CN113836752B - 一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法和系统 - Google Patents

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CN113836752B CN202111413652.4A CN202111413652A CN113836752B CN 113836752 B CN113836752 B CN 113836752B CN 202111413652 A CN202111413652 A CN 202111413652A CN 113836752 B CN113836752 B CN 113836752B
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Abstract

本申请涉及采矿技术领域，提供了一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法和系统。该方法包括：根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。籍此，通过应变能的定量描述，实现对大面积悬顶动力灾害进行定位、定量分析。

Description

一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法和系统
技术领域
本申请涉及采矿技术领域，特别涉及一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法和系统。
背景技术
煤柱是工作面回采过程中为保留巷道空间或者控制上覆地层沉降而保留的一块保持自然状态的煤体，是井工开采煤炭资源中一个非常重要的结构。同时，为了合理开采煤炭资源，保护建筑物、水体、铁路等需要，煤柱留设也是一项必不可少的工作。因此，评估留设煤柱稳定性对矿井安全生产至关重要。
目前关于煤柱稳定性分析的方法，由于实际煤层赋存状况下煤柱受力复杂多样、非均匀应力分布、非均值煤岩、弱结构面煤岩（煤岩裂隙）等情况的存在，特别是在煤层回采后煤层上部荷载条件发生改变，以及顶板覆岩垮落引起矿压的变化等，使得对煤柱的稳定性分析不准确，不能全面准确评价煤柱的稳定性状态。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，包括：步骤S101、根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；步骤S102、根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；步骤S103、根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。
优选的，在步骤S101中，所述根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，包括：根据预先构建的所述浅埋房柱式采空区的地应力场分布与所述开挖扰动因素之间的映射关系，构建所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场的回归模型；其中，基于最小二乘法，根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的多个测量点的地应力测量数据，和单位力作用下所述工程地质模型中多个所述测量点对应的单位应力模拟值，确定所述回归模型的回归系数；基于线性回归叠加原理，根据所述回归模型，确定所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据。
优选的，基于最小二乘法，根据所述地应力测量数据和所述单位应力模拟值的残差平方和，确定所述回归系数。
优选的，所述煤岩体应力场数据为所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力，对应的，所述基于线性回归叠加原理，根据所述回归模型，确定所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据包括：基于线性回归叠加原理，按照公式：
Figure 446771DEST_PATH_IMAGE001
确定所述浅埋房柱式采空区的地应力分量；其中，
Figure 7766DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 989760DEST_PATH_IMAGE003
表示所述浅埋房柱式采空区的测量点的数量；
Figure 827135DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 905556DEST_PATH_IMAGE005
表示所述开挖扰动因素的数量；
Figure 759373DEST_PATH_IMAGE006
表示第
Figure 981276DEST_PATH_IMAGE007
个所述开挖扰动因素的回归系数；
Figure 177552DEST_PATH_IMAGE008
表示第
Figure 960962DEST_PATH_IMAGE009
个测量点在第
Figure 535032DEST_PATH_IMAGE007
个所述开挖扰动因素下的单位应力模拟值；
Figure 685260DEST_PATH_IMAGE010
Figure 434910DEST_PATH_IMAGE011
表示第
Figure 262925DEST_PATH_IMAGE009
个测量点的第
Figure 356914DEST_PATH_IMAGE012
个所述地应力分量；根据所述地应力分量，反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力。
优选的，所述煤岩体的能量数据包括：所述煤岩体的弹性应变能；对应的，在步骤S102中，所述根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，具体为：按照公式：
Figure 809367DEST_PATH_IMAGE013
计算所述煤岩体的弹性应变能
Figure 101939DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 354716DEST_PATH_IMAGE015
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 231274DEST_PATH_IMAGE016
分别表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的主应力；
Figure 693610DEST_PATH_IMAGE017
分别表示所述单元体的主应变；
Figure 97479DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 721490DEST_PATH_IMAGE019
表示所述单元体的数量，
Figure 849458DEST_PATH_IMAGE019
为正整数。
优选的，所述多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法还包括：响应于所述煤岩体的弹性应变能大于预设应变阈值，确定对应的所述煤岩体区域为大面积悬顶动力冲击危险区域。
优选的，所述煤岩体的能量数据包括：所述煤岩体的贮存能量；对应的，在步骤S102中，所述根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，具体为：按照公式：
Figure 381065DEST_PATH_IMAGE020
计算所述煤岩体的贮存能量
Figure 120001DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，
Figure 914912DEST_PATH_IMAGE015
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 530177DEST_PATH_IMAGE022
表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的体积；
Figure 396633DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 673898DEST_PATH_IMAGE019
表示所述单元体的数量，
Figure 905290DEST_PATH_IMAGE019
为正整数；
Figure 7851DEST_PATH_IMAGE016
分别表示所述单元体的主应力；
Figure 84522DEST_PATH_IMAGE017
分别表示所述单元体的主应变。
优选的，在步骤S103中，所述根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域进行危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价，具体为：根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的贮存能量，按照公式：
Figure 1312DEST_PATH_IMAGE023
确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价；其中，
Figure 669185DEST_PATH_IMAGE024
表示所述多煤层开挖时的预设矿震等级。
本申请实施例还提供一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统，包括：反演单元，配置为根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；能量计算单元，配置为根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；评价单元，配置为根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。
有益效果：
本申请实施例提供的技术方案，首先，根据获取的多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，进行逆向反演得到浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；然后，在预先构建的多煤层的工程地质模型中，施加逆向反演得到的浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下，浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；最后，根据获取的浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，对浅埋房柱式采空区的稳定性评价。籍此，通过应变能的定量描述，实现对大面积悬顶动力灾害进行定位、定量分析。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法的流程示意图；
图2为根据本申请实施例提供的地应力随深度变化的示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法中步骤S101的流程示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统的结构示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的反演单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
首先，需要说明的是，在本申请实施例中，浅埋房柱式采空区为本申请的评价区域，即评估主体，是指多煤层上层为浅埋的房柱式采空区、下层煤为综采的情况。
示例性方法
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法的流程示意图；如图1所示，该多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法包括：
步骤S101、根据多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；
在本申请实施例中，通过地应力测量，获取浅埋房柱式采空区的深部点数据，即点式地应力测量数据。如表1、表2所示，分别为一具体实施例中对钻孔（ZK1、ZK2）进行地应力测量的测量结果。
表1ZK1孔地应力测量结果
Figure 931146DEST_PATH_IMAGE025
表2 ZK2孔地应力测量结果
Figure 545929DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 508769DEST_PATH_IMAGE027
分别表示各个测段的破裂压力、裂缝张压力、水压破裂面的瞬时闭合压力、岩层的演示孔隙压力以及测段岩石的原地抗拉强度；
Figure 580500DEST_PATH_IMAGE028
分别表示钻孔的最大主应力值、最小主应力值和中间主应力。在此，根据水压致裂测量地应力的原理，得到钻孔的最大主应力值、最小主应力值和中间主应力（即铅直主应力）。
通过对钻孔的最大主应力值、最小主应力值和中间主应力分别进行线性拟合，如图2所示，得出两钻孔的主应力方程如公式（1）所示，公式（1）如下：
Figure 67107DEST_PATH_IMAGE029
…………………………（1）
由图2可知，相关性系数（即回归系数）分别为0.98、0.98和1.0，
Figure 685914DEST_PATH_IMAGE030
表示钻孔深度（向下为正），单位为米（
Figure 308787DEST_PATH_IMAGE009
）。籍此，即可通过公式（1）得到浅埋房柱式采空区不同测量点处的点式地应力测量数据。
图3为根据本申请的一些实施例提供的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法中步骤S101的流程示意图；如图3所示，根据多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，包括：
步骤S111、根据预先构建的浅埋房柱式采空区的地应力场分布与开挖扰动因素之间的映射关系，构建浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场的回归模型；其中，基于最小二乘法，根据多煤层的浅埋房柱式采空区的多个测量点的地应力测量数据，和单位力作用下工程地质模型中多个测量点对应的单位应力模拟值，确定回归模型的回归系数；
在本申请实施例中，多煤层的工程地质模型根据现场煤层的等高线以及开采参数进行模型构建，比如，通过FLAC3D构建工程地质模型。
煤层开挖过程中的开挖扰动因素指评价区域的空间位置、地形地貌（比如：河谷、沟壑、山峦等）、岩体力学性质（比如：寒武系、奥陶系、石岩系等）、地质构造运动（比如：断裂、破碎、地震等）。
在本申请实施例中，浅埋房柱式采空区的地应力场分布与评价区域的空间位置、地形地貌、岩体力学性质、地质构造运动等因素之间的映射关系如公式（2）所示，公式（2）如下：
Figure 55813DEST_PATH_IMAGE031
…………………………（2）
其中，
Figure 232979DEST_PATH_IMAGE032
为评价区域的初始地应力值，
Figure 688100DEST_PATH_IMAGE033
为评价区域的空间位置，
Figure 693708DEST_PATH_IMAGE034
分别表示地形地貌、岩体力学性质、地质构造运动，
Figure 343127DEST_PATH_IMAGE035
为评价区域的岩体的弹性模量、泊松比和岩体自重。
浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场的回归模型如公式（3）所示，公式（3）如下：
Figure 553395DEST_PATH_IMAGE036
……………………………………（3）
其中，
Figure 516934DEST_PATH_IMAGE037
均为矩阵；
Figure 377050DEST_PATH_IMAGE038
分别表示矩阵的行和列；
Figure 197369DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 644400DEST_PATH_IMAGE005
表示开挖扰动因素的数量；
Figure 945718DEST_PATH_IMAGE003
表示浅埋房柱式采空区的测量点的数量；
Figure 663269DEST_PATH_IMAGE006
表示第
Figure 917140DEST_PATH_IMAGE007
个开挖扰动因素的回归系数；
Figure 821773DEST_PATH_IMAGE040
为单位力作用下工程地质模型中第
Figure 587167DEST_PATH_IMAGE003
个测量点在第
Figure 487121DEST_PATH_IMAGE007
个开挖扰动因素下对应的单位应力模拟值；
Figure 911893DEST_PATH_IMAGE041
为第
Figure 802357DEST_PATH_IMAGE003
个测量点的地应力分量实测值。在此，需要说明的是，单位力指的是工程地质模型中单元体1cm单位位移时，在测量点处产生的构造应力。
对于在工程地质模型中具有
Figure 114652DEST_PATH_IMAGE009
个测量点时，测量点的地应力测量数据与单位应力模拟值的残差平方和
Figure 544146DEST_PATH_IMAGE042
如公式（4）所示：
Figure 47809DEST_PATH_IMAGE043
……………………（4）
其中，
Figure 864718DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 243353DEST_PATH_IMAGE045
表示第
Figure 226221DEST_PATH_IMAGE003
个测量点在某一行对应的开挖扰动因素下的单位应力模拟值的第
Figure 667829DEST_PATH_IMAGE012
个应力分量。
在本申请实施例中，在确定回归系数时，基于最小二乘法，根据地应力测量数据和单位应力模拟值的残差平方和，确定回归系数。具体的，根据最小二乘法原理，要使残差平方和
Figure 48999DEST_PATH_IMAGE042
最小，首选对残差平方和
Figure 467211DEST_PATH_IMAGE042
求导，如下公式（5）所示，并使其为零，确定极值。公式（5）如下：
Figure 806051DEST_PATH_IMAGE046
……………………（5）
然后，根据最下二乘法，使得残差平方和
Figure 415630DEST_PATH_IMAGE042
最小的方程如公式（6）所示，公式（6）如下：
Figure 705666DEST_PATH_IMAGE047
……（6）
由公式（6）即可得到回归系数
Figure 429034DEST_PATH_IMAGE048
。
步骤S121、基于线性回归叠加原理，根据回归模型，确定浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据。
在本申请实施例中，煤岩体应力场数据为浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力；对应的，基于线性回归叠加原理，根据回归模型，确定浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据时，首先，基于线性回归叠加原理，按照公式（7）确定浅埋房柱式采空区的地应力分量。公式（7）如下：
Figure 120915DEST_PATH_IMAGE049
…………………………（7）
其中，
Figure 907255DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 451631DEST_PATH_IMAGE003
表示浅埋房柱式采空区的测量点的数量；
Figure 8384DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 318886DEST_PATH_IMAGE005
表示开挖扰动因素的数量；
Figure 804356DEST_PATH_IMAGE006
表示第
Figure 803405DEST_PATH_IMAGE007
个开挖扰动因素的回归系数，
Figure 125365DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 293304DEST_PATH_IMAGE008
表示第
Figure 713790DEST_PATH_IMAGE009
个测量点在第
Figure 698670DEST_PATH_IMAGE007
个开挖扰动因素下的单位应力模拟值的第
Figure 567531DEST_PATH_IMAGE012
个应力分量；
Figure 354090DEST_PATH_IMAGE011
表示第
Figure 653134DEST_PATH_IMAGE009
个测量点的第
Figure 95617DEST_PATH_IMAGE012
个地应力分量。
然后，根据地应力分量，得到浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力。具体的，通过对第
Figure 502590DEST_PATH_IMAGE009
个测量点的6个地应力分量分别为该测量点的相对应的3组正应力和切应力，籍此，通过第
Figure 642191DEST_PATH_IMAGE009
个测量点的3组正应力和切应力，基于弹性力学方法，可得到第
Figure 873321DEST_PATH_IMAGE009
个测量点的初始地应力。
步骤S102、根据浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；
在本申请实施例中，将得到浅埋房柱式采空区的初始地应力在工程地质模型中加载，对煤层开挖过程中，在开挖扰动因素作用下浅埋房柱式采空区的煤岩体进行模拟，由模拟结果得到浅埋房柱式采空区的工程地质模型划分的每个单元体的应力、应变，以此计算出每个单元体的能量，最后，根据每个单元体的能量确定浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量。
具体的，煤岩体的能量数据包括：煤岩体的弹性应变能；对应的，按照公式（8）计算煤岩体的弹性应变能。公式（8）如下：
Figure 101302DEST_PATH_IMAGE013
……………………（8）
其中，
Figure 857773DEST_PATH_IMAGE015
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 448285DEST_PATH_IMAGE016
分别表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的主应力；
Figure 676748DEST_PATH_IMAGE017
分别表示所述单元体的主应变；
Figure 719921DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 65102DEST_PATH_IMAGE019
表示所述单元体的数量，
Figure 306858DEST_PATH_IMAGE019
为正整数。
在本申请实施例中，响应于煤岩体的弹性应变能大于预设应变阈值，确定对应的煤岩体区域为大面积悬顶动力冲击危险区域。在此，定义煤岩体内聚集的弹性应变能大于
Figure 706222DEST_PATH_IMAGE053
时，煤柱将发生动力垮塌，评价区域内聚集的弹性应变能越大，诱发的动力垮塌强度越高。下层煤综采动态开挖过程中，结合开挖扰动因素的作用，下层煤每开挖100米计算煤岩体弹性应变能，以此分析煤岩体的能量分布特征，即应力-应变的分布特征，将弹性应变能大于
Figure 626905DEST_PATH_IMAGE053
的区域划分为大面积悬顶动力冲击危险区域。
在本申请实施例中，煤岩体的能量数据还包括：煤岩体的贮存能量；对应的，按照公式（9）计算煤岩体的贮存能量
Figure 498478DEST_PATH_IMAGE021
。公式（9）如下：
Figure 798004DEST_PATH_IMAGE020
………………（9）
其中，
Figure 430586DEST_PATH_IMAGE015
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 448351DEST_PATH_IMAGE022
表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的体积；
Figure 135334DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 758208DEST_PATH_IMAGE019
表示所述单元体的数量，
Figure 656632DEST_PATH_IMAGE019
为正整数；
Figure 379604DEST_PATH_IMAGE016
分别表示所述单元体的主应力；
Figure 601769DEST_PATH_IMAGE017
分别表示所述单元体的主应变。
步骤S103、根据浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。
在本申请实施例中，煤矿开采过程中，存在着能量的聚集、演化、释放的过程，当在开挖扰动因素作用下，下层煤综采过程中可能导致能量的突然释放，致使发生事故，在此，定义此过程为矿震。通过对煤岩体不同程度的能量释放进行等级划分，定义矿震等级。籍此，根据浅埋房柱式采空区的煤岩体的贮存能量，按照公式（10）确定浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。公式（10）如下：
Figure 843264DEST_PATH_IMAGE023
…………………………（10）
其中，
Figure 427435DEST_PATH_IMAGE024
表示多煤层开挖时的预设矿震等级。
籍此，通过对浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据进行逆向反演，定量表征煤岩体发生动力破坏时要具有较强的冲击性，即要具备高应变能的存储能力。
在本申请实施例中，下部煤层综采开采引起局部区域聚集高应变能，即煤柱垮塌引起大面积悬顶动力灾害发生所需要的能量，通过对下部煤层综采开采引起局部区域聚集高应变能进行等级划分，定量描述应变能，实现对大面积悬顶动力灾害的定位、定量分析。
在本申请实施例中，通过浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据的逆向反演浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，在预先构建的多煤层的工程地质模型中，施加逆向反演得到的浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，对煤层开挖过程中，在外科扰动因素作用下，浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量分布进行模拟分析，将弹性应变能大于
Figure 154214DEST_PATH_IMAGE053
的区域划分为大面积悬顶动力冲击危险区域；根据获取的浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量分布特征、能量聚集，确定浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，对浅埋房柱式采空区的稳定性评价。籍此，通过应变能的定量描述，实现对大面积悬顶动力灾害进行定位、定量分析。
示例性系统
图4为根据本申请的一些实施例提供的一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统的结构示意图；该多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统包括：反演单元401、能量计算单元402、评价单元403。
反演单元401配置为根据多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；能量计算单元402配置为根据浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；评价单元403配置为根据浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对浅埋房柱式采空区进行稳定性评价。
图5为根据本申请的一些实施例提供的反演单元的结构示意图；如图5所示，反演单元401包括：模型构建子单元411和初始应力计算单元421。
模型构建子单元411配置为根据预先构建的浅埋房柱式采空区的地应力场分布与开挖扰动因素之间的映射关系，构建浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场的回归模型；其中，基于最小二乘法，根据多煤层的浅埋房柱式采空区的多个测量点的地应力测量数据，和单位力作用下工程地质模型中多个测量点对应的单位应力模拟值，确定回归模型的回归系数。初始应力构建子单元421配置为基于线性回归叠加原理，根据回归模型，确定浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据。
本申请实施例提供的多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统，能够实现上述任一多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。

Claims (6)

1.一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，其特征在于，包括：
步骤S101、根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；
步骤S102、根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；
步骤S103、根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价；
其中，步骤S101包括：根据预先构建的所述浅埋房柱式采空区的地应力场分布与所述开挖扰动因素之间的映射关系，构建所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场的回归模型；其中，基于最小二乘法，根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的多个测量点的地应力测量数据，和单位力作用下所述工程地质模型中多个所述测量点对应的单位应力模拟值，确定所述回归模型的回归系数；
基于线性回归叠加原理，根据所述回归模型，确定所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；
在步骤S102中，所述煤岩体的能量数据包括：所述煤岩体的弹性应变能；对应的，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算所述煤岩体的弹性应变能
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
分别表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的主应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述单元体的主应变；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示所述单元体的数量，
Figure 857952DEST_PATH_IMAGE007
为正整数；
在步骤S102中，所述煤岩体的能量数据还包括：所述煤岩体的贮存能量；对应的，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
计算所述煤岩体的贮存能量
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 712776DEST_PATH_IMAGE003
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的体积；
Figure 23671DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 684460DEST_PATH_IMAGE007
表示所述单元体的数量，
Figure 639778DEST_PATH_IMAGE007
为正整数；
Figure 727819DEST_PATH_IMAGE004
分别表示所述单元体的主应力；
Figure 260432DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述单元体的主应变。
2.根据权利要求1所述的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，其特征在于，基于最小二乘法，根据所述地应力测量数据和所述单位应力模拟值的残差平方和，确定所述回归系数。
3.根据权利要求1所述的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，其特征在于，所述煤岩体应力场数据为所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力，
对应的，
所述基于线性回归叠加原理，根据所述回归模型，确定所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据包括：
基于线性回归叠加原理，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
确定所述浅埋房柱式采空区的地应力分量；其中,
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示所述浅埋房柱式采空区的测量点的数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示所述开挖扰动因素的数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE017
个所述开挖扰动因素的回归系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE019
个测量点在第
Figure 741223DEST_PATH_IMAGE017
个所述开挖扰动因素下的单位应力模拟值；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示第
Figure 344855DEST_PATH_IMAGE019
个测量点的第
Figure DEST_PATH_IMAGE022
个所述地应力分量；
根据所述地应力分量，反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的初始地应力。
4.根据权利要求1所述的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，其特征在于，所述多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法还包括：
响应于所述煤岩体的弹性应变能大于预设应变阈值，确定对应的所述煤岩体区域为大面积悬顶动力冲击危险区域。
5.根据权利要求1所述的多煤层房柱式煤柱稳定性评价方法，其特征在于，在步骤S103中，所述根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域进行危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价，具体为：
根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的贮存能量，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示所述多煤层开挖时的预设矿震等级。
6.一种多煤层房柱式煤柱稳定性评价系统，其特征在于，包括：
反演单元，配置为根据所述多煤层的浅埋房柱式采空区的点式地应力测量数据，逆向反演得到所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据；
能量计算单元，配置为根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体应力场数据，基于预先构建的所述多煤层的工程地质模型，得到煤层开挖过程中在开挖扰动因素作用下所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据；
评价单元，配置为根据所述浅埋房柱式采空区的煤岩体的能量数据，确定所述浅埋房柱式采空区的大面积悬顶区域的危险等级，以对所述浅埋房柱式采空区进行稳定性评价；
其中，所述煤岩体的能量数据包括：所述煤岩体的弹性应变能；对应的，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
计算所述煤岩体的弹性应变能
Figure 807060DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 826969DEST_PATH_IMAGE003
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 704926DEST_PATH_IMAGE004
分别表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的主应力；
Figure 228311DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述单元体的主应变；
Figure 923735DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 696519DEST_PATH_IMAGE007
表示所述单元体的数量，
Figure 112588DEST_PATH_IMAGE007
为正整数；
所述煤岩体的能量数据还包括：所述煤岩体的贮存能量；对应的，按照公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
计算所述煤岩体的贮存能量
Figure 287217DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 887963DEST_PATH_IMAGE003
通过在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟得到；
Figure 757830DEST_PATH_IMAGE010
表示在所述开挖扰动因素作用下对所述工程地质模型施加所述煤岩体应力场数据进行模拟时划分的单元体的体积；
Figure 102224DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 865780DEST_PATH_IMAGE007
表示所述单元体的数量，
Figure 903006DEST_PATH_IMAGE007
为正整数；
Figure 994590DEST_PATH_IMAGE004
分别表示所述单元体的主应力；
Figure 142675DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述单元体的主应变。
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