CN113982680A - 煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，属于煤矿矿震预测技术领域。该方法首先根据工作面附近的钻孔确定采煤工作面上覆岩层，并进行关键层划分，确定关键层断裂的步距及其它参数；然后根据矿震能量计算公式计算各关键层断裂时产生的能量，并转化成相应的里氏震级，以最大主关键层断裂时产生的矿震作为此工作面生产过程中预测的最大矿震，从而指导矿井实际生产过程中防震减冲措施的制定，实现防治矿震灾害由被动转变为主动的改变。该方法效率高、经济、安全且具有针对性，适用于由多层关键层断裂诱发的矿震。

Description

煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法

技术领域

本发明涉及煤矿矿震预测技术领域，特别是指一种煤矿多层关键层断裂型 矿震能量计算与最大矿震预测方法。

背景技术

我国是一个受矿震影响比较严重的国家，在一些矿井，矿震已经成最主要 的灾害之一，其不仅阻碍了矿井的生产，而且威胁着矿区人员生命和财产安全。

但现阶段煤矿矿震灾害的治理还需进一步的发展和提高，目前，评估矿震 灾害事故的震级和能量一般通过监测仪器得来，而未从理论上给出矿震能量和 震级的计算公式，矿震灾害事故只能“先”发生，“后”被监测仪器接收到， 不能够做到预测、预报矿震，矿井只能做一些“无针对性、无效率性”的防震 减灾措施。

鉴于此，本发明针对多层关键层断裂型矿震，提出了矿震能量和震级理论 的计算方法，并对多层关键层断裂型矿震的最大震级进行了预测，以解决上述 提出的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿多层关键层断裂型矿震能量计 算与最大矿震预测方法。

该方法包括步骤如下：

S1：在采煤工作面A附近选取不少于3个钻孔，根据钻孔的展示情况确定 工作面上覆岩层的岩性和岩层的厚度；

S2：采煤工作面A煤层的顶部标高设为P₁，微震设备监测的微震事件破裂 位置的z坐标设为P_z，则微震事件距离煤层顶部的距离Hz＝P_z-P₁，以工作面推 进距离为横坐标，Hz为纵坐标，绘制微震事件位置分布图，找到Hz的突然跳 跃位置，对比已知资料中钻孔柱状图确定各微震事件对应的关键层；

S3：用关键层判别公式(1)得出上覆岩层的关键层一、关键层二、关键 层三、……、关键层n，用岩层断裂步距公式(2)计算出每一关键层的断裂 步距X₁、X₂、X₃、……X_n；

(q_n+1)₁＜(q_n)₁ (1)

其中，(q_n)₁、(q_n+1)₁分别为关键层n、关键层n+1层对关键层一产生作 用时形成的载荷，n≥1；m_i、R_Ti、q_i分别为关键层i的厚度、抗拉强度和所受 载荷，i＝1,2,……，n；

S4：根据矿震能量计算公式(3)计算出关键层断裂时产生的矿震能量E_i：

E_i＝λ(E_重力势能+E_{关键层弹性应变能}+E_{转移应变能}) (3)

其中，λ为重力势能和应变能转化为震动能量的转化系数，λ<1；

在实际应用中，矿震的能量在矿震发生后可以通过微震监测设备得到，根 据监测得到的矿震能量，结合计算得到的，求比值，可知转化系数λ，该转 化系数可应用于该矿后续预测中。如，若之前的矿震数据中微震设备监测到的 矿震的能量是7×10⁵J，而通过S4中E_{重力势能+}E_{关键层弹性应变能}+E_{转移应变能}得到的结果 是10×10⁵J，因此，λ的取值为0.7，该结果在后续进行矿震能量计算和最大 能量矿震预测时，可以直接使用。

S5：把S4中得到的矿震能量E_i，通过公式(4)转换为里氏震级M_理论：

logE_i＝4.8+1.5M_理论 (4)

S6：通过公式(5)建立理论矿震震级M_理论与微震监测仪器监测到的矿震 震级M_监测之间的对应关系：

M_理论＝βM_监测 (5)

其中，β为地层系数，根据矿井具体情况确定；

S7：选取S4中得到的上覆主关键层断裂时产生的最大级别的矿震E_max，作 为此工作面的预测最大矿震能量。

其中，S1中钻孔从开切眼的位置开始依次间隔不大于500m进行选取。

S4中E_重力势能的计算公式如下：

E_重力势能＝mgh₀＝ρVgh₀＝ρldhgh₀ (6)

其中，m为关键层及其控制岩层的质量，g为物体的重力加速度，h₀为关 键层及其控制岩层向下运动的距离，ρ为运动岩层的密度，v为运动岩层的体 积，l为工作面推进距离，实际计算时，认为当工作面的推进距离达到关键层 的断裂步距时，关键层就发生垮落，即l＝X_i，d为工作面的宽度，h为关键层 及其控制岩层的厚度。

S4中E_{关键层弹性应变能}具体为：

E_{关键层弹性应变能}＝U＝∫∫∫_VU₁dV (7)

其中，U₁为应变能密度，具体为：

其中，e为弹性模量，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为X方向主应 力、Y方向主应力、Z方向主应力、XY方向的剪切应力、YZ方向的剪切应力和 ZX方向的剪切应力，μ为泊松比，v为关键层的体积；

实际释放的弹性应变能与理论计算的关键层弹性应变能，以及转移应变能 与下一层关键层弹性应变能之间的关系为：

E_{实际释放弹性应变能}＝ξE_{关键层弹性应变能} (9)

E_{转移应变能}＝kE_{(i-1)关键层弹性应变能} (10)

其中，k为应变能转移系数，k为经验值，k小于0.5；ξ为应变能转化系 数，ξ为经验值，ξ大于0.5；i为第i个关键层，i-1指第i个关键层下方 的关键层，0≤k＜ξ≤1。

S4中关键层断裂时产生的矿震能量Ei具体为：

其中：λ为重力势能和应变能转化为震动能量的转化系数，d为工作面的 宽度，g为物体的重力加速度，ρ为运动岩层的密度，h₀为关键层及其控制岩 层向下运动的距离，ξ为应变能转化系数，e为弹性模量，X_i为关键层i的断 裂步距，σ_x、σ_y、σ_z分别为X方向主应力、Y方向主应力、Z方向主应力， μ为泊松比，h_i为第i个关键层距煤层顶部的距离，h_i-1为第i-1个关键层距 煤层顶部的距离，h_i-2为为第i-2个关键层距煤层顶部的距离，k为应变能转 移系数。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，能够提前计算由关键层断裂诱发矿震的能量，并且能够预测 采煤工作面开采过程中的最大矿震等级，避免了矿震只能“先发生后知道”的 被动防治局面，矿井可以根据上述方法预测矿震的等级，采取主动的、有针对 性的防震减灾措施，实现“有震无灾”的治理目标，保障矿井的安全生产。

附图说明

图1为本发明的煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方 法流程图；

图2为本发明的多层关键层断裂型矿震能量传递与转移示意图；

图3为本发明的工作面推采过程中微震事件的位置分布图；

图4为本领域常见的矿井钻孔柱状图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方 法。

如图1、图2所示，该方法包括步骤如下：

S1：在采煤工作面A附近选取不少于3个钻孔，根据钻孔的展示情况确定 工作面上覆岩层的岩性(岩性主要是对上覆岩层进行分类，例如，上覆岩层可 以有细砂岩，粉砂岩，粗砂岩等，这些岩层对应了不同的岩层性质，例如颜色， 结构，抗压强度，摩擦角等，如图4所示)和岩层的厚度；

S2：采煤工作面A煤层的顶部标高设为P₁，微震设备监测的微震事件破裂 位置的z坐标设为P_z，则微震事件距离煤层顶部的距离Hz＝P_z-P₁，以工作面推 进距离为横坐标，Hz为纵坐标，绘制微震事件位置分布图，找到Hz的突然跳 跃位置，对比钻孔柱状图(钻孔和钻孔柱状图是已知的地质材料，里面包含岩 层的类别，埋深，厚度，基本的描述等信息)确定各微震事件对应的关键层； 在实际应用中，如图3所示，统计分析发现在工作面前400m的推进过程中， 顶板的破裂高度维持在据煤层上方150m左右，当工作面推进的距离超过400m时，顶板的破裂高度已达到据煤层250m，存在着明显的矿震位置跳跃段，判 断此工作面回采过程中的矿震由关键层断裂引起；

S3：用关键层判别公式(1)得出上覆岩层的关键层一、关键层二、关键 层三、……、关键层n，用岩层断裂步距公式(2)计算出每一关键层的断裂 步距X₁、X₂、X₃、……X_n；

(q_n+1)₁＜(q_n)₁ (1)

其中，(q_n)₁、(q_n+1)₁分别为关键层n、关键层n+1层对关键层一产生作 用时形成的载荷，n≥1；m_i、R_Ti、q_i分别为关键层i的厚度、抗拉强度和所受 载荷；

把上述公式(1)、公式(2)中需要的参数带入，其中，R_Ti分别取值为8、 9和9Mpa，可得此工作面上方共存在三组关键层，分别为第一关键层，距离煤 层9.24m、厚30.87m的长石石英中粒砂岩；第二关键层：距煤层87.48m、厚 51.29m的细粒砂岩；第三关键层：距煤层158.77m、厚190m的细粒砂岩；断 裂步距X_i分别为90m，162m，350m。

S4：根据矿震能量计算公式(3)计算出关键层断裂时产生的矿震能量E_i：

E_i＝λ(E_重力势能+E_{关键层弹性应变能}+E_{转移应变能}) (3)

其中，λ为重力势能和应变能转化为震动能量的转化系数，λ<1，此时， 取0.7；

关键层的抗拉强度R_Ti取9MPa，断裂步距l取350m，弹性模量e取2.8× 10¹⁰Pa，工作面的宽度d取250m，密度ρ取2.5×10³N/m³，重力加速度g取 10m/s²，工作面采高h取5m，泊松比取0.3把上述相关参数带入公式(6)，(7) (9)(10)，可得E_重力势能为1.04×10¹²J，E_{关键层弹性应变能}为6.27×10¹⁰J，E_{关键层转移应变能}为7.64×10⁹J，E_maxi为8.4×10¹¹J。

S5：把S4中得到的矿震能量E_i，通过公式(4)转换为里氏震级M_理论：

logE_i＝4.8+1.5M_理论 (4)

S6：通过公式(5)建立理论矿震震级M_理论与微震监测仪器监测到的矿震 震级M_监测之间的对应关系：

M_理论＝βM_监测 (5)

其中，β为地层系数，此时取2；

S7：计算上覆主关键层断裂时产生的最大级别的矿震E_max，作为此工作面 的预测最大矿震能量。

即，根据上述参数，上覆主关键层断裂时产生的最大级别的矿震E_max为 8.4×10¹¹J，求得此工作面开采的过程主关键层断裂时产生的最大矿震为里氏 3.2级，接近微震设备监测到的最大矿震2.8级，证明了理论计算公式和预测 方法的正确性。

其中，S1中钻孔从开切眼的位置开始依次间隔不大于500m进行选取。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，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。

Claims (5)

1.一种煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：在采煤工作面A附近选取不少于3个钻孔，根据钻孔的展示情况确定工作面上覆岩层的岩性和岩层的厚度；

S2：采煤工作面A煤层的顶部标高设为P₁，微震设备监测的微震事件破裂位置的z坐标设为P_z，则微震事件距离煤层顶部的距离Hz＝P_z-P₁，以工作面推进距离为横坐标，Hz为纵坐标，绘制微震事件位置分布图，找到Hz的突然跳跃位置，对比已知资料中钻孔柱状图确定各微震事件对应的关键层；

S3：用关键层判别公式(1)得出上覆岩层的关键层一、关键层二、关键层三、……、关键层n，用岩层断裂步距公式(2)计算出每一关键层的断裂步距X₁、X₂、X₃、……X_n；

(q_n+1)₁＜(q_n)₁ (1)

其中，(q_n)₁、(q_n+1)₁分别为关键层n、关键层n+1层对关键层一产生作用时形成的载荷，n≥1；m_i、R_Ti、q_i分别为关键层i的厚度、抗拉强度和所受载荷，i＝1,2,……，n；

S4：根据矿震能量计算公式(3)计算出关键层断裂时产生的矿震能量E_i：

E_i＝λ(E_重力势能+E_{关键层弹性应变能}+E_{转移应变能}) (3)

其中，λ为重力势能和应变能转化为震动能量的转化系数，λ<1；

S5：把S4中得到的矿震能量E_i，通过公式(4)转换为里氏震级M_理论：

log E_i＝4.8+1.5M_理论 (4)

S6：通过公式(5)建立理论矿震震级M_理论与微震监测仪器监测到的矿震震级M_监测之间的对应关系：

M_理论＝βM_监测 (5)

其中，β为地层系数；

S7：选取S4中得到的上覆主关键层断裂时产生的最大级别的矿震E_max，作为此工作面的预测最大矿震能量。

2.根据权利要求1所述的煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，其特征在于：所述S1中钻孔从开切眼的位置开始依次间隔不大于500m进行选取。

3.根据权利要求1所述的煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，其特征在于：所述S4中E_重力势能的计算公式如下：

E_重力势能＝mgh₀＝ρVgh₀＝ρldhgh₀ (6)

其中，m为关键层及其控制岩层的质量，g为物体的重力加速度，h₀为关键层及其控制岩层向下运动的距离，ρ为运动岩层的密度，v为运动岩层的体积，l为工作面推进距离，实际计算时，取l为X_i，d为工作面的宽度，h为关键层及其控制岩层的厚度。

4.根据权利要求1所述的煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，其特征在于：所述S4中E_{关键层弹性应变能}具体为：

E_{关键层弹性应变能}＝U＝∫∫∫_VU₁dV (7)

其中，U₁为应变能密度，具体为：

其中，e为弹性模量，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为X方向主应力、Y方向主应力、Z方向主应力、XY方向的剪切应力、YZ方向的剪切应力和ZX方向的剪切应力，μ为泊松比，v为关键层的体积；

实际释放的应变能与理论计算的关键层弹性应变能，以及转移应变能与下一层关键层弹性应变能之间的关系为：

E_{实际释放弹性应变能}＝ξE_{关键层弹性应变能} (9)

E_{转移应变能}＝kE_{(i-1)关键层弹性应变能} (10)

其中，k为应变能转移系数，k为经验值，k小于0.5；ξ为应变能转化系数，ξ为经验值，ξ大于0.5；i为第i个关键层，i-1指第i个关键层下方的关键层，0≤k＜ξ≤1。

5.根据权利要求1所述的煤矿多层关键层断裂型矿震能量计算与最大矿震预测方法，其特征在于：所述S4中关键层断裂时产生的矿震能量E_i具体为：

其中：λ为重力势能和应变能转化为震动能量的转化系数，d为工作面的宽度，g为物体的重力加速度，ρ为运动岩层的密度，h₀为关键层及其控制岩层向下运动的距离，ξ为应变能转化系数，e为弹性模量，X_i为关键层i的断裂步距，σ_x、σ_y、σ_z分别为X方向主应力、Y方向主应力、Z方向主应力，μ为泊松比，h_i为第i个关键层距煤层顶部的距离，h_i-1为第i-1个关键层距煤层顶部的距离，h_i-2为为第i-2个关键层距煤层顶部的距离，k为应变能转移系数。

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