CN114109508A - 一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法及应用，方法首先布设应力监测站，对巷道围岩三向应力进行实时在线监测，绘制围岩不同深度与三向应力的分布曲线，接着监测微震事件的位置和能量值，并根据围岩垂直应力监测得到应力分布曲线，确定塑性区宽度和巷帮至高应力区宽度；然后确定单位长度巷道冲击地压发生的临界能量和系统的总能量；最后将系统的总能量与冲击地压发生的临界能量进行比较，判断是否发生冲击地压。本发明的方法从动静载、多种力源的多角度全方位的对冲击地压的发生进行了监测，并从能量的角度给出监测方法在冲击地压预警方面的应用，具有更高的准确性和实用性。

Description

一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法及应用

技术领域

本发明涉及矿山安全生产技术领域，尤其涉及一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法及应用。

背景技术

冲击地压是一种特殊的矿压显现形式，相对于常规矿压，它是全世界采矿领域最复杂、最难以掌握的矿山动力破坏现象。我国煤矿开采深度大，地质条件复杂，冲击地压造成经济损失、人员伤亡、工程损伤和社会负面影响较大，教训深刻，已成为我国采矿工程领域的一大灾害。如何有效防治冲击地压，关键在于提高冲击地压预测预报水平，因为只有实现可靠的预测，才能更好地指导冲击地压的各项防治工作，从而降低防治成本，提高防治效果，并反过来促进冲击地压机理的发展。要实现可靠的预测预报，需要以现场监测为基础，通过监测获得的煤岩物理力学信息与冲击地压的内在联系，以及这些监测信息在时间和空间上的变化规律，建立相应的预测指标、规则与模型。

目前用于冲击地压的监测大体上可以分为2大类：第1类属于岩石力学方法，该方法可借助夹持仪器对监测对象进行直接监测，并可根据监测到的数据及其相关指标评价冲击危险性；第2类属于地球物理方法，该方法可通过仪器捕捉到监测对象受力破裂过程中向外释放的各种物理信息，进而评估冲击地压危险。岩石力学方法包括了钻屑法、煤体应力测量法、围岩变形监测等，该方法具有精度高、简单直观、适应性强等优点，缺点是监测范围小、周期长、资料信息反映不全等。地球物理方法包括了震波CT探测、地音、微震、电磁辐射等，相对于传统的岩石力学方法，地球物理探测技术具有非接触无损探测、监测范围大、成本低、速度快、信息量大、快速便捷等优点。

现有的冲击地压监测预警方法，大多都是采用定性的分析方法，针对某一指标变化趋势进行监测，没有从能量的角度进行分析。而冲击地压的发生是能量突然释放的过程，可从能量系统的角度对影响冲击地压的应力和能量进行监测，当达到冲击地压能量预警值时立即采取相应的防治措施。从定量的角度，确定不同预警等级，科学有效地指导冲击地压的防治工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法及应用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在工作面两回采巷道两侧围岩布设多组应力监测站，对巷道围岩三向应力进行实时在线监测，得到巷道两侧围岩不同深度的三向应力值，分别绘制成围岩不同深度与垂直应力σ₁、垂直巷道方向的水平应力σ₂和巷道方向的水平应力σ₃关系的分布曲线；

所述多组应力监测站在布设时每隔30-100m布设1个应力监测站，在围岩两侧不同深度分别设置5-8个应力监测点。

所述多组应力监测站在布设时根据具体的开采条件进行调整：当处于首采工作面时，应力监测站布设在两回采巷道的工作面内侧；当巷道邻近采空区时，应力监测站布设在巷道两侧。

步骤2：采用微震监测系统，对工作面和采空区的顶板运动、断层错动产生的震动进行监测，得到微震事件的位置和能量值；

步骤3：根据围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线，确定塑性区宽度L_p和巷帮至高应力区宽度L_c，具体方法如下：

以围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线上的峰值点为依据，即以支承应力峰值为依据，其中巷帮至支承应力峰值的区域宽度为塑性区宽度L_p，支承应力峰值向巷道深部的区域为弹性区；以高于原岩应力的1.2-1.5倍区域为高应力区,确定巷帮至高应力区的宽度L_c。

步骤4：确定单位长度巷道冲击地压发生的临界能量U_临，过程如下：

步骤4.1：计算巷道单位长度巷帮至高应力区煤体发生冲击时产生的动能U_d，具体为U_d＝mv²/2，其中，m为巷帮至高应力区煤体的质量，v为冲击地压发生时煤体冲击破坏的最小速度；

步骤4.2：计算巷道单位长度未破坏的高应力区煤体发生塑性破坏消耗的能量U_p：

其中，σ_c—煤体的单轴抗压强度；E—煤体的弹性模量，V_p—未破坏的高应力区煤体的体积；

步骤4.3：将步骤4.1和步骤4.2计算的能量值求和，得到巷道单位长度冲击地压发生的临界能量U_临。

步骤5：将巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静和断层滑移、顶板覆岩结构失稳、爆破振动和开采类活动引起的动载能量传递至预测位置衰减后的能量U_动进行求和，得到单位长度巷道系统的总能量U_总；

所述巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静的计算方法如下：

步骤5.1：监测巷帮至高应力区垂直应力σ₁的分布曲线；

步骤5.2：监测巷帮至高应力区垂直巷道方向的水平应力σ₂的分布曲线；

步骤5.3：监测巷帮至高应力区巷道方向的水平应力σ₃的分布曲线；

步骤5.4：采用以下公式计算得到巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静：

其中，μ—煤体的泊松比；E—煤体的弹性模量，dV—巷帮至高应力区的体积微元。

所述动载能量传递至预测位置衰减后的能量U_动的获取方法如下：

步骤5.5：采用微震监测系统采集震源处的初始震动能量U₀；

步骤5.6：根据能量衰减的相关规律，假设震源处的初始能量为U₀，震动能量在煤岩体中传播衰减后传递至单位长度巷道围岩的能量U_动为：

U_动＝U₀l^-λhL_c

其中，U₀—震源处的初始震动能量；l—震源至预测位置距离；λ—能量衰减系数,h—煤厚，L_c—巷帮至高应力区范围的宽度。

步骤6：将单位长度巷道系统的总能量U_总与冲击地压发生的临界能量U_临进行比较，当系统的总能量值U_总大于临界能量值U_临时，视为发生冲击地压。

另一方面，本发明还提供上述基于能量系统分析的冲击地压监测方法在冲击地压预警中的应用，设定系统总能量的预警指标，达到预警指标后采取相应的防治措施，具体如下：

S1：将0.7倍的临界能量U_临设为橙色预警值，将0.9倍的临界能量U_临设为红色预警值；

S2：当系统总能量U_总达到橙色预警值时，根据能量主体来源，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少一种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于橙色预警值；

S3：当系统总能量U_总达到红色预警值时，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少两种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于红色预警值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的方法考虑了冲击地压发生的能量条件，从动静载、多种力源的多角度全方位的对冲击地压的发生进行了监测。并从能量的角度给出监测方法在冲击地压预警方面的应用。本发明的方法较现有技术中单一预测因素的预测方法具有更高的准确性，较定性分析各指标变化趋势的预警方法具有更高的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于能量系统分析的冲击地压监测方法的流程图；

图2为本发明实施例中监测得到的垂直应力σ₁的分布曲线图；

图3为本发明实施例中监测得到的垂直巷道方向的水平应力σ₂的分布曲线图；

图4为本发明实施例中监测得到的巷道方向的水平应力σ₃的分布曲线图；

其中，1-塑性区；2-弹性区；3-弹性区与塑性区的分界面即支承应力峰值位置；4-支承应力(垂直应力)峰值；5-支承压力影响边界；6-高应力区的临界应力；7-垂直应力σ₁的原岩应力；8-垂直巷道方向的水平应力σ₂的原岩应力；9-巷道方向的水平应力σ₃的原岩应力；L_a-塑性区宽度；L_c-巷帮至高应力区宽度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例中基于能量系统分析的冲击地压监测方法如下所述。

以某煤矿8101工作面为研究背景，该工作面邻近8100采空区，两工作面之间的区段煤柱宽度为45m。工作面共有8101运输顺槽、8101回风顺槽和开切眼3条回采巷道，其中，8101回风顺槽邻近8100采空区。工作面范围内无断层等地质构造，煤层赋存稳定。煤层顶板大多是厚硬的砂岩层，工作面开采后顶板不易垮落，尝尝伴有高能量的矿震事件发生。工作面走向长度为800m，倾向长度为200m。煤层厚度15m，采用综合机械化放顶煤开采方法。工作面的8101运输顺槽和8101回风顺槽的尺寸为宽×高＝5.3m×3.9m。煤的弹性模量E为3.7GPa，泊松比为0.2，单轴抗压强度为14MPa。矿井安装了SOS微震监测系统，可实现矿震信号远距离、实时、动态、自动监测，可以准确监测得到矿震事件发生的时间、能量及空间三维坐标。

步骤1：在工作面两回采巷道两侧围岩布设多组应力监测站，对巷道围岩三向应力进行实时在线监测，得到巷道两侧围岩不同深度的三向应力值，分别绘制成围岩不同深度与垂直应力σ₁、垂直巷道方向的水平应力σ₂和巷道方向的水平应力σ₃关系的分布曲线；

其中，当工作面回采至500m，得到工作面前方10m的三个方向的应力分布曲线，如图2～4所示。

所述多组应力监测站在布设时每隔100m布设1个应力监测站，在围岩两侧不同深度分别设置8个应力监测点。

所述多组应力监测站在布设时根据具体的开采条件进行调整：当处于首采工作面时，应力监测站布设在两回采巷道的工作面内侧；当巷道邻近采空区时，应力监测站布设在巷道两侧。

步骤2：采用微震监测系统，对工作面和采空区的顶板运动、断层错动产生的震动进行监测，得到微震事件的位置和能量值；

步骤3：根据围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线，确定塑性区宽度L_p和巷帮至高应力区宽度L_c，具体方法如下：

以围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线上的峰值点为依据，即以支承应力峰值为依据，其中从巷帮至支承应力峰值的区域宽度为塑性区宽度L_p，为10m，支承应力峰值向巷道深部的区域为弹性区；以高于原岩应力的1.5倍区域为高应力区,确定巷帮至高应力区的宽度L_c，为45m。

步骤4：确定单位长度巷道冲击地压发生的临界能量U_临，过程如下：

步骤4.1：计算巷道单位长度巷帮至高应力区煤体发生冲击时产生的动能U_d，具体为U_d＝mv²/2＝6.1×10⁷J，其中，m为巷帮至高应力区煤体的质量，1.2×10⁶Kg，v为冲击地压发生时煤体冲击破坏的最小速度，取10m/s；

步骤4.2：计算巷道单位长度未破坏的高应力区煤体发生塑性破坏消耗的能量U_p：

其中，σ_c—煤体的单轴抗压强度,14MPa；E—煤体的弹性模量，3.7GPa，V_p—未破坏的高应力区煤体的体积，未破坏高应力区的长度为35m，高度为15m，体积为1575m³；

未破坏的高应力区煤体发生塑性破坏消耗的能量U_p＝1.4×10⁷J。

步骤4.3：将步骤4.1和步骤4.2计算的能量值求和，得到巷道单位长度冲击地压发生的临界能量U_临＝7.5×10⁷J。

步骤5：将巷道表面至高应力区积聚的弹性能U_静和断层滑移、顶板覆岩结构失稳、爆破振动和开采类活动引起的动载能量传递至预测位置衰减后的能量U_动进行求和，得到单位长度巷道系统的总能量U_总；

所述巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静的计算方法如下：

步骤5.1：监测巷帮至高应力区垂直应力σ₁的分布曲线；

步骤5.2：监测巷帮至高应力区垂直巷道方向的水平应力σ₂的分布曲线；

步骤5.3：监测巷帮至高应力区巷道方向的水平应力σ₃的分布曲线；

步骤5.4：采用以下公式计算得到巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静：

其中，μ—煤体的泊松比；E—煤体的弹性模量，dV—巷帮至高应力区的体积微元。

计算得到巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静为4.4×10⁷J。

所述动载能量传递至预测位置衰减后的能量的获取方法如下：

步骤5.5：采用微震监测系统采集震源处的初始震动能量U₀＝6×10⁶J；

步骤5.6：根据能量衰减的相关规律，假设震源处的初始能量为U₀，震动能量在煤岩体中传播衰减后传递至单位长度巷道煤壁至高应力区范围的能量U_动为：

U_动＝U₀l^-λhL_c

其中，U₀—震源处的初始震动能量，6×10⁶J；l—震源至预测位置距离，30m；λ—能量衰减系数，1.5，h—煤厚15m，L_c—煤壁至高应力区范围的宽度，45m。

震动能量传递至单位长度巷道煤壁至高应力区范围的能量U_动为2.5×10⁷J。

步骤6：系统的总能量U_总为6.9×10⁷J，冲击地压发生的临界能量U_临为7.5×10⁷J；将单位长度巷道系统的总能量U_总与冲击地压发生的临界能量U_临进行比较，当系统的总能量值大于临界能量值时，视为发生冲击地压。

另一方面，本发明还提供上述基于能量系统分析的冲击地压监测方法在冲击地压预警中的应用，设定系统总能量的预警指标，达到预警指标后采取相应的防治措施，具体如下：

S1：将0.7倍的临界能量U_临设为橙色预警值，将0.9倍的临界能量U_临设为红色预警值；

S2：当系统总能量达到橙色预警值时，根据能量主体来源，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少一种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于橙色预警值；

S3：当系统总能量达到红色预警值时，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少两种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于红色预警值。

对于此次动载能量，系统的总能量超过0.9倍冲击地压临界能量U_临，达到红色预警值，采用顶板爆破预裂和煤层钻孔卸压做为冲击地压的解危措施。

Claims (8)

1.一种基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在工作面两回采巷道两侧围岩布设多组应力监测站，对巷道围岩三向应力进行实时在线监测，得到巷道两侧围岩不同深度的三向应力值，分别绘制成围岩不同深度与垂直应力σ₁、垂直巷道方向的水平应力σ₂和巷道方向的水平应力σ₃关系的分布曲线；

步骤2：采用微震监测系统，对工作面和采空区的顶板运动、断层错动产生的震动进行监测，得到微震事件的位置和能量值；

步骤3：根据围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线，确定塑性区宽度L_p和巷帮至高应力区宽度L_c；

步骤4：确定单位长度巷道冲击地压发生的临界能量U_临；

步骤5：将巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静和断层滑移、顶板覆岩结构失稳、爆破振动和开采类活动引起的动载能量传递至预测位置衰减后的能量U_动进行求和，得到单位长度巷道系统的总能量U_总；

步骤6：将单位长度巷道系统的总能量U_总与冲击地压发生的临界能量U_临进行比较，当系统的总能量值U_总大于临界能量值U_临时，视为发生冲击地压。

2.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述多组应力监测站在布设时每隔30-100m布设1个应力监测站，在巷道两侧围岩不同深度分别设置5-8个应力监测点。

3.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述多组应力监测站在布设时根据具体的开采条件进行调整：当处于首采工作面时，应力监测站布设在两回采巷道的工作面内侧；当巷道邻近采空区时，应力监测站布设在巷道两侧。

4.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述步骤3的方法如下：

以围岩垂直应力σ₁监测得到应力分布曲线上的峰值点为依据，即以支承应力峰值为依据，其中从巷帮至支承应力峰值的区域宽度为塑性区宽度L_p，支承应力峰值向巷道深部的区域为弹性区；以高于原岩应力的1.2-1.5倍区域为高应力区，确定巷帮至高应力区的宽度L_c。

5.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述步骤4的过程如下：

步骤4.1：计算巷道单位长度巷帮至高应力区煤体发生冲击时产生的动能U_d，具体为U_d＝mv²/2，其中，m为巷帮至高应力区煤体的质量，v为冲击地压发生时煤体冲击破坏的最小速度；

步骤4.2：计算巷道单位长度未破坏的高应力区煤体发生塑性破坏消耗的能量U_p：

其中，σ_c—煤体的单轴抗压强度；E—煤体的弹性模量，V_p—未破坏的高应力区煤体的体积；

步骤4.3：将步骤4.1和步骤4.2计算的能量值求和，得到巷道单位长度冲击地压发生的临界能量U_临。

6.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静的计算方法如下：

步骤5.1：监测巷帮至高应力区区垂直应力σ₁的分布曲线；

步骤5.2：监测巷帮至高应力区垂直巷道方向的水平应力σ₂的分布曲线；

步骤5.3：监测巷帮至高应力区巷道方向的水平应力σ₃的分布曲线；

步骤5.4：采用以下公式计算得到巷帮至高应力区积聚的弹性能U_静：

其中，μ—煤体的泊松比；E—煤体的弹性模量，dV—巷帮至高应力区的体积微元。

7.根据权利要求1所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法，其特征在于：所述动载能量传递至预测位置衰减后的能量的获取方法如下：

步骤5.5：采用微震监测系统采集震源处的初始震动能量U₀；

步骤5.6：根据能量衰减的相关规律，假设震源处的初始能量为U₀，震动能量在煤岩体中传播衰减后传递至单位长度巷道围岩的能量U_动为：

U_动＝U₀l^-λhL_c

其中，U₀—震源处的初始震动能量；l—震源至预测位置距离；λ—能量衰减系数，h—煤厚，L_c—巷帮至高应力区范围的宽度。

8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的基于能量系统分析的冲击地压监测方法在冲击地压预警中的应用，其特征在于，设定系统总能量的预警指标，达到预警指标后采取相应的防治措施，具体如下：

S1：将0.7倍的临界能量U_临设为橙色预警值，将0.9倍的临界能量U_临设为红色预警值；

S2：当系统总能量U_总达到橙色预警值时，根据能量主体来源，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少一种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于橙色预警值；

S3：当系统总能量U_总达到红色预警值时，采用煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂、顶板水力致裂、底板钻孔或爆破卸压方法中至少两种方法有针对性的局部防冲措施，直至能量低于红色预警值。

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