CN113756871A - 一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法及系统，方法步骤是：①在坚硬顶板处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验；②测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度；③计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin；④计算坚硬顶板的初始应力；⑤采用光纤光栅孔径变形计在线实时监测坚硬顶板的相对应力；⑥计算坚硬顶板的实时应力；⑦计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3；⑧通过比较Ufmin和U3对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。系统包括光纤光栅孔径变形计、光纤光栅解调仪、计算机、不间断电源等。本发明实现了坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，可避免或减少坚硬顶板型冲击事故的发生，保证井下人员与设备的安全。
Description
技术领域
本发明涉及冲击地压监测预警技术领域，更具体涉及一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，同时还涉及一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，适用于煤矿、金属矿、施工井的冲击地压(岩爆)监测预警。
背景技术
作为一种煤岩动力灾害形式，冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间释放而产生的突然、剧烈破坏的现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，具有很强的破坏性。随着煤炭资源开采深度的不断增加，冲击地压灾害日益加剧，已成为影响我国煤矿安全生产最为主要的灾害，严重威胁着井下人员和设备的安全。坚硬顶板型冲击地压是一种典型的冲击地压灾害，由于顶板坚硬难以及时垮落，大面积悬顶导致应力集中和能量聚集而引起冲击地压的发生，具有发生频次高、破坏范围广等特点。因此，建立有效的坚硬顶板型冲击地压预警技术，具有重要的工程实际意义。
坚硬顶板型冲击地压的发生机理是：随着工作面回采，坚硬顶板不易及时垮落，导致大量的弹性能在顶板中积聚，顶板一旦发生失稳断裂破坏，将瞬间释放巨大的弹性能，从而诱发煤体破裂，产生向外的抛射运动，最终引起冲击地压的发生。由坚硬顶板型冲击地压的发生机理可知，其根源在于坚硬顶板失稳断裂时释放的大量弹性能。因此，在坚硬顶板型冲击地压中，坚硬顶板为关键致灾部位，而坚硬顶板失稳断裂为主导因素。所以，监测预警坚硬顶板型冲击地压时，应重点监测预警坚硬顶板的断裂危险，当坚硬顶板存在断裂危险时，说明存在冲击地压发生的危险。目前，坚硬顶板型冲击地压的监测预警方法主要包括微震法、煤层应力法、电磁辐射法、钻屑法等，其分别监测微震信号、煤层应力增量、电磁辐射信号、钻屑量等物理量来间接分析煤岩体的应力状态、能量状态及稳定性，从而对冲击地压进行预警。然而，这些预警方法无法直接、准确监测坚硬顶板的应力状态及能量状态，所以预警精度较低。虽然发明专利CN 201910774013.7实现了顶板岩石实时应力的直接监测，但其判别顶板岩石是否破裂的判据是应力的大小，科学性不足，这是因为在岩石变形破坏及冲击地压发生过程中应力状态的变化是十分复杂的，具有一定程度的不确定性。同时，该发明专利监测的是普遍意义上的顶板岩石，并未明确监测坚硬顶板，针对性不足。由以上两点可知，发明专利CN 201910774013.7对于坚硬顶板型冲击地压的预警有效性有待提高。因此，如何实现坚硬顶板型冲击地压的高效预警，是当前本领域技术人员亟待解决的技术问题和难点。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，方法易行，操作简便，可对坚硬顶板型冲击地压灾害进行实时预警，保证了井下人员与设备的安全。
本发明的另一个目的是在于提供了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，结构简单，使用方便，采用不间断电源进行供电，可实现坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，避免因短暂停电而导致无法预警的情况，提升了该预警系统的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其步骤是：
A、在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验：光纤光栅孔径变形计，是以光纤光栅为测量应变元件的应力传感器，防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳，其中，光纤光栅是一种通过光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅；
B、测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度：待套芯应力解除试验结束之后，收集监测位置处的岩芯，对岩芯进行室内试验，测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度；
C、利用弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin：利用步骤B中获取的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin；
D、利用套芯应力解除试验的数据和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的初始应力：利用步骤A中获取的应力解除数据和步骤B中获取的弹性模量、泊松比，通过三维应力计算公式得到坚硬顶板的初始应力；
E、采用光纤光栅孔径变形计，在线实时监测坚硬顶板的相对应力：将光纤光栅孔径变形计再次安装于监测位置处的钻孔中，然后采用光纤光栅孔径变形计在线实时监测坚硬顶板的相对应力；
F、利用初始应力和相对应力，计算坚硬顶板的实时应力：利用步骤D中获取的初始应力和步骤E中获取的相对应力，通过两者叠加的计算方式，计算坚硬顶板的实时应力；
G、利用实时应力和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3：利用步骤F中获取的实时应力和步骤B中获取的弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3；
H、将实时弹性能密度U3和最小能量Ufmin进行比较，利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警：实时弹性能密度U3大于最小能量Ufmin时，说明存在发生坚硬顶板型冲击地压的危险，立即发出预警信号；反之，则不发出预警信号，实现坚硬顶板型冲击地压的实时预警。
优选地，所述的在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验，包括：
所述的坚硬顶板为坚硬顶板型冲击地压的关键致灾部位，即厚度较大且岩性坚硬的顶板。
优选地，所述的计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin，包括：
由岩体动力破坏的最小能量原理可知，所述的最小能量Ufmin的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σc为单轴抗压强度，τc为单向抗剪强度。
优选地，所述的计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3，包括：
由弹性理论可知，所述的实时弹性能密度U3的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σ1、σ2和σ3分别为实时应力中的第一、第二和第三主应力。
优选地，所述的利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警，包括：
利用双网卡计算机在局域网和互联网内对所述的坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。
在上述八个步骤中，步骤C、步骤G、步骤H是关键步骤。其中，步骤C得到了岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin，步骤G得到了坚硬顶板的实时弹性能密度U3，步骤H通过比较U3和Ufmin实现了坚硬顶板型冲击地压的实时预警。
本发明与现有技术相比，采用光纤光栅作为测量元件，监测信号稳定灵敏，提升了坚硬顶板实时应力及实时弹性能密度的监测精度；采用光纤光栅孔径变形计，实现了坚硬顶板应力状态及能量状态的直接、长期监测，可及时掌握坚硬顶板应力场及能量场的变化情况；采用能量指标作为顶板断裂的预警指标，提升了坚硬顶板型冲击地压的预警准确度，避免了或减少了坚硬顶板型冲击事故的发生，保证了井下人员与设备的安全。
本发明在某矿具有坚硬顶板的采煤工作面进行了现场试验。在该现场试验中，于坚硬顶板处布置了一个监测位置。通过室内试验，测量得到监测位置处坚硬顶板的弹性模量E＝24.85GPa、泊松比μ＝0.24，单轴抗压强度σc＝96.34MPa，单向抗剪强度τc＝30.25MPa。根据公式(1)，计算得到岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin＝45.66kJ/m3。随着工作面的推进，监测位置处坚硬顶板的实时应力(σ1，σ2，σ3)、实时弹性能密度U3的变化曲线分别如图1、图2所示。由图2可知，在工作面回采期间，监测位置处坚硬顶板的实时弹性能密度U3一直小于岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin，表明该位置一直未出现冲击地压发生危险。在实际情况中，工作面安全、顺利地通过了该监测位置，表明本发明的预警结果与现场实际情况相符。在现场试验中，监测信号稳定灵敏，实现了坚硬顶板应力状态及能量状态的直接、长期监测，准确判别了坚硬顶板型冲击地压危险性，有效指导了矿井安全生产。
一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，该系统包括：光纤光栅孔径变形计(普通)、本安型光纤光栅解调仪(普通)、隔爆不间断电源(普通)、监控计算机(普通)、实时预警软件(普通)、UPS不间断电源(普通)、阻燃通信光缆、阻燃电缆、局域网、普通电缆、互联网，其连接关系是：光纤光栅孔径变形计与光纤光栅解调仪间采用阻燃通信光缆连接，连接点采用热熔式连接或者插拔式连接。光纤光栅解调仪与隔爆不间断电源间采用阻燃电缆连接，隔爆不间断电源与外部供电连接。井下的光纤光栅解调仪与井上的监控计算机之间采用局域网连接，通过局域网进行数据传输。监控计算机与UPS不间断电源间采用普通电缆连接，UPS不间断电源与外部供电连接。实时预警软件安装在监控计算机中，监控计算机与互联网连接。
优选地，所述的光纤光栅孔径变形计安装于地下的(任意坚硬顶板处)监测位置。
优选地，所述的监控计算机采用双网卡通讯，一端连接局域网，另一端连接互联网。
上述11个部件，可实现坚硬顶板型冲击地压的在线、主动、实时预警，节省人工钻取钻屑检测孔、人工分析微震数据等人力及资金支出，节约生产成本。在上述11个部件中，隔爆不间断电源和UPS不间断电源为关键部件。隔爆不间断电源一端通过阻燃电缆与光纤光栅解调仪相连，另一端与外部供电相连；UPS不间断电源一端通过普通电缆与监控计算机相连，另一端与外部供电相连。采用隔爆不间断电源和UPS不间断电源进行供电，避免了因外部供电暂停而导致无法预警的情况，有效地提升了预警系统的可靠性。
根据坚硬顶板型冲击地压发生机理可知，坚硬顶板的断裂危险表征着冲击地压的发生危险，而顶板断裂归根到底是能量驱动下的一种状态失稳现象。由此可见，基于能量理论建立顶板断裂的预警指标，从而建立坚硬顶板型冲击地压的预警指标是一条有效途径。根据岩体动力破坏的最小能量原理可知，无论岩体在初始时以何种应力状态存在，一旦失稳，破坏启动，其破坏真正需要消耗的能量总是单向应力状态的破坏能量，即
或
其中E、μ、σc、τc分别为弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、单向抗剪强度。也就是说，坚硬顶板发生断裂所需的最小能量为
或
因此，当坚硬顶板的弹性能密度超过坚硬顶板断裂所需的最小能量时，就产生了顶板断裂的危险，从而产生了发生坚硬顶板型冲击地压的危险。基于此，在本方法中，首先采用防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳的光纤光栅孔径变形计在位于坚硬顶板的监测位置处进行套芯应力解除试验，然后待套芯应力解除试验结束之后，收集监测位置处的岩芯，测量该岩芯的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，并利用上述岩石力学参数计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin。接着，利用应力解除数据和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的初始应力。随后，采用光纤光栅孔径变形计，在线实时监测坚硬顶板的相对应力。接着，利用初始应力和相对应力，获取坚硬顶板的实时应力。再接着，利用实时应力和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3。最后，通过比较U3和Ufmin，对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。可见，本方法根据坚硬顶板实时应力的监测结果，基于岩体动力破坏的最小能量原理，实现了坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，可广泛应用于地下矿井，避免或减少坚硬顶板型冲击事故的发生，保证井下人员与设备的安全。
相应地，本发明还提供了与上述坚硬顶板型冲击地压实时预警方法相对应的坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，具有上述技术效果，同时其采用不间断电源进行供电，可避免因短暂停电而导致无法预警的情况，提升了预警系统的可靠性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、井下处于强电磁场环境，而电磁辐射的频率比光波低很多，因此采用光纤光栅作为测量元件，可使监测信号免受电磁干扰的影响，有效提升了坚硬顶板实时应力及实时弹性能密度的监测精度。
2、实现了坚硬顶板应力状态及能量状态的直接、长期监测，可及时掌握坚硬顶板应力场及能量场的变化情况，为坚硬顶板型冲击地压的预警提供了非常有力的技术基础。
3、在岩石变形破坏及冲击地压发生过程中应力状态的变化是十分复杂的，具有一定程度的不确定性，由于这种不确定性，简单地以应力大小作为顶板断裂判据是不够科学的，而顶板断裂归根到底是能量驱动下的一种状态失稳现象，因此采用能量指标作为顶板断裂的预警指标，可有效提升坚硬顶板型冲击地压的预警准确度，避免或减少坚硬顶板型冲击事故的发生，保证井下人员与设备的安全。
4、实现了坚硬顶板型冲击地压的在线、主动、实时预警，可节省人工钻取钻屑检测孔、人工分析微震数据等人力及资金支出，有效节约了生产成本。
5、采用不间断电源进行供电，可避免因短暂停电而导致无法预警的情况，有效提升了预警系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，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为现场试验中，监测位置处坚硬顶板的实时应力随着工作面推进的变化曲线图；
图2为现场试验中，监测位置处坚硬顶板的实时弹性能密度随着工作面推进的变化曲线图；
图3为一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法的实施流程图；
图4为一种主应力与孔径变形关系示意图；
图5为一种钻孔与其局部坐标系关系示意图；
图6为一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统的结构示意图；
其中：1－光纤光栅孔径变形计、2－光纤光栅解调仪、3－隔爆不间断电源、4－监控计算机、5－实时预警软件、6－UPS不间断电源、7－阻燃通信光缆、8－阻燃电缆、9－局域网、10－普通电缆、11－互联网。
图7为一种光纤光栅孔径变形计的安装位置示意图，其中，(a)为平面示意图，(b)为S-S剖面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
根据图3可知，一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其步骤是：
S1、在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验。
光纤光栅孔径变形计，是以光纤光栅为测量应变元件的应力传感器。其中，光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。光栅光纤具有体积小、熔接损耗低、抗电磁干扰、信号稳定灵敏、全兼容于光纤等优点，并且其谐振波长对温度、应变等外界参量的变化比较敏感，因此可用于制作光纤光栅孔径变形计。具体的，光纤光栅孔径变形计的具体工作原理、内部结构和使用方法等均可参照现有的光纤光栅孔径变形计(实用新型专利CN 201821255732.5、实用新型专利CN201720750949.2)的相关介绍，在此不再一一赘述。
其中，光纤光栅孔径变形计具有防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳等特点。考虑到一般情况下，顶板破裂时，传感器监测得到的拉应力接近20MPa；在工作面回采过程中，顶板实时应力中的最大压应力接近100MPa。因此，为了能够较好地监测坚硬顶板的实时应力，优先采用监测量程最大拉应力不小于20MPa、最大压应力不小于100MPa的光纤光栅孔径变形计。
在本发明实施例中，对光纤光栅孔径变形计的数量并不做限定。考虑到在一个监测位置处布置三支传感器，才可监测到该位置处的三维应力状态。因此在实际应用中，可根据现场情况，布置三支或者三的整数倍支。例如，当仅对某个特定地点进行坚硬顶板型冲击地压预警时，则布置三支光纤光栅孔径变形计即可；当需要对n个地点进行坚硬顶板型冲击地压预警时，则布置3n支光纤光栅孔径变形计。
在实际应用中，还需设置光纤光栅解调仪对光纤光栅孔径变形计的光信号进行解调，获得可被计算机识别的电信号。具体的，光纤光栅解调仪的通道数需要与光纤光栅孔径变形计的个数对应。即在实际应用，需要光纤光栅解调仪有足够数量的通道来连接光纤光栅孔径变形计。一般情况下，一支光纤光栅孔径变形计需要2个通道，32个通道可以连接16支光纤光栅孔径变形计，可以满足实际应用的需求。光纤光栅解调仪连接光纤光栅孔径变形计之后，1个通道最多需要解调出5个波长，通常而言，相邻波长最小间隔为6nm，5个波长需要的波长范围为30nm。为了应对相邻波长间隔大于6nm的情况，光纤光栅解调仪可解调的波长范围应不小于40nm。因为坚硬顶板型冲击地压是一种动力灾害，需要高频监测，以便及时预警，所以光纤光栅解调仪的最大采集频率应不小于25Hz。
在实际应用中，还需要采用隔爆不间断电源给光纤光栅解调仪进行供电，以保证在外部供电暂停期间，光纤光栅解调仪可在隔爆不间断电源内置备用电池的供电期间正常运行。考虑到井下停电时间一般不超过2小时，因此隔爆不间断电源内置备用电池的供电时间应不少于2小时。
在本发明实施例中，被试验、监测的顶板岩石可具体为煤矿井下的坚硬顶板。当然，本发明所提供的坚硬顶板型冲击地压实时预警方法还可用于对其他矿井或施工井下的坚硬顶板进行监测，从而对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警，保证井下人员与设备的安全。在本发明实施例中以煤矿井下为例进行详细说明，在其他井下环境中对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警可参照于此。
其中，关于套芯应力解除试验，其具体实现过程可参见常见的套芯应力解除试验。
S2、测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度。
在本发明实施例中，待套芯应力解除试验结束之后，收集监测位置处的岩芯，对岩芯进行室内试验，测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度。
其中，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变(即应变)，弹性模量的一般定义：单向应力状态下应力除以该方向的应变。材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量，弹性模量的单位：Pa。弹性模量为描述物质弹性的一个物理量，为一个统称，表示方法可以为具体的杨氏模量、体积模量等。泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也称为横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数。单轴抗压强度是指在单轴压缩条件下，岩石能承受的最大压应力，简称抗压强度。单向抗剪强度是指在单向剪切状态下，岩石能承受的最大剪应力。
其中，将监测位置处的岩芯制作成高度为100mm、直径为50mm的标准圆柱样，然后进行室内试验，测量试样的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度。具体的，可采用较为常见的单轴压缩试验来获取弹性模量、泊松比、单轴抗压强度。下面对单轴压缩试验进行简单说明：
单轴压缩试验：在单轴加载条件下，轴向压缩试样至破坏的试验，可用于测量试样的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度等岩石力学参数。
具体的，可采用较为常见的常规三轴压缩试验来获取单向抗剪强度。下面对常规三轴压缩试验进行简单说明：
常规三轴压缩试验：在一定的围压下，轴向压缩试样至破坏的试验，可用于测量试样的三轴压缩强度、黏聚力、内摩擦角等岩石力学参数。其中，黏聚力即为单向抗剪强度。
S3、利用步骤S2中的岩石力学参数，计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin。
获取弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度后，便可计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin。由岩体动力破坏的最小能量原理可知，最小能量Ufmin的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σc为单轴抗压强度，τc为单向抗剪强度。
S4、利用应力解除数据和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的初始应力。
利用步骤S1中获取的应力解除数据和步骤S2中获取的弹性模量、泊松比，通过三维应力计算公式得到坚硬顶板的初始应力
(含义即为初始应力)。
S5、采用光纤光栅孔径变形计，在线实时监测坚硬顶板的相对应力。
将光纤光栅孔径变形计再次安装于监测位置处的钻孔中，然后采用光纤光栅孔径变形计在线实时监测坚硬顶板的相对应力(Δσ1，Δσ2，Δσ3)(含义即为相对应力)。
S6、利用初始应力和相对应力，计算坚硬顶板的实时应力。
获得初始应力和相对应力后，通过两者叠加的计算方式，获取坚硬顶板的实时应力(σ1，σ2，σ3)(含义即为实时应力)。
为便于本领域技术人员更好地理解，在本发明实例中如何采用光纤光栅孔径变形计得到坚硬顶板的实时应力，下面将步骤S4、步骤S5和步骤S6结合起来说明。
光纤光栅孔径变形计测量岩体三维应力的原理为：将光纤光栅孔径变形计安装于钻孔中，通过测量钻孔直径的变化来计算垂直于钻孔轴线平面内的应力状态，并通过三个互不平行钻孔的测量确定一点的三维应力状态。
如图4所示，根据弹性力学理论，可认为钻孔孔壁处于平面应变状态，在垂直于钻孔轴线平面内无穷远处受两主应力作用，任意点A处的孔径变形为：
其中，u为径向位移，d为钻孔直径，E为弹性模量，μ为泊松比，σa与σb分别为作用在垂直于钻孔轴线平面内的两个主应力，θ为图4中孔径变形监测点A与主应力a轴夹角，cos为余弦函数。
更一般的情况，通过坐标变换可得到任意垂直钻孔轴线平面内正应力、剪应力与孔径变形的关系：
其中，u为径向位移，d为钻孔直径，E为弹性模量，μ为泊松比，σxx、σyy、τxy分别为图4所示的平面内x-y坐标系下远离钻孔处的两个正应力及剪应力，f1、f2、f4如下式所示：
其中，θ′为图4中孔径变形监测点A与x轴的夹角，cos为余弦函数，sin为正弦函数。
由式(4)可以看出，只要测得孔壁3个或以上不同位置的孔径(变形)，即可计算得到垂直钻孔轴线平面内的3个应力分量，计算公式如下所示：
其中，up为钻孔孔壁第p个监测点的径向位移，p＝1，2，3；d为钻孔直径；E为弹性模量；μ为泊松比；
(p＝1，2，3)如下式所示：
其中，θp为钻孔孔壁第p个监测点对应直径与x轴的夹角，p＝1，2，3；cos为余弦函数；sin为正弦函数。
一个钻孔中只有三个孔径方向是独立的，即测量一个钻孔只能得到三个独立方程，求解空间六个独立应力分量需要对三个相交于一点(或一个较小区域)且互不平行的钻孔进行孔径变形测量。如图5所示，针对三个钻孔建立局部空间直角坐标系xk-yk-zk(k＝1，2，3)。
求解空间应力分量的步骤如下：
①利用式(6)计算每个钻孔局部坐标系下的三个应力分量
(k＝1，2，3)。
②根据三个钻孔的方位角、倾角，确定三个局部坐标系与大地坐标系的关系，并将三个局部坐标系下的应力分量通过坐标变换用大地坐标系下的六个应力分量表示：
其中，
其中，
为第k个钻孔对应局部坐标系下的应力分量，σmn为大地坐标系下的应力分量，
为局部坐标系
轴与大地坐标系xm轴的方向余弦，
为局部坐标系
轴与大地坐标系xn轴的方向余弦。
③将①中计算得到的局部坐标系下的至少9个应力分量代入式(8)，即可求得大地坐标系下的6个独立应力分量σmn。
④通过求解大地坐标系下应力矩阵的特征值与特征向量即可得到三个主应力及其方向。
根据光纤光栅孔径变形计的波长数据，可以计算得到钻孔孔壁处的孔径变形，从而求得岩体的三维应力。在获取坚硬顶板实时应力的过程中，首先根据套芯应力解除数据(即在套芯应力解除过程中光纤光栅孔径变形计的波长数据)，计算坚硬顶板的初始应力；然后再次于监测位置处安装光纤光栅孔径变形计，根据其波长数据，计算坚硬顶板的相对应力；最后，叠加初始应力和相对应力，获得坚硬顶板的实时应力。
S7、利用实时应力和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3。
获得坚硬顶板的实时应力后，便可计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3。由弹性理论可知，实时弹性能密度U3的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σ1、σ2和σ3分别为实时应力中的第一、第二和第三主应力。具体的，顶板三维应力可用主应力表示，共有9个分量，分别为：第一主应力、第一主应力方位角、第一主应力倾角、第二主应力、第二主应力方位角、第二主应力倾角、第三主应力、第三主应力方位角、第三主应力倾角。三个主应力中，数值最大的为第一主应力，数值最小的为第三主应力，剩余一个为第二主应力。
S8、将U3和Ufmin进行比较，利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。
坚硬顶板型冲击地压预警准则如下所示：
具体的，当实时弹性能密度U3大于最小能量Ufmin时，说明存在发生坚硬顶板型冲击地压的危险，立即发出预警信号；反之，则不发出预警信号，从而实现坚硬顶板型冲击地压的实时预警。
优选地，为了使相关负责人能够同时通过相应局域网和互联网及时、快速地获知井下预警情况，在利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警时，可具体为利用双网卡计算机在局域网和互联网内进行实时预警。
在实际应用中，还需要采用UPS不间断电源给双网卡计算机进行供电，以保证在外部供电暂停期间，双网卡计算机可在UPS不间断电源内置蓄电池的供电期间正常运行。考虑到井上防冲监控室停电时间一般不超过2小时，因此UPS不间断电源内置蓄电池的供电时间应不少于2小时。
根据坚硬顶板型冲击地压发生机理可知，坚硬顶板的断裂危险表征着冲击地压的发生危险，而顶板断裂归根到底是能量驱动下的一种状态失稳现象。由此可见，基于能量理论建立顶板断裂的预警指标，从而建立坚硬顶板型冲击地压的预警指标是一条有效途径。根据岩体动力破坏的最小能量原理可知，无论岩体在初始时以何种应力状态存在，一旦失稳，破坏启动，其破坏真正需要消耗的能量总是单向应力状态的破坏能量，即
或
其中E、μ、σc、τc分别为弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、单向抗剪强度。也就是说，坚硬顶板发生断裂所需的最小能量为
或
因此，当坚硬顶板的弹性能密度超过坚硬顶板断裂所需的最小能量时，就产生了顶板断裂的危险，从而产生了发生坚硬顶板型冲击地压的危险。基于此，在本方法中，首先采用防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳的光纤光栅孔径变形计在位于坚硬顶板的监测位置处进行套芯应力解除试验，然后待套芯应力解除试验结束之后，收集监测位置处的岩芯，测量该岩芯的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，并利用上述岩石力学参数计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin。接着，利用应力解除数据和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的初始应力。随后，采用光纤光栅孔径变形计，在线实时监测坚硬顶板的相对应力。接着，利用初始应力和相对应力，获取坚硬顶板的实时应力。再接着，利用实时应力和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3。最后，通过比较U3和Ufmin，对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。可见，本方法根据坚硬顶板实时应力的监测结果，基于岩体动力破坏的最小能量原理，实现了坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，可广泛应用于地下矿井，避免或减少坚硬顶板型冲击事故的发生，保证井下人员与设备的安全。
实施例2：
相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，下文描述的坚硬顶板型冲击地压实时预警系统与上文描述的坚硬顶板型冲击地压实时预警方法可相互对应参照。
根据图6可知，一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统的结构示意图。该系统包括：光纤光栅孔径变形计1、光纤光栅解调仪2、隔爆不间断电源3、监控计算机4、实时预警软件5、UPS不间断电源6、阻燃通信光缆7、阻燃电缆8、局域网9、普通电缆10、互联网11，其连接关系是：光纤光栅孔径变形计1与光纤光栅解调仪2间采用阻燃通信光缆7连接，连接点可采用热熔式连接或者插拔式连接。光纤光栅解调仪2与隔爆不间断电源3间采用阻燃电缆8连接，隔爆不间断电源3与外部供电连接。井下的光纤光栅解调仪2与井上的监控计算机4之间采用局域网9连接，通过局域网9进行数据传输。监控计算机4与UPS不间断电源6间采用普通电缆10连接，UPS不间断电源6与外部供电连接。实时预警软件5安装在监控计算机4中，监控计算机4与互联网11连接。优选地，监控计算机4采用双网卡通讯，一端连接局域网，实现监测数据的传输；另一端连接互联网，实现系统的远程协控及网上预警。
其中，光纤光栅孔径变形计1安装在地下(不限定光纤光栅孔径变形计1的数量，上述方法实施例中步骤S1有提及)，光纤光栅孔径变形计1安装于地下的监测位置处(监控地域范围内)，用于监测坚硬顶板的变形信息，并将变形信息以光信号的形式通过阻燃通信光缆7传输至光纤光栅解调仪2；光纤光栅解调仪2用于对光信号进行解调，并将解调出的电信号通过局域网9传输至监控计算机4；隔爆不间断电源3用于给光纤光栅解调仪2供电，当外部供电暂停时，隔爆不间断电源3内置的备用电池可自动给光纤光栅解调仪2供电，保证光纤光栅解调仪2在备用电池供电期间的正常运行；监控计算机4用于安装实时预警软件5，并接收电信号供实时预警软件5使用；实时预警软件5用于实现如上述方法实施例所提供的坚硬顶板型冲击地压实时预警方法；UPS不间断电源6用于给监控计算机4供电，当外部供电暂停时，UPS不间断电源6内置的蓄电池可自动给监控计算机4供电，保证监控计算机4和实时预警软件5在蓄电池供电期间的正常运行。
为便于本领域技术人员更好地理解本发明实施例所提供的坚硬顶板型冲击地压实时预警系统如何实现实施例所提供的坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，下面以具体的应用场景为例进行详细说明。
待预警的采煤工作面面长约为200m，推进长度约为1000m，煤层厚度约为4m。工作面直接顶为粉砂岩、泥岩互层，厚度约为3m，普氏硬度为2～6；基本顶为中砂岩及细砂岩，厚度约为18m，普氏硬度为8～10。一般情况下，煤层之上存在厚度超过10m的坚硬顶板，便符合了发生坚硬顶板型冲击地压的地质条件。待预警工作面的基本顶厚约18m且普氏硬度达到8～10，可见该基本顶岩层厚度较大且岩性坚硬，积聚弹性能的能力强。因此，在该工作面回采过程中，可能发生坚硬顶板型冲击地压灾害。
根据周期来压规律，拟在整个工作面布置5个监测断面，每个监测断面间隔150m。选择光纤光栅孔径变形计1，其量程为[-20MPa,120MPa](以压为正)，满足量程要求。所选光纤光栅孔径变形计1外壳采用不锈钢材质，且采用光纤光栅作为测量元件，具备防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳等性能。选择本安型32通道光纤光栅解调仪2，其解调波长范围为[1528nm,1588nm]，共60nm，最高采集频率为25Hz，可满足数据采集要求。选择隔爆兼本安不间断电源3，其内置备用电池的供电时间不少于2小时，满足供电时长要求。选择UPS不间断电源6，其内置蓄电池的供电时间不少于4小时，满足供电时长要求。光纤光栅孔径变形计1与光纤光栅解调仪2间采用36芯阻燃通信光缆7连接，连接点可采用热熔式连接或者插拔式连接。光纤光栅解调仪2与隔爆不间断电源3间采用阻燃电缆8连接。井下的光纤光栅解调仪2与位于井上防冲监控室的监控计算机4之间采用局域网9进行数据传输。监控计算机4与UPS不间断电源6间采用普通电缆10连接。优选地，监控计算机4采用双网卡通讯，一端连接局域网，实现监测数据的传输；另一端连接互联网11，实现系统的远程协控及网上预警。
实时预警软件5(http://118.89.24.89:8072/login.html)安装在监控计算机4上，实时预警软件5可具体由SQL Server数据库和网页浏览器组成，其中，SQL Server数据库负责数据的计算、分析、存储，网页浏览器负责数据的显示、导出、预警。
在本发明实施例所提供的坚硬顶板型冲击地压实时预警系统上实现坚硬顶板型冲击地压实时预警方法的具体施工过程包括：
步骤1：采用地质取芯钻机，自待预警工作面辅运巷道向坚硬顶板，即基本顶施工钻孔(称为大孔)，大孔直径为130mm，长度为10～30m；然后在大孔底部施工直径为36～38mm的小孔，长度为30～50cm；清洗、擦干小孔后，安装光纤光栅孔径变形计。具体的，某一监测断面处光纤光栅孔径变形计的安装位置如图7所示。在该监测断面，施工3个钻孔，安装3支光纤光栅孔径变形计。3个钻孔的间距为10m，开孔高度均为3m，中间钻孔的水平投影垂直于煤壁，两侧钻孔的水平投影与辅运巷道的夹角成60°。中间钻孔的仰角为30°，大孔长度为19.6m，小孔长度为0.4m；两侧钻孔的仰角为27°，大孔长度为21.6m，小孔长度为0.4m。3支光纤光栅孔径变形计均安装在小孔底部。安装好光纤光栅孔径变形计后，进行套芯应力解除试验。
步骤2：收集监测位置处的岩芯，将其制作成高度为100mm、直径为50mm的标准圆柱样，然后进行室内试验。通过单轴压缩试验，测量得到监测断面处岩石的弹性模量(E＝20.37GPa)、泊松比(μ＝0.24)和单轴抗压强度(σc＝93.09MPa)；通过常规三轴压缩试验，测量得到监测断面处的单向抗剪强度(τc＝29.35MPa)。
步骤3：利用弹性模量(E＝20.37GPa)、泊松比(μ＝0.24)、单轴抗压强度(σc＝93.09MPa)和单向抗剪强度(τc＝29.35MPa)，计算监测断面处岩体动力破坏所需消耗的最小能量
或
由此，得到了最小能量(Ufmin＝52.44kJ/m3)。
步骤4：利用步骤1中获取的应力解除数据和步骤2中获取的弹性模量(E＝20.37GPa)、泊松比(μ＝0.24)，通过三维应力计算公式得到坚硬顶板的初始应力，如表1所示。
表1—坚硬顶板的初始应力
其中，应力以压为正，方位角北起顺时针为正，倾角从水平面向上为正。
步骤5：将光纤光栅孔径变形计再次安装于监测位置处，然后通过光纤光栅孔径变形计在线监测工作面回采过程中任意时刻坚硬顶板的相对应力。
步骤6：在实时预警软件中，叠加初始应力和相对应力，得到坚硬顶板的实时应力，例如某时刻计算得到的实时应力{(σ1，σ2，σ3)＝(53.17MPa,32.64MPa,26.25MPa)}。
步骤7：在实时预警软件中，利用实时应力{(σ1，σ2，σ3)＝(53.17MPa,32.64MPa,26.25MPa)}和弹性模量(E＝20.37GPa)、泊松比(μ＝0.24)，计算得到坚硬顶板的实时弹性能密度(U3＝59.59kJ/m3)。
其中，坚硬顶板的实时弹性能密度U3的计算过程为：
步骤8：在实时预警软件中，比较U3和Ufmin，发现U3＞Ufmin，说明存在发生坚硬顶板型冲击地压的危险，立即发出预警信号，包括但不限于：在计算机端，系统发出报警声音，网页浏览器界面中监测断面的位置图变成红色及弹出预警窗口；在互联网端，系统向手机APP发送预警信息，同时以手机短信的形式发给相关负责人。
在本发明实施例中，若井下隔爆不间断电源的外部供电暂停，只要暂停时间不超过2小时，光纤光栅解调仪可在暂停期间正常运行，而井下停电时间一般不超过2小时；若井上UPS不间断电源的外部供电暂停，只要暂停时间不超过4小时，监控计算机和实时预警软件可在暂停期间正常运行，而井上防冲监控室停电时间一般不超过2小时。
通过本发明实施例所提供的方法和系统，可获得以下具体的优点和效果：
1、实现了井下坚硬顶板应力状态及能量状态的直接、长期监测，及时掌握了坚硬顶板实时应力及实时弹性能密度的变化情况。
2、当坚硬顶板的实时弹性能密度(U3＝59.59kJ/m3)超过岩体动力破坏所需消耗的最小能量(Ufmin＝52.44kJ/m3)时，立刻发出了预警信号，实现了坚硬顶板型冲击地压的实时预警，保证了井下人员与设备的安全。
3、在待预警工作面回采期间，节省了人工钻取钻屑检测孔、人工分析微震数据等冲击地压监测成本，显著节约了生产成本。
4、当外部供电暂停时，只要井下停电时间和井上防冲监控室停电时间分别不超过2小时和4小时，坚硬顶板型冲击地压实时预警系统可在停电期间正常发挥预警功能，大大提升了预警系统的可靠性。
Claims (8)
1.一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其步骤是：
A、在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验：光纤光栅孔径变形计，是以光纤光栅为测量应变元件的应力传感器，其中，光纤光栅是一种通过光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅；
B、测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度：待套芯应力解除试验结束之后，收集监测位置处的岩芯，对岩芯进行室内试验，测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度；
C、利用弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin：利用步骤(B)中获取的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度，计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin；
D、利用套芯应力解除试验的数据和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的初始应力：利用步骤A中获取的应力解除数据和步骤B中获取的弹性模量、泊松比，通过三维应力计算公式得到坚硬顶板的初始应力；
E、采用光纤光栅孔径变形计，在线实时监测坚硬顶板的相对应力：将光纤光栅孔径变形计再次安装于监测位置处的钻孔中，然后采用光纤光栅孔径变形计在线实时监测坚硬顶板的相对应力；
F、利用初始应力和相对应力，计算坚硬顶板的实时应力：利用步骤(D)中获取的初始应力和步骤(E)中获取的相对应力，通过两者叠加的计算方式，计算坚硬顶板的实时应力；
G、利用实时应力和弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3：利用步骤(F)中获取的实时应力和步骤(B)中获取的弹性模量、泊松比，计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3；
H、将实时弹性能密度U3和最小能量Ufmin进行比较，利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警：实时弹性能密度U3大于最小能量Ufmin时，说明存在发生坚硬顶板型冲击地压的危险，立即发出预警信号；反之，则不发出预警信号，实现坚硬顶板型冲击地压的实时预警。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其特征在于：所述的在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验，包括：
所述的坚硬顶板为坚硬顶板型冲击地压的关键致灾部位，即厚度较大且岩性坚硬的顶板。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其特征在于：所述的计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量Ufmin，包括：
由岩体动力破坏的最小能量原理可知，所述的最小能量Ufmin的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σc为单轴抗压强度，τc为单向抗剪强度。
4.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其特征在于：所述的计算坚硬顶板的实时弹性能密度U3，包括：
由弹性理论可知，所述的实时弹性能密度U3的计算公式为：
其中，E为弹性模量，μ为泊松比，σ1、σ2和σ3分别为实时应力中的第一、第二和第三主应力。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其特征在于：所述的利用比较结果对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警，包括：
利用双网卡计算机在局域网和互联网内对所述的坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。
6.一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，该系统由光纤光栅孔径变形计(1)、光纤光栅解调仪(2)、隔爆不间断电源(3)、监控计算机(4)、实时预警软件(5)、UPS不间断电源(6)、阻燃通信光缆(7)、阻燃电缆(8)、局域网(9)、普通电缆(10)、互联网(11)组成，其特征在于：光纤光栅孔径变形计(1)与光纤光栅解调仪(2)间采用阻燃通信光缆(7)连接，连接点采用热熔式连接或者插拔式连接，光纤光栅解调仪(2)与隔爆不间断电源(3)间采用阻燃电缆(8)连接，隔爆不间断电源(3)与外部供电连接，井下的光纤光栅解调仪(2)与井上的监控计算机(4)之间采用局域网(9)连接，监控计算机(4)与UPS不间断电源(6)间采用普通电缆(10)连接，UPS不间断电源(6)与外部供电连接，实时预警软件(5)安装在监控计算机(4)中，监控计算机(4)与互联网(11)连接。
7.根据权利要求6所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，其特征在于：所述的光纤光栅孔径变形计(1)安装于地下的监测位置。
8.根据权利要求6所述的一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，其特征在于：所述的监控计算机(4)采用双网卡通讯，一端连接局域网，另一端连接互联网。
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2021
- 2021-09-13 CN CN202111066313.3A patent/CN113756871A/zh active Pending
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