，最终的计算结果如图7所示，靠近震源侧的巷道肩角(c点位置)被推出的最严重，数值模拟结果与现场一致。
(8)统计重点区域巷道围岩某区域σ＝0的岩体体积，并根据相应的岩体密度，计算出岩体的质量m。
(9)布置测点监测动载模拟整个过程中速度v的变化，根据公式
Figure BDA0003093680870000071
计算从围岩推出质量m的岩体具有的动能Ed，Ed就是支护装置需要抵御的最小扰动能量。
(10)同理、动载模拟其它能级和距离d，构建Ed与矿震能级和距离d的函数关系。其中，距离d为震源距巷道壁的距离。
(11)对于示例矿井，历年来顶板发生的微震事件最大能级为2.1×108J，顶板侧肩角受影响最为严重，依照上述计算机模拟结果优化巷道支护布局，从而加强顶板侧支护强度，确定合理支护，最终可提高围岩稳定性。
此外，需要说明的是，在本文中，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过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (7)

1.一种基于动载的巷道支护方法，其特征在于，包括：
监测矿井矿震事件，以获取矿震事件的震源位置、矿震能级及震波数据；
根据矿井真实地质条件，构建矿井的三维数值模型；
在所述三维数值模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，以获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed；其中，距离d为震源距巷道壁的距离；
基于动载模拟结果，构建Ed与矿震能级及距离d的函数关系；
基于Ed与矿震能级及距离d的函数关系，根据待进行巷道支护区域的不同能级矿震分布，对待进行巷道支护区域进行支护布局优化，确定巷道支护方案；
所述监测矿井矿震事件，以获取矿震事件的震源位置、矿震能级及震波数据，包括：
在矿井预设区域布置微震监测系统，以对矿井矿震事件进行监测；
根据监测结果，统计预设区域矿震事件的震源位置和矿震能级；
基于震源位置和微震监测系统的传感器位置，根据经验标度定律，推算出微震监测系统监测到的矿震事件震源波形大小；
处理震源矿震事件原始波形，得到P波和S波；
根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，确定波传播特征；其中，ES表示震源微震波形拆分出的S波的能量，EP表示震源微震波形拆分出的P波的能量；
在所述三维数值模型的震源位置施加震波数据，进行动载模拟计算，包括：
按波传播特征在所述三维数值模型的震源位置施加对震源矿震事件原始波形进行处理后所得到的P波和S波，进行动载模拟计算。
2.如权利要求1所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，所述基于震源位置和微震监测系统的传感器位置，根据经验标度定律，推算出微震监测系统监测到的矿震事件震源波形大小，通过下式实现：
Figure FDA0003415067210000011
其中，Vb(t)表示矿震事件震源波形大小，Va(t)表示微震监测系统的传感器采集的震动波质点振动速度，PPVa表示微震监测系统的传感器接收到的震动波质点峰值振动速度，PPVb表示震源位置震动波质点峰值振动速度。
3.如权利要求2所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，logR·PPVb＝a*logM0+logC*；其中，R表示震源到目标研究点的距离；M0表示地震距；A*和C*为经验常数。
4.如权利要求1所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，所述处理震源矿震事件原始波形，得到P波和S波，包括：
基于同步压缩变换方法，从震源矿震事件原始波形中提取P波和S波。
5.如权利要求1所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，所述根据ES/EP大小确定矿震破坏类型，包括：
当ES/EP<10时，确定矿震破坏类型为张拉破裂；
当10≤ES/EP≤20时，确定矿震破坏类型为混合破裂；
当ES/EP>20时，确定矿震破坏类型为剪切破裂。
6.如权利要求1所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，所述获取在不同矿震能级和距离d下，从矿井待进行巷道支护区域的巷道围岩推出岩体时，被推出岩体具有的动能Ed，包括：
统计被推出岩体的体积，并根据岩体密度计算被推出岩体的质量m；
布置测点监测动载模拟整个过程中被推出岩体的速度v的变化；
根据公式
Figure FDA0003415067210000021
计算在不同矿震能级和距离d下，被推出岩体具有的动能Ed；其中，Ed即为支护装置需要抵御的最小扰动能量。
7.如权利要求1所述的基于动载的巷道支护方法，其特征在于，Ed与矿震能级的函数关系为：震源距巷道壁距离固定时，Ed随矿震能级增加的变化规律；
Ed与距离d的函数关系为：矿震能级固定时，Ed随距离d变化的变化规律。
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