CN114088782B - 一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，适用于现场煤岩层突水灾害的监测预警。对预制导水通道与诱导空穴的试样施加轴向应力与水介质渗流作用，模拟煤岩体突水灾害孕育发展过程；同时在试样表面布置多个电位测点，测试试样变形破裂过程的电位信号与渗流参数；然后进行电位反演成像，基于隶属度指标定义电位反演值的危险临界值，对试样内部突水危险区域进行判识。本发明的电位反演结果精度高，测试过程近似“无损”，能够为监测预警现场煤岩层突水灾害提供新的技术手段。

Description

一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩体突水危险区域的判识方法，尤其适用于渗流灾害预警使用的一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法。

背景技术

突水灾害严重地威胁着井下煤炭资源的安全开采，一旦发生则会造成重大的人身伤亡和财产损失。随着我国煤炭资源逐渐进入深部开采阶段，高地应力、高渗透压及强烈开采扰动特征突出，突水灾害的威胁更加严峻。对突水灾害危险区域的精细判识是突水事故监测预警的基础和前提。

常规突水预警方法主要是通过监测地应力、渗透压力、涌水量等静态数据研究突水前兆信息与危险区域，但受限于采样点数量及复杂地质条件构造，具有一定的抽检性质，所包含的信息量有限，监测范围不够精细，存在一定的漏报、误报情况。

煤岩体突水灾害的孕育发展过程，本质上是地应力与地下水渗流共同作用下煤岩体损伤破坏不断加剧、内部裂隙场不断扩展的过程。研究表明，煤岩体变形破裂过程能够产生电位信号的响应，而水在煤岩体裂隙萌生与扩展区域内流动能够在裂隙介质表面产生流动电位。因此煤岩体局部损伤剧烈区域，内部裂隙扩展丰富，渗透压大，突水危险程度较高，可视为异常电荷源。通过在试样表面测试电位信号并进行电位反演成像，能够揭示煤岩体内部电位空间分布的异常特征，识别异常电荷源，从而划分并判识突水危险区域。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域的电位判识方法，其通过实验模拟采煤现场应力与渗流作用下煤岩体变形破裂过程，测试电位信号与渗流参数，利用电位反演成像结果精细判识煤体内部突水危险区域，能够快速有效的对煤岩体突水危险区域进行判识。

为了实现上述技术目的，本发明的一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，具体步骤如下：

a制备柱状结构的煤岩试样，煤岩试样中心设有扁平状椭球形空间的诱导空穴，煤岩试样内轴向设有贯通的导水通道，导水通道与诱导空穴联通；

b在煤岩试样的导水通道顶底部分别通过柔性密封体连接两根管路作为渗流通道，导水通道顶部通过渗流通道与渗流控制主机的输出端连接，导水通道底部通过渗流通道与渗流控制主机的输入端连接；

c在煤岩试样的顶底两端分别通过密封箍固定密封帽，之后将煤岩试样放入压机头与加载底座之间，其中煤岩试样与压机头、加载底座之间分别设有加载垫块；

d在煤岩试样的侧壁对称设置两列贴片式的电位测试电极，同一侧的电位测试电极处于同一垂线上等间距排列布置，两侧电位测试电极成对设置，所有电位测试电极的尾端通过导线分别与多通道电位测试仪连接；

e渗流控制主机通过导水通道向煤岩试样内部注入高压水，在煤岩试样内形成渗流环境；在计算机中模拟煤岩试样被两列电位测试电极切割构成的垂直剖面，并将该垂直剖面作为电位反演区域显示，之后在电位反演区域进行网格化处理，从而在电位反演区域中形成多个用于定位的网格点，所有的网格点构成电位反演云图；

f启动压机头从而向下挤压内部形成渗流环境的煤岩试样，同时多通道电位测试仪利用电位测试电极实时采集煤岩试样的电位数据，通过电位反演计得到电位反演云图所有网格点的电位反演数值，利用计算机根据时间轴存储不同时刻下电位反演云图所有网格点的电位反演数值，直至压机头将煤岩试样压裂后停止；

g重复步骤e-步骤f对多块煤岩试样的电位反演数值进行存储，之后统计不同时刻电位反演云图中全部网格点的电位反演数值，求得电位反演数值与其对应的隶属度值之间的函数关系，即隶属度函数，根据隶属度指标求得对应的电位反演值的危险临界值；利用所有网格点的电位反演值进行插值计算，得到电位反演区域的电位反演云图，然后利用危险临界值与各处网格点的电位反演数值进行比较从而判识出超过危险临界值的网格点，将所有网格点标记出来即可获得当前时刻的电位反演云图中的异常区域位置，从而判断出该区域内存在裂隙萌生与扩展，或者导水通道中的高压水浸入该区域，该区域为突水危险区域；

h将煤岩试样剖开，观察煤岩试样内部裂隙分布区域及浸水区域，对电位反演云图中的突水危险区域进行验证；迭代修正隶属度指标及其对应的电位反演之的危险临界值，提升并优化电位判识结果的准确率，实现精细判识煤岩体突水危险区域的电位监测。

突水危险区域电位判识中电位反演值的计算步骤为：

s1.1在煤岩试样5表面的一侧等间距Δx地布置电位测试电极，选取某时刻测试任意相邻电位测试电极间电位差ΔV(x)，可求得两测点中点位置沿该测线方向的电场强度分量E_x(x)：

E_x(x)＝-ΔV(x)/Δx Ⅰ

s1.2假设垂直剖面内电位反演区域任意网格点的坐标为(x_i,y_i)，计算该点的扫描函数

s1.3该点存在异常电荷源的概率为η(x_i,y_i)：

s1.4η(x_i,y_i)即为该点的电位反演值，表示该点发生突水危险程度的大小。

其中：

s1.5根据同一时刻煤岩试样另一侧电极测试得到的电位数据按照同样的步骤a21～24进行电位反演计算，得到同一网格点的电位反演值，将两侧电位测试电极的电位数据加权叠加，得到修正后的电位反演值。

选择多个时刻，得到多个时刻的电位反演云图，将这些电位反演云图中所有网格点的电位反演值统计在一个集合里，得到隶属度函数电位反演值的危险临界值：

s2.1选取试样受载过程不同时刻的电位数据分别进行反演成像，从多个反演云图中获取多个网格点的电位反演值，将所有的电位反演值按照从小到大顺序排列并划分统计区间，利用模糊数学统计方法统计每个区间内的数值个数，拟合得到电位反演值与电位反演值隶属度的函数关系；

s2.2根据模糊数学理论，初次定义电位反演值的隶属度分别为0.5与0.7时，将对应的电位反演值为判识突水危险的电位反演值的危险临界，即轻度危险临界值0.5，重度危险临界值为0.7；

s2.3基于上述轻度危险临界值与重度危险临界值，对电位反演云图中的突水危险进行区域划分与定量判识，具体来说，依次将电位反演云图中的网格点的电位反演值与轻度危险临界值与重度危险临界值进行比较，若高于重度危险临界值，则判断该网格点的区域为突水危险的重度危险区域，若高于轻度危险的临界值低于重度危险临界值，则判断该网格点的区域为轻度危险区域，若小于轻度危险临界值则判断为无危险区域；

s2.4将判断结果与步骤h中实际情况进行比较验证，将煤岩试样剖开，通过观察煤岩试样截面中出现显著的裂隙扩展或高压水浸润该区域，判断是否具有突水危险，从而验证轻度危险临界值与重度危险临界值的取值是否合理：：当测试值低于临界值时，没有突水危险的概率应高于95％；当测试指标高于临界值时，具有突水危险的概率应高于60％；再进行迭代修改，直至得到符合判识要求的隶属度的值和它对应的电位反演值的危险临界值。

煤岩试样内部的导水通道为细长的圆柱形空间，诱导空穴为扁平状椭球形空间，导水通道与诱导空穴连通，便于注水；当对煤岩试样施加轴向载荷与渗透压力时，受应力集中效应的影响，优先在诱导空穴端头处萌生裂隙，并不断扩展，使得煤岩试样内部裂隙场的发展可控。

有益效果：

本方法基于电位反演云图中网格点的电位反演值来判识突水危险区域。在电位反演云图中可以精细划分网格点，电位反演结果的精度高，能够对煤岩体内突水危险进行精细判识。

本方法能够基于煤岩体突水过程任意时刻多测点的电位数据进行电位反演判识，因而能够对突水孕育发展全生命周的突水危险区域及危险程度进行判识(判识结果分为无危险区域、轻度危险区域与重度危险区域)，具有实时、连续、定量判识的优势。

本方法仅需在煤岩体表面布置电位测点，即可反演判识煤岩体内部的突水危险区域，测试过程无需破坏煤岩体的原有结构，无需对煤岩试样进行钻孔等破坏性处理即可完成检测，从而避免了人为操作导致的误差，降低了人为诱导突水的可能。

附图说明

图1为本发明应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法的设备示意图；

图2为本发明应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法中电极测点布置与网格点划分示意图；

图3为本发明的电位反演值的隶属度函数示意图；

图4为本发明的煤岩体突水危险区域电位判识结果示意图；

图中，1-压机头；2-加载垫块；3-密封帽；4-电位测试电极；5-煤岩试样；6-诱导空穴；7-导水通道；8-柔性密封体；9-密封箍；10-加载底座；11-渗流通道；12-多通道电位测试仪；13-渗流控制主机；14-试样剖面；15-电位反演云图中网格点；16-无危险区域；17-轻度危险区域；18-重度危险区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法。如图1所示，首先搭建实验系统，通过对试样施加轴向载荷与渗流压力，实验模拟现场煤岩体受到地应力与含水层压力共同作用下突水灾害孕育发展过程，并同步测试电位信号与渗流参数。实验系统主要包括：轴向加载系统(压机头1、加载垫块2、压机底座10)、电位测试系统(多通道电位测试仪12、电极4)、渗流系统(渗流控制主机13、渗流管路11、密封帽3、密封箍9、柔性密封体8)、煤岩试样(试样5、导水通道7、诱导空穴6)。

实验步骤操作如下：

a1、在试样5内部预制导水通道7与诱导空穴6，将渗流管路11置于试样5内，并利用柔性密封体8充填密封，在试样5的上、下端头布置密封帽3与密封箍9。

b1、在试样5两侧表面布置多个电位测试电极4，电极4与电位测试仪12连接，将试样5置于加载底座10，连接实验系统各部分，通过渗流控制主机13向试样5内的导水通道7与诱导空穴6中注入高压水，形成渗流环境。

c1、利用压机头1对试样5施加轴向载荷，载荷呈线性增加，使得试样5在应力与渗流作用下发生变形破坏，导致内部裂隙场不断发育扩展，直至试样5发生失稳突水现象，同步测试加载过程试样5表面电位数据与试样5内部渗流参数。

具体地，实验步骤a1中，试样5内部的导水通道7为细长的圆柱形空间，诱导空穴6为扁平状椭圆形空间，导水通道7中部与诱导空穴6连通，便于注水；当对试样5施加轴向载荷与渗透压力时，受应力集中效应的影响，优先在诱导空穴6端头处萌生裂隙，并不断扩展，使得试样5内部裂隙场的发展可控。

具体地，实验步骤b1中，渗流控制主机13通过渗流管路11穿过加载垫块2、密封帽3，向试样5内部导水通道7与诱导空穴6中注入高压水并形成渗流回路，模拟现场煤岩体含高压渗透水环境；渗流通道11在导水通道7的上、下端头处断开，并与导水通道11间填充柔性密封体，形成密封环境；试样5的上、下端头置于密封帽3内，并利用密封箍9对密封帽3施加约束力，进一步增强试样5内部的密封效果。

进一步地，利用获取的电位数据进行反演成像，精细判识煤岩体内部突水危险区域，判识步骤操作如下：

a2、选取试样5两侧多个电极4与试样5顶底端所包围的垂直剖面14，精细地交叉划分网格点15(见图2)；选取某一时刻试样5表面的多测点电位数据，进行电位反演计算，求得剖面14内所有网格点15的电位反演值，并进行插值计算，得到剖面14内的电位反演云图。

b2、统计全部网格点15的电位反演值数据，求得隶属度函数(见图3)，根据隶属度指标定义判识突水危险区域的电位反演值的危险临界值，并根据电位反演值的危险临界值对突水危险区域进行划分与判识，见图4。

c2、将试样5沿着电位反演剖面14剖开，结合剖面裂隙分布区域及浸水区域识别煤岩体突水危险区域，并对电位反演判识结果进行验证；迭代修改隶属度指标与对应的电位反演值的危险临界值，不断提高判识结果的准确率，最终提出应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域的电位精细判识方法。

具体地，判识步骤a2中，电位反演的方法如下所示：

a21、如图2所示，在煤岩试样5表面的一侧等间距Δx地布置电极4，选取某时刻测试任意相邻电极(4)间电位差ΔV(x)，可求得两测点中点位置沿该测线方向的电场强度分量E_x(x)：

E_x(x)＝-ΔV(x)/Δx (1)

a22、假设垂直剖面14内反演区域中任意网格点15的坐标为(x_i,y_i)，计算扫描函数

a23、该点存在异常电荷源的概率为η(x_i,y_i)为：

a24、η(x_i,y_i)为该点的电位反演值，表示该点发生突水危险程度的大小)，其中：

a25、根据同一时刻试样5另一侧的电位数据进行电位反演计算，得到同一网格点的电位反演值，将两者加权叠加，得到修正后的电位反演值。

具体地，判识步骤b2中电位反演值的危险临界值的选取方法如下所示：

b21、选取试样受载过程不同多个时刻的电位数据分别进行反演成像，从多个反演云图中获取足够多网格点的电位反演值，将所有的电位反演值按照从小到大顺序排列并划分统计区间，统计每个区间内的数值个数，拟合得到电位反演值与电位反演值隶属度的函数关系统计反演值的隶属度函数，如图3所示。

b22、根据模糊数学理论，初次定义隶属度分别为0.5与0.7时，对应的电位反演值为判识突水危险的电位反演值的危险临界值，即轻度危险临界值与重度危险临界值共两个。

b23、基于上述轻度危险临界值与重度危险临界值，对电位反演云图中的突水危险进行区域划分与定量判识，如图4所示。

具体地，判识步骤c2中，根据目前我国生产安全实际情况，合理的危险临界值应尽可能满足以下条件：当测试值低于临界值时，没有突水危险的的概率应高于95％；②当测试指标高于临界值时，具有突水危险的概率应高于60％。单一突水危险临界值的选取难以同时满足上述条件，因此本发明定义了临界值组，即轻度危险临界值与重度危险临界值。根据实验结果验证步骤b22中初始临界值组的准确率，进行修改优化，再次判识电位反演云图中的突水危险区域16～18，计算新的判识准确率。依此方法进行迭代修改并优化，不断提高判识结果的准确率，直至满足上述条件，即可得到能够精细判识煤体突水危险区域的电位反演临界值组(轻度危险临界值与重度危险临界值)。

进一步地，在现场监测预警煤岩体突水灾害过程中，电位判识结果中的重度危险区域18覆盖面积小而危险程度高，应作为突水防治的重点区域；轻度危险区域17覆盖面积大而危险程度低，应作为突水防治的重要参考区域。将两者结合起来，对煤岩体突水危险区域进行精细判识，并采取差异化防治措施，能够更加高效地监测预警煤岩体突水灾害。

Claims (2)

1.一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，其特征在于具体步骤如下：

a制备柱状结构的煤岩试样(5)，煤岩试样(5)中心设有扁平状椭球形空间的诱导空穴(6)，煤岩试样(5)内轴向设有贯通的导水通道(7)，导水通道(7)与诱导空穴(6)联通；

b在煤岩试样(5)的导水通道(7)顶底部分别通过柔性密封体(8)连接两根管路作为渗流通道(11)，导水通道(7)顶部通过渗流通道(11)与渗流控制主机(13)的输出端连接，导水通道(7)底部通过渗流通道(11)与渗流控制主机(13)的输入端连接；

c在煤岩试样(5)的顶底两端分别通过密封箍(9)固定密封帽(3)，之后将煤岩试样(5)放入压机头(1)与加载底座(10)之间，其中煤岩试样(5)与压机头(1)、加载底座(10)之间分别设有加载垫块(2)；

d在煤岩试样(5)的侧壁对称设置两列贴片式的电位测试电极(4)，同一侧的电位测试电极(4)处于同一垂线上等间距排列布置，两侧电位测试电极(4)成对设置，所有电位测试电极(4)的尾端通过导线分别与多通道电位测试仪(12)连接；

e渗流控制主机(13)通过导水通道(7)向煤岩试样(5)内部注入高压水，在煤岩试样(5)内形成渗流环境；在计算机中模拟煤岩试样(5)被两列电位测试电极(4)切割构成的垂直剖面(14)，并将该垂直剖面(14)作为电位反演区域显示，之后在电位反演区域进行网格化处理，从而在电位反演区域中形成多个用于定位的网格点(15)，所有的网格点(15)构成电位反演云图；

f启动压机头(1)向下挤压内部形成渗流环境的煤岩试样(5)，同时多通道电位测试仪(12)利用电位测试电极(4)实时采集煤岩试样(5)的电位数据，通过电位反演计算得到电位反演云图中所有网格点(15)的电位反演值，利用计算机根据时间轴存储不同时刻下电位反演云图中所有网格点(15)的电位反演值，直至压机头(1)将煤岩试样(5)压裂后停止；

g重复步骤e-步骤f对多块煤岩试样(5)的电位反演值进行存储，之后统计不同时刻电位反演云图中全部网格点(15)的电位反演值，求得电位反演值与其对应的隶属度值之间的函数关系，即隶属度函数，根据隶属度指标求得对应的电位反演值的危险临界值；利用所有网格点(15)的电位反演值进行插值计算，得到电位反演区域的电位反演云图，然后利用危险临界值与各处网格点(15)的电位反演值进行比较从而判识出超过危险临界值的网格点(15)，将所有网格点(15)标记出来即可获得当前时刻的电位反演云图中的异常区域位置，从而判断出该区域内存在裂隙萌生与扩展，或者导水通道(7)中的高压水浸入该区域，该区域为突水危险区域；

其中，突水危险区域电位判识中电位反演值的计算步骤为：

s1.1在煤岩试样5表面的一侧等间距Δx地布置电位测试电极(4)，选取某时刻测试任意相邻电位测试电极(4)间电位差ΔV(x)，可求得两测点中点位置沿测线方向的电场强度分量E_x(x)：

E_x(x)＝-ΔV(x)/Δx Ⅰ

s1.2假设垂直剖面(14)内电位反演区域任意网格点(15)的坐标为(x_i,y_i)，计算该点的扫描函数

s1.3根据层析理论，该点存在异常电荷源的概率为η(x_i,y_i)：

s1.4η(x_i,y_i)即为该点的电位反演值，表示该点发生突水危险程度的大小，

其中：

s1.5根据同一时刻煤岩试样(5)另一侧电极测试得到的电位数据按照同样的步骤s1.1～s 1.4进行电位反演计算，得到同一网格点的电位反演值，将两侧电位测试电极(4)的电位数据加权叠加，得到修正后的电位反演值；

其中，电位反演值的危险临界值的选取方法为：

s2.1选取试样受载过程不同时刻的电位数据分别进行反演成像，从多个反演云图中获取多个网格点(15)的电位反演值，将所有的电位反演值按照从小到大顺序排列并划分统计区间，利用模糊数学统计方法统计每个区间内的数值个数，拟合得到电位反演值与电位反演值隶属度的函数关系；

s2.2根据模糊数学理论，初次定义电位反演值的隶属度分别为0.5与0.7时，对应的电位反演值为判识突水危险的电位反演值的危险临界值，即轻度危险临界值0.5，重度危险临界值为0.7；

s2.3基于上述轻度危险临界值与重度危险临界值，对电位反演云图中的突水危险进行区域划分与定量判识，具体来说，依次将电位反演云图中的网格点(15)的电位反演值与轻度危险临界值与重度危险临界值进行比较，若高于重度危险临界值，则判断该网格点(15)的区域为突水危险的重度危险区域(18)，若高于轻度危险的临界值且低于重度危险临界值，则判断该网格点(15)的区域为轻度危险区域(17)，若低于轻度危险临界值则判断为无危险区域(16)；

s2.4将煤岩试样(5)剖开，通过观察煤岩试样(5)截面中出现显著的裂隙扩展或高压水浸润区域，判断是否具有突水危险，从而验证轻度危险临界值与重度危险临界值的取值是否合理：当测试值低于临界值时，没有突水危险的概率应高于95％；当测试值高于临界值时，具有突水危险的概率应高于60％；再进行迭代修改，直至得到符合判识要求的隶属度的值和它对应的电位反演值的危险临界值。

2.根据权利要求1所述的应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，其特征在于：煤岩试样(5)内部的导水通道(7)为细长的圆柱形空间，当对煤岩试样(5)施加轴向载荷与渗透压力时，受应力集中效应的影响，优先在诱导空穴(6)端头处萌生裂隙，并不断扩展，使得煤岩试样(5)内部裂隙场的发展可控。

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