CN113958366B - 基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山安全技术领域，提供一种基于震动‑应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，包括：步骤1：获取待预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数；步骤2：获取支护应力，计算待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力并根据巷道断面形状对其优化；步骤3：获取采动峰值应力；步骤4：计算最大容许扰动应力及对应的煤体质点震动峰值速度；步骤5：计算微震单值预警能量初值，寻找最危险微震诱冲能量，从而计算微震单值预警能量标准值；步骤6：计算历史微震事件对待预警巷道的冲击危险动态指数；步骤7：根据冲击危险动态指数，确定历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级。本发明能够提高巷道冲击危险性动态量化预警的准确性和可靠性。

Description

基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法

技术领域

本发明涉及矿山安全技术领域，特别是涉及一种基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法。

背景技术

冲击地压，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。随着煤矿开采深度与开采强度的不断增加，煤矿冲击地压灾害作为最危险的动力灾害之一，其发生强度和频率明显增加。冲击地压的显现严重威胁煤矿安全生产，常常伴随着煤矿巷道与硐室及其设备的大量损毁、人员伤亡等严重社会经济代价。据统计，约90％的冲击地压事故发生在巷道中，因此，我国当前煤矿冲击地压的科学研究集中于巷道冲击地压机理、预警及其防治的研究。

巷道冲击地压危险性评价预警是精准量化指导冲击地压防治工作的重要环节与工程依据，其主要包括工作面采掘前回采巷道冲击危险性的预评价和开采中的冲击危险性动态评价。冲击地压危险程度与空间区域受到开采技术因素的显著影响，比如开采过程中形成的静动载荷叠加效应的覆岩矿震扰动诱发巷道冲击启动，这就使得预评价结果与采中动态评价结果存在差异性。因此，在预评价的基础上，进一步开展冲击地压危险性随工作面推采的动态评价工作尤为重要。对于矿震扰动下的回采巷道冲击地压，针对远部“矿震扰动场”与近部“采动地应力场”双场监测的动态冲击危险性评价预警方法、判据指标与评价流程的提出与确立就是解决该问题的关键所在。

专利CN103294926A公开了一种冲击矿压时序监测预警方法，该方法提出了一种新的冲击变形能预警指标值，根据冲击预警指标确定矿震发生的危险等级和对应危险等级的防治对策。这种方法采用趋势法预警原理较为精确预警了矿震发生的危险程度，但这种预警方法仅针对的是“矿震扰动场”的监测预警，未做到将矿震与井下冲击地压显现进行量化联系，当覆岩远场矿震发生后，存在了“地面已震、井下无冲”的大能量过度预警的弊病。专利CN102628373A公开了一种煤矿冲击地压分源综合预警方法，针对来自不同空间范围内诱发冲击地压的不同载荷源，进行分源监测预警，将微震监测系统、地音监测系统及采动应力在线监测系统及其预警值依据经验法进行加权集成，在一定程度上同时考虑了动载源的“矿震扰动”场与静载源的“采动应力”场，取得了多监测预警系统集成使用方面的进步，但依然遵循的是各个监测系统预警经验值的经验法集成，无法有效给出基于冲击地压启动机理的严格数理判据，统计加权方法及其预警值完全依靠现场总结。专利CN104763470B、CN105781620B、CN109812259A分别公开了一种矿用一孔多指标智能预警冲击地压系统及方法、一种基于巷道围岩破裂辅助孔监测的动力灾害预警方法和一种煤矿用钻孔多指标测试装置及方法，这些专利均是仅针对巷道围岩采动应力场监测的预警方法，未考虑矿震震动的扰动致冲作用。

目前的冲击地压危险性监测预警准确度不足的根本原因主要包括两个方面：第一方面，由于未能将静动载荷叠加致冲原理进行具体的数理量化表达，因而目前的冲击地压危险程度预警割裂了静载地应力场与动载矿震震动场，即未能实现将“震动-应力”双场冲击危险判据及其监测数据统一于巷道冲击地压危险性评价工作当中。第二方面，虽然部分科研学者已在基于“震动-应力”双场监测的冲击危险评价预警方面做了探索，但目前仍然缺乏矿震扰动下巷内冲击危险性的量化判据，将导致无法定量化评价预警矿震事件的诱冲危险程度，大大降低了巷道冲击地压危险的监测预警准确率。而且，目前的基于微震监测的冲击地压危险性预警大多仅能做到时序预警，无法按危险等级指出空间预警范围。仅有时序预警的微震预警方法当有大能量事件而预警后，无法确定巷内强化卸压和强化支护的施工位置，造成了大量的现场施工人员的困扰。综上所述，针对“震动-应力”双场监测的巷道动态冲击危险性的评价预警判据与方法、步骤与流程及其时空判别表征图方法的建立对于煤矿冲击地压的防治意义重大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，同时考虑了动载源的“矿震扰动”场与静载源的“采动应力”场，将震动-应力双场监测的数据统一于巷道冲击地压危险性预警当中，得到了基于冲击地压发生机理的严格数理判据，实现了静动载荷叠加致冲原理的数理量化表达，提高了巷道冲击危险性动态量化预警的准确性和可靠性。

本发明的技术方案为：

一种基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：获取待预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σ_c、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ₁/E、残余降模量λ₂、残余强度系数ξ；其中，λ₁为峰后软化模量；

步骤2：计算并优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力：

步骤2.1：获取待预警巷道的支护应力p_s；

步骤2.2：计算待预警巷道冲击地压发生的临界破碎区半径ρ_fcr、临界软化区半径ρ_cr分别为

计算待预警巷道冲击地压发生的临界地应力P_cr为

其中，ρ₀为将待预警巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径；

为塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，p_fcr为待预警巷道冲击地压发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，

其中，

为破碎区的煤岩介质内摩擦角，

步骤2.3：计算待预警巷道冲击地压发生的围岩应力集中区的临界采动峰值应力为

步骤2.4：根据待预警巷道的断面形状，优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力为P_mcr ^*＝n₁×P_mcr；其中，P_mcr ^*为优化后的待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力，n₁为断面修正系数；当待预警巷道的断面形状为矩形、梯形、直墙拱形、圆形时，n₁分别取0.89、0.92、0.95、0.98；

步骤3：获取待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀；

步骤4：计算待预警巷道的最大容许扰动应力σ_bmax＝ω(P_mcr ^*-P₀)，计算最大容许扰动应力σ_bmax对应的煤体质点震动峰值速度

其中，ω为扰动应力不均匀叠加系数，ρ_c为待预警巷道的煤岩密度；

步骤5：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值：

步骤5.1：计算震中距为100m时，待预警巷道的微震单值预警能量初值为

Q_(R＝100)＝(10^{2.05+57b/(100a)}v_max)^100a/57

其中，a、b分别为微震系统中震级与能量转化线性公式中的比例值、截距；R为微震事件的震中距，所述震中距为微震事件的震源中心到待预警巷道的最短距离；

步骤5.2：寻找最危险微震诱冲能量：

步骤5.2.1：实时统计待预警巷道的微震系统监测到的所有历史微震事件，构成待预警历史微震事件集合，得到第i个历史微震事件的发生时间T_i、震源中心三维坐标S_i＝(X_i,Y_i,Z_i)、能量Q_i；其中，i∈{1,2,...,I}，I为历史微震事件总数，X_i、Y_i、Z_i分别为第i个历史微震事件的震源中心在矿区坐标系X、Y、Z轴的坐标值；

步骤5.2.2：根据第i个历史微震事件的震源中心三维坐标S_i，计算第i个历史微震事件的震中距R_i；

步骤5.2.3：将第i个历史微震事件的能量Q_i折算为该微震事件的震中距为100m时的等效能量值Q_i(R＝100)；

步骤5.2.4：寻找待预警历史微震事件集合中有巷道冲击地压显现的所有历史微震事件的等效能量值中的最小能量值

作为最危险微震诱冲能量；

步骤5.3：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值为

步骤6：计算第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险动态指数为

步骤7：根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级；冲击危险动态指数W_i越大冲击危险等级越高。

进一步的，所述步骤2.1中，获取待预警巷道的支护应力p_s，包括：

计算待预警巷道的支护应力p_s为

其中，所述待预警巷道的支护结构为锚网索支护结合超前液压支架支护；p_s顶为待预警巷道顶板的支护应力，p_s底为待预警巷道底板的支护应力，p_s左帮为待预警巷道左帮的支护应力，p_s右帮为待预警巷道右帮的支护应力；

p_s顶＝μ₁p_s锚+μ₂p_s架

其中，p_s锚为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆锚索的支护应力之和，

N₁为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N₂为顶板锚网索支护中一排支护内锚索的数量，F₁为锚杆的工作阻力，F₂为锚索的工作阻力，L₁为顶板锚网索支护中锚杆的排距，L₂为顶板锚网索支护中锚索的排距，B₁为待预警巷道在顶板的宽度；p_s架为巷道超前支护区支架的支护应力，

N₃为巷道超前支护区内支架的架数，F₃为支架的工作阻力，L₃为巷道超前支护长度；μ₁为锚网索支护的协调修正系数，μ₂为超前液压支架支护的协调修正系数，μ₁+μ₂＝2，μ₁的取值范围为0.5～1.5，μ₂的取值范围为0.5～1.5；

其中，B₂为待预警巷道在底板的宽度；N_1左为左帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2左为左帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1左为左帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2左为左帮锚网索支护中锚索的排距；N_1右为右帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2右为右帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1右为右帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2右为右帮锚网索支护中锚索的排距；H为待预警巷道的高度。

进一步的，所述步骤3中，获取待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀，包括：采用国家标准GB/T25217.7—2019中的采动应力监测方法对待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀进行监测；其中，在该采动应力监测方法中，每组应力传感器包括两个应力传感器，将其中一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到当前软化区半径ρ的煤壁里侧端点位置、另一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到临界软化区半径ρ_cr的煤壁里侧端点位置。

进一步的，所述步骤4中，ω的取值范围为0.75～0.95。

进一步的，所述步骤5.2.3中，将第i个历史微震事件的能量Q_i折算为该微震事件的震中距为100m时的等效能量值Q_i(R＝100)为

进一步的，所述步骤7中，根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，具体包括：

当W_i<0.25时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无；

当0.25≤W_i＜0.5时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱；

当0.5≤W_i＜0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中；

当W_i≥0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强。

进一步的，所述步骤7中，还根据第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，采取对应的冲击预警处置措施，具体包括：

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无时，冲击预警处置措施为正常回采、限员管理；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱时，冲击预警处置措施为卸压解危、加强支护；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中时，冲击预警处置措施为加强煤体卸压、强化断顶断底；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强时，冲击预警处置措施为全面论证、优化防冲工艺与参数、优化推采速度、强化卸压与支护。

进一步的，所述步骤7中，还将待预警历史微震事件集合中所有历史微震事件的冲击危险动态指数{W₁,W₂,…,W_i,…,W_I}依据发生时间和震源中心三维坐标绘制成时空判别图；

所述时空判别图包括时序分布判别图与空间分布判别图；

所述时序分布判别图以微震事件发生时间为横坐标、以微震事件的能量及冲击危险动态指数为纵坐标；

所述空间分布判别图为根据微震事件的震源中心三维坐标，将微震事件以离散点的形式标注在矿方提供的采掘工程图上，并采用自动绘制等值线方法中的三角形法插值算法、根据微震事件离散点及微震事件的冲击危险动态指数绘制出的微震事件冲击危险动态指数分布的全局等值线图。

本发明的有益效果为：

1.本发明基于冲击地压发生的量化机理，考虑单轴抗压强度、弹性模量、冲击模量指数、残余降模量、残余强度系数，经严格数理推导，得到待预警巷道冲击地压发生的临界地应力，进而得到待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力，并根据待预警巷道的断面形状对临界采动峰值应力进行优化，提高了临界采动峰值应力的计算精度。

2.本发明利用基于冲击地压发生的量化机理计算出的待预警巷道冲击地压发生的临界软化区半径，来指导采动峰值应力的监测过程，大大提高了采动峰值应力的监测精度。

3.本发明通过扰动应力不均匀叠加系数对优化后的临界采动峰值应力与采动峰值应力的差值进行调整，得到待预警巷道的最大容许扰动应力，由此得到最大容许扰动应力对应的煤体质点震动峰值速度，进而计算出震中距为100m时待预警巷道的微震单值预警能量初值，并通过统计待预警历史微震事件集合中有巷道冲击地压显现的所有历史微震事件的等效能量值中的最小能量值作为最危险微震诱冲能量，结合微震单值预警能量初值与最危险微震诱冲能量得到待预警巷道的微震单值预警能量标准值，结合微震单值预警能量标准值与微震事件的等效能量值得到待预警巷道的冲击危险动态指数来表征微震事件对巷道的诱冲危险程度，同时考虑了动载源的“矿震扰动”场与静载源的“采动应力”场，将震动-应力双场监测的数据统一于巷道冲击地压危险性预警当中，得到了基于冲击地压发生机理的严格数理判据，实现了静动载荷叠加致冲原理的数理量化表达，其数理意义科学明确，考虑巷道冲击启动因素系统、全面，预警指标更具针对性，提高了开采中工作面冲击危险性动态量化预警的准确性和可靠性。

4.本发明根据冲击危险动态指数，确定历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级及对应等级下的冲击预警处置措施，并将待预警历史微震事件集合中所有历史微震事件的冲击危险动态指数依据发生时间和震源中心三维坐标绘制成时空判别图，实现了时序预警及按冲击危险等级指出空间预警范围，能够直观地表征历史微震事件的危险程度、危险区域及其演化规律，为冲击地压的趋势预测、精准防治提供更加可靠的数据依据，当有大能量事件出现而预警后能够确定巷内强化卸压和强化支护的施工位置，精准指导现场施工人员对巷道冲击地压的防治工作。

附图说明

图1为本发明的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法的流程图。

图2为考虑残余强度的煤岩三线性本构关系示意图。

图3为冲击地压巷道的“三分区”结构模型示意图。

图4为矩形巷道等效为圆形巷道的示意图。

图5为梯形巷道等效为圆形巷道的示意图。

图6为巷道冲击地压启动的物理过程示意图。

图7为具体实施方式中待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力监测示意图。

图8为具体实施方式中待预警历史微震事件的冲击危险动态指数的时序分布判别图。

图9为具体实施方式中待预警历史微震事件的冲击危险动态指数的空间分布判别图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本实施例中，使用本发明的方法对红阳矿区某巷道进行冲击危险性动态量化预警。

如图1所示，本发明的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，包括下述步骤：

步骤1：获取待预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σ_c、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ₁/E、残余降模量λ₂、残余强度系数ξ；其中，λ₁为峰后软化模量。

如图2所示，为巷道围岩中考虑残余强度的煤岩三线性本构关系示意图。图2中，横坐标为煤岩应变ε，纵坐标为煤岩强度σ。峰值强度前简化为线性弹性变形，弹性模量为E，峰值单轴抗压强度为σ_c、对应的应变为ε_c。峰值强度后，假设峰后煤岩呈现双线性应变软化，峰后软化模量、残余降模量分别为λ₁、λ₂；定义煤岩冲击模量指数K＝λ₁/E，煤岩残余强度σ′_c＝ξσ_c。超过峰值强度后为两段线性各向同性损伤演化。

本实施例中，基于国家标准《GBT23561.7-2009煤和岩石物理力学性质测定方法》，在实验室对待预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数进行测定，得到单轴抗压强度σ_c＝5.40MPa、弹性模量E＝2.58Gpa、冲击模量指数K＝λ₁/E＝0.58、残余降模量λ₂＝16MPa、残余强度系数ξ＝0.28。

步骤2：计算并优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力：

如图3所示，为冲击地压巷道的“三分区”结构模型示意图。将待预警巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径为ρ₀，巷道所处远场应力为P，巷道内支护应力为p_s。围岩出现塑性软化区与破碎区，产生的破碎区半径为ρ_f、塑性软化区半径为ρ。取单位长度进行计算，巷道周围煤体破坏采用摩尔-库仑屈服破坏准则，视其为静水压力状态的轴对称平面应变问题。

其中，当待预警巷道的断面形状不是圆形时，计算巷道临界地应力和临界采动峰值应力时，应选取当前巷道断面轮廓线的外接圆，进行等效得到圆形巷道半径值ρ₀，也即将待预警巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径ρ₀。如图4、图5所示，分别为矩形、梯形巷道等效为圆形巷道的示意图。上述等效方法的依据是，对于巷道冲击地压的发生来说，巷道围岩中具有承压、蓄能特性的弹性区是释放能量导致冲击启动的主体区。大量研究表明，任何断面形状的巷道，其承压蓄能结构的轮廓边界线都近似巷道断面实际轮廓线的外接圆。现场围岩破坏也表明，非圆形巷道轮廓线与其外接圆轮廓线所包围的面积正是易变形、垮冒的软化破碎区的一部分。

如图6所示，为巷道冲击地压启动的物理过程示意图。工作面的开采破坏了煤层中原岩应力场，形成了以应力集中为特征的采动应力场，尤其在巷道围岩中，一定围岩深度，将形成弹性区内的采动应力峰值区；此外，工作面的开采扰动，使得采煤工作面覆岩结构复杂，形成了大量的扰动震源，进而形成了扰动应力；在巷道系统中，应力峰值区煤岩处于不稳定的平衡状态，在覆岩扰动应力的载荷叠加作用下，弹性应力集中峰值区煤岩将超过临界采动峰值应力条件而导致其所积聚的弹性能量瞬间释放，最终形成冲击地压显现。本发明基于上述冲击地压发生的机理，对待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力进行计算。

步骤2.1：获取待预警巷道的支护应力p_s。

本实施例中，计算待预警巷道的支护应力p_s为

其中，所述待预警巷道的支护结构为锚网索支护结合超前液压支架支护；p_s顶为待预警巷道顶板的支护应力，p_s底为待预警巷道底板的支护应力，p_s左帮为待预警巷道左帮的支护应力，p_s右帮为待预警巷道右帮的支护应力。

p_s顶＝μ₁p_s锚+μ₂p_s架

其中，p_s锚为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆锚索的支护应力之和，

N₁为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N₂为顶板锚网索支护中一排支护内锚索的数量，F₁为锚杆的工作阻力，F₂为锚索的工作阻力，L₁为顶板锚网索支护中锚杆的排距，L₂为顶板锚网索支护中锚索的排距，B₁为待预警巷道在顶板的宽度。p_s架为巷道超前支护区支架的支护应力，

N₃为巷道超前支护区内支架的架数，F₃为支架的工作阻力，L₃为巷道超前支护长度。μ₁为锚网索支护的协调修正系数，μ₂为超前液压支架支护的协调修正系数，μ₁+μ₂＝2，μ₁的取值范围为0.5～1.5，μ₂的取值范围为0.5～1.5。理想状态下，锚网索与支架支护完全变形协调，μ₁＝μ₂＝1。本实施例中，取μ₁＝0.5，μ₂＝1.5。

其中，B₂为待预警巷道在底板的宽度；N_1左为左帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2左为左帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1左为左帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2左为左帮锚网索支护中锚索的排距；N_1右为右帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2右为右帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1右为右帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2右为右帮锚网索支护中锚索的排距；H为待预警巷道的高度。

本实施例中，计算得到p_s＝0.40MPa。

步骤2.2：基于冲击地压发生机理，考虑单轴抗压强度、弹性模量、冲击模量指数、残余降模量、残余强度系数，对待预警巷道冲击地压发生的临界地应力和临界采动峰值应力进行严格数理推导，并根据待预警巷道的断面形状对临界采动峰值应力进行优化：

煤岩在单轴压缩下的一维损伤演化方程为：

式(1)中，D为损伤变量，

为三维情况下的等效应变，α₀＝λ₂/E+(1-ξ)λ₂/λ₁+ξ。

由弹性理论，结合在弹性区与软化区交界处满足莫尔库伦准则σ_θ(ρ)＝mσ_r(ρ)+σ_c。因此，弹性区径向应力σ_r、环向应力σ_θ分别为

其中，

为塑性软化区的煤岩介质内摩擦角。r为半径变量，r取不同的值，代表巷道围岩的不同位置。

由式(2-2)可知，当r＝ρ时，得到巷道围岩应力集中处的采动应力P_m为

塑性软化区内(ρ_f＜r＜ρ)材料损伤的情况下，有效应力分量为

将莫尔-库仑屈服准则中的应力用有效应力代替，得

即

在软化区内，由几何方程和体积不可压缩假设，得软化区内等效应变

为

因此，软化区内损伤演化方程为：

不考虑体积力，将σ_θ＝mσ_r+(1-D)σ_c带入平衡方程，得到

设破碎区与塑性软化区交界处应力为p_f，结合边界条件，得径向应力分量为

在巷道破碎区范围内(ρ₀＜r＜ρ_f)，有效应力满足莫尔-库伦准则：

其中，

为破碎区的煤岩介质内摩擦角。

在破碎区内，由几何关系和体积不可压缩条件，得破碎区内等效应变

为

破碎区内损伤演化方程为：

由D(ρ_f)＝1-ξ，可得，

带入平衡微分方程，得到

结合边界条件

当r＝ρ_f时，得破碎区对塑性软化区的作用应力p_f为

其中，

根据上述公式(1)至(13)的解析，由r＝ρ径向应力连续条件，得巷道的系统方程为

考虑远场扰动，提出扰动响应失稳判据

该判据的物理意义在于，在应力增量dP的作用下(诸如，顶板断裂、断层错动或爆破振动等形式的采动应力增量)，塑性区半径增量dρ发生极大扩展，即表征了巷道冲击地压本质是围岩塑性区边界非线性增速失稳扩展及其带来的一系列的宏观响应。

因此，进一步得到待预警巷道冲击地压发生的临界破碎区半径ρ_fcr、临界软化区半径ρ_cr分别为

得到待预警巷道冲击地压发生的临界地应力P_cr为

p_fcr为待预警巷道冲击地压发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，

步骤2.3：将巷道冲击地压启动的临界地应力P_cr带入式(2-3)，得到待预警巷道冲击地压发生的围岩应力集中区的临界采动峰值应力为

其中，q的范围为1.2～2.0；本实施例中，ρ₀＝2.37m，

m＝3，q＝2.0，计算得到临界破碎区半径ρ_fcr＝12.19m，临界软化区半径ρ_cr＝18.26m，临界地应力P_cr＝30.54MPa，围岩应力集中区的临界采动峰值应力P_mcr＝47.16MPa。

步骤2.4：根据待预警巷道的断面形状，优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力为P_mcr ^*＝n₁×P_mcr；其中，P_mcr ^*为优化后的待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力，n₁为断面修正系数；当待预警巷道的断面形状为矩形、梯形、直墙拱形、圆形时，n₁分别取0.89、0.92、0.95、0.98。

本实施例中，待预警巷道的断面形状为矩形，从而断面修正系数n₁取0.89，得到优化后的临界采动峰值应力P_mcr ^*＝41.97MPa。

本发明基于冲击地压发生的量化机理，考虑单轴抗压强度、弹性模量、冲击模量指数、残余降模量、残余强度系数，经上述严格的数理推导，得到待预警巷道冲击地压发生的临界地应力与临界采动峰值应力，并根据待预警巷道的断面形状对临界采动峰值应力进行优化，使得计算出的临界采动峰值应力更贴近现实，大大提高了临界采动峰值应力的计算精度。

步骤3：获取待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀。

本实施例中，如图7所示，采用国家标准GB/T25217.7—2019中的采动应力监测方法对待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀进行监测。其中，在该采动应力监测方法中，每组应力传感器包括两个应力传感器，将其中一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到当前软化区半径ρ的煤壁里侧端点位置、另一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到临界软化区半径ρ_cr的煤壁里侧端点位置。

本实施例中，探测得到采动峰值应力P₀＝39.94MPa。

本发明利用基于冲击地压发生的量化机理计算出的待预警巷道冲击地压发生的临界软化区半径，来指导上述采动峰值应力的监测过程，大大提高了采动峰值应力的监测精度。

步骤4：计算待预警巷道的最大容许扰动应力σ_bmax＝ω(P_mcr ^*-P₀)，计算最大容许扰动应力σ_bmax对应的煤体质点震动峰值速度

其中，考虑到矿震动载叠加静载的不均匀性，定义ω为扰动应力不均匀叠加系数，其受工作面地质赋存与开采条件影响，一般工程上统计选取为0.75～0.95；ρ_c为待预警巷道的煤岩密度。

煤体质点震动峰值速度v_max根据待预警巷道的扰动应力σ_b与煤体质点速度v之间的关系σ_b＝ρ_ccv，取c＝2v计算得到。ρ_cc为待预警巷道的煤岩特征阻抗，c为纵波波速。

本实施例中，ρ_c＝1.35g/cm³，取ω＝0.85，计算得到σ_bmax＝1.73MPa，v_max＝0.80m/s。

步骤5：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值：

步骤5.1：结合A.Mcgarr建议的质点峰值速度v、震源中心到岩爆冲击破坏点的距离R与震级M_L之间的关系式lg(Rv)＝3.95+0.57M_L和震级M_L与能量E之间的经验关系式lgE＝aM_L+b，计算震中距为100m时，待预警巷道的微震单值预警能量初值为

Q_(R＝100)＝(10^{2.05+57b/(100a)}v_max)^100a/57

其中，a、b分别为微震系统中震级与能量转化线性公式lgE＝aM_L+b中的比例值、截距；R为微震事件的震中距，所述震中距为微震事件的震源中心到待预警巷道的最短距离。

本实施例中，微震系统为ARAMISM/E微震监测系统，通过统计分析红阳矿区的微震定位能量和当地地震台网震级数据，得到该微震系统中震级与能量转化的线性公式，该公式中的比例值a＝1.9、截距b＝1.9，计算得到Q_(R＝100)＝2.58e+08J。

步骤5.2：寻找最危险微震诱冲能量：

步骤5.2.1：实时统计待预警巷道的微震系统监测到的所有历史微震事件，构成待预警历史微震事件集合，得到第i个历史微震事件的发生时间T_i、震源中心三维坐标S_i＝(X_i,Y_i,Z_i)、能量Q_i；其中，i∈{1,2,...,I}，I为历史微震事件总数，X_i、Y_i、Z_i分别为第i个历史微震事件的震源中心在矿区坐标系X、Y、Z轴的坐标值；

步骤5.2.2：根据第i个历史微震事件的震源中心三维坐标S_i，计算第i个历史微震事件的震中距R_i；

步骤5.2.3：将第i个历史微震事件的能量Q_i折算为该微震事件的震中距为100m时的等效能量值

步骤5.2.4：寻找待预警历史微震事件集合中有巷道冲击地压显现的所有历史微震事件的等效能量值中的最小能量值

作为最危险微震诱冲能量。

本实施例中，

步骤5.3：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值为

本实施例中，

步骤6：计算第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险动态指数为

步骤7：根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级；冲击危险动态指数W_i越大冲击危险等级越高。

本实施例中，如表1所示，根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，具体包括：

当W_i<0.25时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无；

当0.25≤W_i＜0.5时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱；

当0.5≤W_i＜0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中；

当W_i≥0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强。

表1中，还根据第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，采取对应的冲击预警处置措施，具体包括：

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无时，冲击预警处置措施为正常回采、限员管理；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱时，冲击预警处置措施为卸压解危、加强支护；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中时，冲击预警处置措施为加强煤体卸压、强化断顶断底；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强时，冲击预警处置措施为全面论证、优化防冲工艺与参数、优化推采速度、强化卸压与支护。

表1

本实施例中，还将待预警历史微震事件集合中所有历史微震事件的冲击危险动态指数{W₁,W₂,...,W_i,...,W_I}依据发生时间和震源中心三维坐标绘制成时空判别图：

所述时空判别图包括时序分布判别图与空间分布判别图。

所述时序分布判别图以微震事件发生时间为横坐标、以微震事件的能量及冲击危险动态指数为纵坐标。

所述空间分布判别图为根据微震事件的震源中心三维坐标，将微震事件以离散点的形式标注在矿方提供的采掘工程图上，并采用自动绘制等值线方法中的三角形法插值算法、根据微震事件离散点及微震事件的冲击危险动态指数绘制出的微震事件冲击危险动态指数分布的全局等值线图。

本实施例中，辽宁沈阳红阳矿区某矿主采3#、4#近水平煤层。煤厚约3.5～4.6m，煤层间距约60m，3#煤层上覆50m有14m厚65MPa的砂岩层组。

待预警巷道所处的煤层为4#煤层，对应的工作面为该矿目前回采的408工作面，该工作面的埋深约850～997m。煤层顶底板均具有弱冲击倾向性。408工作面上覆3#煤层中倾向布置的304、306、302、310工作面已开采完毕，并在304工作面、302工作面切眼处形成部分切眼煤柱、区段煤柱遗留区，形成了不稳定顶板垮冒结构，易形成远场扰动应力。

本实施例中，得到408工作面3月份微震事件的时序分布判别图如图8所示、空间分布判别图如图9所示。特别地，距离408工作面530m处406工作面曾发生一起由矿震引起的多人伤亡冲击地压事故，事故发生时震感强烈。

由图9可以看出，等值线密集区为冲击危险动态指数较大的区域，经计算，有1个弱冲击危险集中区，2个中等冲击危险集中区，1个强冲击危险集中区(冲击危险动态指数值达到1.12)。4处危险区正好处于上覆60m范围内的3#煤层老采空区遗留煤柱应力集中区内，危险区的判识位置、危险程度和井下冲击震感、煤体掉渣等动力显现具有良好的对应关系。

可见，本发明的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法同时考虑了动载源的“矿震扰动”场与静载源的“采动应力”场，将震动-应力双场监测的数据统一于巷道冲击地压危险性预警当中，得到了基于冲击地压发生机理的严格数理判据，实现了静动载荷叠加致冲原理的数理量化表达，其数理意义科学明确，考虑巷道冲击启动因素系统、全面，预警指标更具针对性，提高了开采中工作面冲击危险性动态量化预警的准确性和可靠性，能够精准指导冲击地压治理工程。

而且本发明将待预警历史微震事件集合中所有历史微震事件的冲击危险动态指数依据发生时间和震源中心三维坐标绘制成时空判别图，实现了时序预警及按冲击危险等级指出空间预警范围，能够直观地表征历史微震事件的危险程度、危险区域及其演化规律，为冲击地压的趋势预测、精准防治提供更加可靠的数据依据，当有大能量事件出现而预警后能够确定巷内强化卸压和强化支护的施工位置，精准指导现场施工人员对巷道冲击地压的防治工作。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述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。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：获取待预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σ_c、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ₁/E、残余降模量λ₂、残余强度系数ξ；其中，λ₁为峰后软化模量；

步骤2：计算并优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力：

步骤2.1：获取待预警巷道的支护应力p_s；

步骤2.2：计算待预警巷道冲击地压发生的临界破碎区半径ρ_fcr、临界软化区半径ρ_cr分别为

计算待预警巷道冲击地压发生的临界地应力P_cr为

其中，ρ₀为将待预警巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径；

为塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，p_fcr为待预警巷道冲击地压发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，

其中，

为破碎区的煤岩介质内摩擦角，α和β均为与岩石力学参数有关的中间变量，

步骤2.3：计算待预警巷道冲击地压发生的围岩应力集中区的临界采动峰值应力为

步骤2.4：根据待预警巷道的断面形状，优化待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力为P_mcr ^*＝n₁×P_mcr；其中，P_mcr ^*为优化后的待预警巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力，n₁为断面修正系数；当待预警巷道的断面形状为矩形、梯形、直墙拱形、圆形时，n₁分别取0.89、0.92、0.95、0.98；

步骤3：获取待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀；

步骤4：计算待预警巷道的最大容许扰动应力σ_bmax＝ω(P_mcr ^*-P₀)，计算最大容许扰动应力σ_bmax对应的煤体质点震动峰值速度

其中，ω为扰动应力不均匀叠加系数，ρ_c为待预警巷道的煤岩密度；

步骤5：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值：

步骤5.1：计算震中距为100m时，待预警巷道的微震单值预警能量初值为

Q_(R＝100)＝(10^{2.05+57b/(100a)}v_max)^100a/57

其中，a、b分别为微震系统中震级与能量转化线性公式中的比例值、截距；R为微震事件的震中距，所述震中距为微震事件的震源中心到待预警巷道的最短距离；

步骤5.2：寻找最危险微震诱冲能量：

步骤5.2.1：实时统计待预警巷道的微震系统监测到的所有历史微震事件，构成待预警历史微震事件集合，得到第i个历史微震事件的发生时间T_i、震源中心三维坐标S_i＝(X_i,Y_i,Z_i)、能量Q_i；其中，i∈{1,2,...,I}，I为历史微震事件总数，X_i、Y_i、Z_i分别为第i个历史微震事件的震源中心在矿区坐标系X、Y、Z轴的坐标值；

步骤5.2.2：根据第i个历史微震事件的震源中心三维坐标S_i，计算第i个历史微震事件的震中距R_i；

步骤5.2.3：将第i个历史微震事件的能量Q_i折算为该微震事件的震中距为100m时的等效能量值Q_i(R＝100)；

步骤5.2.4：寻找待预警历史微震事件集合中有巷道冲击地压显现的所有历史微震事件的等效能量值中的最小能量值

作为最危险微震诱冲能量；

步骤5.3：计算待预警巷道的微震单值预警能量标准值为

步骤6：计算第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险动态指数为

步骤7：根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级；冲击危险动态指数W_i越大冲击危险等级越高。

2.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤2.1中，获取待预警巷道的支护应力p_s，包括：

计算待预警巷道的支护应力p_s为

其中，所述待预警巷道的支护结构为锚网索支护结合超前液压支架支护；p_s顶为待预警巷道顶板的支护应力，p_s底为待预警巷道底板的支护应力，p_s左帮为待预警巷道左帮的支护应力，p_s右帮为待预警巷道右帮的支护应力；

p_s顶＝μ₁p_s锚+μ₂p_s架

其中，p_s锚为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆锚索的支护应力之和，

N₁为顶板锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N₂为顶板锚网索支护中一排支护内锚索的数量，F₁为锚杆的工作阻力，F₂为锚索的工作阻力，L₁为顶板锚网索支护中锚杆的排距，L₂为顶板锚网索支护中锚索的排距，B₁为待预警巷道在顶板的宽度；p_s架为巷道超前支护区支架的支护应力，

N₃为巷道超前支护区内支架的架数，F₃为支架的工作阻力，L₃为巷道超前支护长度；μ₁为锚网索支护的协调修正系数，μ₂为超前液压支架支护的协调修正系数，μ₁+μ₂＝2，μ₁的取值范围为0.5～1.5，μ₂的取值范围为0.5～1.5；

其中，B₂为待预警巷道在底板的宽度；N_1左为左帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2左为左帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1左为左帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2左为左帮锚网索支护中锚索的排距；N_1右为右帮锚网索支护中一排支护内锚杆的数量，N_2右为右帮锚网索支护中一排支护内锚索的数量，L_1右为右帮锚网索支护中锚杆的排距，L_2右为右帮锚网索支护中锚索的排距；H为待预警巷道的高度。

3.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤3中，获取待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀，包括：采用国家标准GB/T 25217.7—2019中的采动应力监测方法对待预警巷道围岩中煤体的采动峰值应力P₀进行监测；其中，在该采动应力监测方法中，每组应力传感器包括两个应力传感器，将其中一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到当前软化区半径ρ的煤壁里侧端点位置、另一个应力传感器的敏感元件伸出待预警巷道围岩中达到临界软化区半径ρ_cr的煤壁里侧端点位置。

4.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤4中，ω的取值范围为0.75～0.95。

5.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤5.2.3中，将第i个历史微震事件的能量Q_i折算为该微震事件的震中距为100m时的等效能量值Q_i(R＝100)为

6.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤7中，根据冲击危险动态指数W_i，确定第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，具体包括：

当W_i<0.25时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无；

当0.25≤W_i＜0.5时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱；

当0.5≤W_i＜0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中；

当W_i≥0.75时，第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强。

7.根据权利要求6所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤7中，还根据第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级，采取对应的冲击预警处置措施，具体包括：

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为无时，冲击预警处置措施为正常回采、限员管理；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为弱时，冲击预警处置措施为卸压解危、加强支护；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为中时，冲击预警处置措施为加强煤体卸压、强化断顶断底；

当第i个历史微震事件对待预警巷道的冲击危险等级为强时，冲击预警处置措施为全面论证、优化防冲工艺与参数、优化推采速度、强化卸压与支护。

8.根据权利要求1所述的基于震动-应力双场监测的冲击危险性动态量化预警方法，其特征在于，所述步骤7中，还将待预警历史微震事件集合中所有历史微震事件的冲击危险动态指数{W₁,W₂,...,W_i,...,W_I}依据发生时间和震源中心三维坐标绘制成时空判别图；

所述时空判别图包括时序分布判别图与空间分布判别图；

所述时序分布判别图以微震事件发生时间为横坐标、以微震事件的能量及冲击危险动态指数为纵坐标；

所述空间分布判别图为根据微震事件的震源中心三维坐标，将微震事件以离散点的形式标注在矿方提供的采掘工程图上，并采用自动绘制等值线方法中的三角形法插值算法、根据微震事件离散点及微震事件的冲击危险动态指数绘制出的微震事件冲击危险动态指数分布的全局等值线图。

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