CN114282362A - 煤矿老空区突水监测与判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿老空区突水监测与判定方法，涉及煤矿老空区的水害监测领域。老空区由于开采的影响，在其顶底板一定范围内发育塑性破坏区域，即顶板导水裂隙带和底板破坏带（深度记为h₁），当老空区下方煤层开采时所产生的顶板导水裂隙带（高度记为h₂）与上覆老空区底板破坏带之间的完成岩层（有效隔水层，厚度记为h）较薄时，在上覆岩体和老空区水压的作用下，有效隔水层可能产生塑性破坏，形成导水通道，从而引发顶部老空区积水进入下方煤层开采工作面内引发突水事故。顶板老空区有效隔水层可能发生剪切破坏或拉张破坏，所以制定了综合判据，可以较为直观的看出是否具有突水的危险性，能够反映突水发生的前兆信息。

Description

煤矿老空区突水监测与判定方法

技术领域

本发明涉及煤矿老空区的水害监测领域，具体为一种煤矿老空区突水监测与判定方法。

背景技术

据国家安全生产监督管理总局统计，煤矿水害在煤矿重、特大事故中是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害。水害矿难不仅容易造成井下作业人员重大伤亡，而且在经济损失严重程度、事故抢险救援难度和恢复矿井生产所需时间等方面在煤矿灾害事故中最为突出。在这些水害事故中，老空区水害占较大的比例。据不完全统计，矿井恶性水害事故90％以上是由于存在老空水而引发的。老空水突水具有时间短、水量大、破坏性强等特点，极易造成重大事故，严重威胁矿井的安全生产。而且这些老空区准确位置难以考证，且由于埋藏浅其冒落裂隙可达地表，故受地表水和大气降水影响明显，导致其内积水量大，一旦发生突水会造成大量人员伤亡、且老空区内水呈酸性，这将影响隔离煤岩柱强度，且对井下设备具有强烈的腐蚀性，影响救灾的顺利进行。

基于国家现有出台的细则和要求，一定程度上规范了采空区积水的探查和防治技术、完善了老空水害防治的技术体系。一些形成年代久远的采空区积水由于资料缺失极难确定其准确位置，一些常用物探技术如瞬变电磁法、三维地震勘探等虽然各有长处，但目前仍难以获得理想效果。因此亟待开发高精度物探技术，达到理想探测效果。近年来发生多次老空区积水水害事故，其致灾机理并不完全清楚，积水量也不能准确预计，因此迫切需要开发一套老空水害远程预警系统或者监测方法，最起码可以量化的判定是否有突水危险，就可以及时掌握关键的灾害预兆和灾变信息，以便于尽早采取防治措施保证矿井安全生产。

发明内容

本发明为了解决老空区的积水准确位置难以确定、监测预警方法不够完善的问题，提供了一种煤矿老空区突水监测与判定方法。

老空区由于开采的影响，在其顶底板一定范围内发育塑性破坏区域，即顶板导水裂隙带和底板破坏带(深度记为h₁)，当老空区下方煤层开采时所产生的顶板导水裂隙带(高度记为h₂)与上覆老空区底板破坏带之间的完成岩层(有效隔水层，厚度记为h)较薄时，在上覆岩体和老空区水压的作用下，有效隔水层可能产生塑性破坏，形成导水通道，从而引发顶部老空区积水进入下方煤层开采工作面内引发突水事故；如图1所示。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种煤矿老空区突水监测与判定方法，包括如下步骤：

1)有效隔水层抗剪破坏力学模型及判据：

在水平或近水平的情况下，将老空区下方有效隔水层简化成四边固支的受均布载荷的薄板，如图2所示：

薄板上部受上部岩体的自重应力q₁和老空区水压p的作用，板的下部受下方煤层裂隙带的支撑作用q₂；对于四周固支受均布载荷q＝p+q₁+γh-q₂；

根据弹塑性力学薄板理论，有固支边界条件下有效隔水层中面的挠曲函数为：

有效隔水层的应变能为U，外力势能为V，根据理论分析及经验，取公式(1)第一项即m＝n＝1可满足现场要求，则根据最小势能原理有：

式中：

为有效隔水层的抗弯刚度，根据理论分析及经验，令m＝n＝1，式(1)求解得：

将公式(3)带入公式(1)得

根据弹性理论，薄板内应力与挠曲函数满足方程：

解方程组并通过计算可以求出板中的最大主应力得：

根据莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，当主应力满足下式(7)时，有效隔水层产生剪切破坏：

即有：

式中：L_x，L_y—分别为所研究区域的长及宽，L_x＝Max(L_x，L_y)；

γ—有效隔水层容重；

q₂—煤层顶板裂隙带残余强度；

2)有效隔水层抗拉破坏力学模型及判据：

据塑性理论中板极限分析方法，当有效隔水层达到破坏时，其破坏位置形成塑铰线；如图3所示，由于临界破坏之前仍然处于平衡状态，根据虚功原理，令总虚应变能为U，外力总虚功为V，则有：

U＝V

根据塑性理论，U为塑铰线所做功之和，计算后得：

外力总虚功为：

则有：公式(9)＝(10)即：

其中：M＝S_th²/4，S_t为有效隔水层平均抗拉强度：

上式整理得：

对x进行求导并令dq/dx＝0得：

将公式(11)带入(12)可以得出老空区顶板有效隔水层在抗拉模式下所能够承受的最大载荷：

当实际载荷q＝p+q₁+γh-q₂大于q_max时将会发生突水危险，因此顶板老空区有效隔水层抗拉破坏力学判据为：

3)综合以上分析，顶板老空区有效隔水层有可能产生两种破坏形式：剪切破坏和拉张破坏，当公式(8)和(14)有一个f_s大于等于0，则有突水危险，因此顶板老空区突水综合判据可以定义为：

f_s＝max(f_s1,f_s2)≥0 (15)。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种煤矿老空区突水监测与判定方法，老空区突水是一种复杂的流固耦合力学过程，其主要影响因素很多如采掘活动影响、采场应力、矿井水压、隔水煤岩柱(隔水层)厚度、围岩力学性质等，但其主控因素为矿井水压和隔水煤岩柱(隔水层)厚度，同时不同含水层在水温、水质上也存在一定的差异，这些主控因素和差异为监测指标的确定提供了基础。因此本发明所提供的判据可以较为直观的看出是否具有突水的危险性，能够反映突水发生的前兆信息。

附图说明

图1为老空区突水概念模型图。

图2为顶板老空区突水力学模型图。

图3为有效隔水层破坏塑铰线。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种煤矿老空区突水监测与判定方法，包括如下步骤：

1)有效隔水层抗剪破坏力学模型及判据：

在水平或近水平的情况下，将老空区下方有效隔水层简化成四边固支的受均布载荷的薄板，如图2所示：

薄板上部受上部岩体的自重应力q₁和老空区水压p的作用，板的下部受下方煤层裂隙带的支撑作用q₂；对于四周固支受均布载荷q＝p+q₁+γh-q₂；

根据弹塑性力学薄板理论，有固支边界条件下有效隔水层中面的挠曲函数为：

有效隔水层的应变能为U，外力势能为V，根据理论分析及经验，取公式(1)第一项即m＝n＝1可满足现场要求，则根据最小势能原理有：

式中：

为有效隔水层的抗弯刚度，根据理论分析及经验，令m＝n＝1，式(1)求解得：

将公式(3)带入公式(1)得

根据弹性理论，薄板内应力与挠曲函数满足方程：

解方程组并通过计算可以求出板中的最大主应力得：

根据莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，当主应力满足下式(7)时，有效隔水层产生剪切破坏：

即有：

式中：L_x，L_y—分别为所研究区域的长及宽，L_x＝Max(L_x，L_y)；

γ—有效隔水层容重；

q₂—煤层顶板裂隙带残余强度；

2)有效隔水层抗拉破坏力学模型及判据：

据塑性理论中板极限分析方法，当有效隔水层达到破坏时，其破坏位置形成塑铰线；如图3所示，由于临界破坏之前仍然处于平衡状态，根据虚功原理，令总虚应变能为U，外力总虚功为V，则有：

U＝V

根据塑性理论，U为塑铰线所做功之和，计算后得：

外力总虚功为：

则有：公式(9)＝(10)即：

其中：M＝S_th²/4，S_t为有效隔水层平均抗拉强度：

上式整理得：

对x进行求导并令dq/dx＝0得：

将公式(11)带入(12)可以得出老空区顶板有效隔水层在抗拉模式下所能够承受的最大载荷：

当实际载荷q＝p+q₁+γh-q₂大于q_max时将会发生突水危险，因此顶板老空区有效隔水层抗拉破坏力学判据为：

3)综合以上分析，顶板老空区有效隔水层有可能产生两种破坏形式：剪切破坏和拉张破坏，当公式(8)和(14)有一个f_s大于等于0，则有突水危险，因此顶板老空区突水综合判据可以定义为：

f_s＝max(f_s1,f_s2)≥0 (15)。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种煤矿老空区突水监测与判定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)有效隔水层抗剪破坏力学模型及判据：

在水平或近水平的情况下，将老空区下方有效隔水层简化成四边固支的受均布载荷的薄板：

薄板上部受上部岩体的自重应力q₁和老空区水压p的作用，板的下部受下方煤层裂隙带的支撑作用q₂；对于四周固支受均布载荷q＝p+q₁+γh-q₂；

根据弹塑性力学薄板理论，有固支边界条件下有效隔水层中面的挠曲函数为：

有效隔水层的应变能为U，外力势能为V，根据理论分析及经验，取公式(1)第一项即m＝n＝1可满足现场要求，则根据最小势能原理有：

式中：

为有效隔水层的抗弯刚度，根据理论分析及经验，令m＝n＝1，式(1)求解得：

将公式(3)带入公式(1)得

根据弹性理论，薄板内应力与挠曲函数满足方程：

解方程组并通过计算可以求出板中的最大主应力得：

根据莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，当主应力满足下式(7)时，有效隔水层产生剪切破坏：

即有：

式中：L_x，L_y—分别为所研究区域的长及宽，L_x＝Max(L_x，L_y)；

γ—有效隔水层容重；

q₂—煤层顶板裂隙带残余强度；

2)有效隔水层抗拉破坏力学模型及判据：

据塑性理论中板极限分析方法，当有效隔水层达到破坏时，其破坏位置形成塑铰线；由于临界破坏之前仍然处于平衡状态，根据虚功原理，令总虚应变能为U，外力总虚功为V，则有：

U＝V

根据塑性理论，U为塑铰线所做功之和，计算后得：

外力总虚功为：

则有：公式(9)＝(10)即：

其中：M＝S_th²/4，S_t为有效隔水层平均抗拉强度：

上式整理得：

对x进行求导并令dq/dx＝0得：

将公式(11)带入(12)可以得出老空区顶板有效隔水层在抗拉模式下所能够承受的最大载荷：

当实际载荷q＝p+q₁+γh-q₂大于q_max时将会发生突水危险，因此顶板老空区有效隔水层抗拉破坏力学判据为：

3)综合以上分析，顶板老空区有效隔水层有可能产生两种破坏形式：剪切破坏和拉张破坏，当公式(8)和(14)有一个f_s大于等于0，则有突水危险，因此顶板老空区突水综合判据可以定义为：

f_s＝max(f_s1,f_s2)≥0 (15)。

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