CN114878051B - 一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，属于煤矿安全开采工程领域。利用微震系统监测矿震引起的巷道围岩质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线；根据微震系统监测定位到的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度；计算震动波从震源传播到弹性核区引起的质点振动峰值速度，得到弹性核区的矿震动载水平；根据冲击临界应力与煤体强度之间的关系、煤层强度，计算钻孔所在区域巷帮煤体的诱冲临界静载应力；计算巷帮煤体弹性能量核抵抗线临界值；判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平。其物理指标明确，评估结果可量化，操作性强，可以根据冲击危险评估结果指导防冲卸压工作。

Description

一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，属于煤矿安全开采工程技术领域。

背景技术

冲击地压是一种严重的矿井动力灾害，其发生主要和煤层中的高应力集中相关。煤层大直径钻孔卸压是预防冲击地压的主要技术手段之一，其原理是：通过在煤层中施工大直径钻孔，降低巷道周围煤体中的应力集中程度，将应力高峰区向煤体深部转移，释放煤体中聚集的弹性能，降低冲击地压危险水平。在施工大直径钻孔时，通过对钻机和钻杆工作状态的监测，可以反演得到钻孔不同深度的应力状态，进而利用钻孔应力分布状态可以进行钻孔附近巷帮煤体冲击危险状态的评估。

目前，通过煤层应力分布状态评价冲击危险的方法主要有钻屑法、震动波CT反演法、电磁辐射法和地音法等。其中，钻屑法的冲击危险评价效果较好，但是专门施工钻屑孔费时费力，且施工时存在危险性；震动波CT反演法只能得到大范围的应力场特征和冲击危险性，无法精准评估煤岩体具体部位的冲击危险性，且震动波CT法需要较长时间的矿震数据的积累，无法在各目标区域及时进行冲击危险评估；电磁辐射法和地音法都只能对大范围煤层的应力集中状态和冲击危险水平进行间接的评估，无法精准评估煤层具体位置的冲击危险性。利用正常施工大直径卸压钻孔获得的钻孔应力分布状态信息评估巷帮煤体的冲击危险性，可以实现米级尺度的冲击危险评估，且利用的是正常情况下必须要施工的大直径卸压钻孔，不需要额外增加工作量。采用无人或遥控钻机施工大直径卸压钻孔获取应力数据还可以保证施工的安全性。再者，根据施工前一个大直径卸压钻孔后对煤层冲击危险性的评估，可以及时优化调整后续的大直径钻孔卸压参数，实现精准指导卸压工作的开展。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足之处，提供一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，通过利用钻孔卸压后获取的钻孔应力分布状态信息，实现对巷帮煤体冲击危险性的评估，进而可以指导和优化后续钻孔卸压工作的开展，其物理意义明确、可量化、操作性强。

技术方案：为实现上述目的，本发明一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，利用钻孔后获取的钻孔应力分布状态信息对巷帮煤体的冲击危险性进行评估，

包括如下步骤：

步骤一、在相似条件巷道中利用微震系统监测矿震引起的巷道围岩质点振动峰值速度，根据不同位置监测的质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线；根据微震系统监测定位到的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度；根据实测钻孔应力弹性核与矿震震源之间的距离，计算震动波从震源传播到弹性核区引起的质点振动峰值速度，进而利用动载与质点振动峰值速度之间的关系式计算得到弹性核区的矿震动载水平；

步骤二、通过测试获得的冲击临界应力与煤体强度之间的关系，根据检测钻孔施工区域煤层的强度，计算出钻孔所在区域巷帮煤体的诱冲临界静载应力；

步骤三、计算巷帮煤体弹性能量核抵抗线临界值；

步骤四、通过实测钻孔峰值应力与冲击临界静载应力之比、弹性能量核抵抗线临界值与实测弹性能量核抵抗线之比的大小判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平。

进一步，采用下式计算煤体弹性核区潜在可能承受的动载应力水平：

σ_dP＝ρv_P(v_PP)_P-SL_S ^-k

式中，σ_dP为矿震P波在弹性核区产生的动载；ρ为煤岩介质的密度；v_P为P波在介质中的传播速度，传播速度v_P通过在实验室对煤岩试样进行波速测试即可获得获得；(v_PP)_P-S为震源区质点振动峰值速度；在相似条件巷道中，利用微震系统监测矿震引起的巷道围岩质点振动峰值速度，根据不同位置监测的质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线；根据微震系统监测定位的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度(v_PP)_P-S；L_S为震源到钻孔应力弹性核区的距离，设钻孔区域潜在面临的矿震位置和相似条件巷道中实际监测的矿震位置相同，利用钻孔应力弹性核位置和矿震位置直接计算获得；k为震动波在煤岩体中传播时的衰减系数；

进一步，采用下式计算钻孔所在区域巷帮煤体的诱冲临界静载应力：

式中：σ_c为煤样单轴抗压强度；σ_d为巷帮煤体潜在可能承受的动载应力水平，对于巷帮煤体弹性核区，动载应力σ_d＝σ_dP。

进一步，计算巷帮煤体弹性能量核抵抗线临界值的具体方法如下：

式中，L_抵抗-C为弹性能量核抵抗线临界值；λ为震动波波长；K_E为煤样的冲击能量指数；E_S为弹性核区积聚的弹性能；v_PP-c为巷道帮部表面煤体质点振动临界速度；ρ为煤岩介质的密度；k为震动波在煤岩体中传播时的衰减系数。

进一步，从实测钻孔应力分布曲线图中获得钻孔峰值应力和弹性能量核抵抗线：

比较实测煤体弹性核峰值应力和煤体冲击临界静载应力，如果实测煤体弹性核峰值应力大于煤体冲击临界静载应力，则弹性核达到冲击危险水平，需要采取卸压措施降低弹性核峰值应力；如果实测煤体弹性核峰值应力小于煤体冲击临界静载应力，则表示弹性核未达到冲击危险水平；

比较实测弹性能量核抵抗线和弹性能量核抵抗线临界值，如果弹性能量核抵抗线临界值大于实测弹性能量核抵抗线，则弹性核达到冲击危险水平，需要采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；如果弹性能量核抵抗线临界值小于实测弹性能量核抵抗线，则说明弹性核未达到冲击危险水平。

进一步，从实测钻孔应力分布曲线图中获得钻孔峰值应力和弹性能量核抵抗线；设实测钻孔峰值应力与冲击临界静载应力之比为K_S，弹性能量核抵抗线临界值与实测弹性能量核抵抗线之比为K_L，根据K_S和K_L的大小判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平；

当K_S≥1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到冲击危险预警水平，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_S＜1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到相应百分比的冲击危险预警水平，根据现场冲击危险管控需要，可以设定K_S大于某值时(如0.7或0.8)，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_L≥1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体将发生冲击破坏，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

当K_L＜1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到相应百分比的冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体发生冲击破坏的可能性为对应的百分数；根据现场冲击危险管控需要，可以设定K_L大于某值时(如0.7或0.8)，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

当K_S≥1和K_L≥1同时满足时，巷帮煤体冲击地压发生的可能性才达到100％；对于其余三种情况，冲击地压发生的可能性都小于100％；为了降低冲击危险水平，应使K_S和K_L都小于1，且其值越小，冲击危险水平越低，安全性越高。

有益效果：本方法给出的指标物理意义明确，评估结果可量化且操作性强；同时本发明从应力峰值水平和弹性核区深度两个角度评估钻孔附近巷帮煤体冲击危险水平，可以根据评估结果指导机器人钻机对钻孔卸压参数进行调整。

附图说明

图1是本发明的巷道帮部煤体应力分布示意图；

图2是本发明的动载条件下巷帮煤体高应力冲击模型示意图；

图3是本发明的巷帮煤体弹性核区能量积聚示意图；

图4是本发明的巷帮煤体中矿震动能传播示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明利用为矿震动载条件下，即纯静载条件相当于动载为0MPa的巷帮煤体高应力冲击模型：

巷帮煤体的应力分布状态如图1所示：从巷帮煤体表面到煤体深部依次为应力降低区、应力升高区域和原岩应力区。其中，对巷道威胁最大的是应力升高区，尤其是应力升高比较明显的区域，这里将该区域称为弹性核区。在纯静载或周边动载叠加作用下，当巷帮煤体弹性核区应力达到煤体破坏应力水平时，弹性核区积聚的弹性能一部分消耗于破坏过程，剩余一部分主要以动能(震动波)的形式释放出来。根据实验室煤样三轴加载试验结果，煤样必须要达到一定的应力水平后进行卸载时才会发生冲击式破坏，该应力水平即为煤样发生冲击式破坏的临界应力水平。实验室中得到的煤样冲击破坏时的三轴应力状态类似于现场煤层高静载叠加动载造成的超载状态，或现场高静载煤层局部扰动卸载导致的超载状态。巷帮煤体弹性能量核冲击破坏产生的震动波传播至巷帮表面煤体时，如果巷帮表面煤体质点振动峰值速度超过质点振动临界速度，巷帮表面煤体就将发生冲击破坏，示意如图2所示。所以，巷帮煤体冲击的发生需要满足两个条件：弹性核冲击破坏条件和巷帮表面煤体冲击条件。两个条件可以用以下关系式表示：

弹性核冲击破坏条件：σ_j+σ_d≥σ_bmin

巷帮表面煤体冲击条件：v_PP＞v_PP-C

式中：σ_j和σ_d分别为巷道帮部煤体弹性能量核静载峰值应力和传播至峰值位置的矿震动载应力；σ_bmin为煤样冲击临界应力；v_PP和v_PP-C分别为巷道帮部煤体质点振动峰值速度和其冲击破坏临界值。

在该冲击模型中，弹性核冲击破坏是巷帮表面煤体冲击破坏的前提条件，只有弹性核冲击破坏发生之后才能谈论巷帮表面煤体冲击破坏的速度条件。所以，在巷帮煤体高应力冲击地压防治中，首先要保证巷帮煤体峰值应力不超过临界应力，其次使巷帮表面煤体质点振动速度峰值不超过其临界振动速度。

对于弹性核冲击破坏条件，需要确定其中的矿震动载σ_d和冲击临界应力σ_bmin。

在相似条件巷道中，利用矿山微震系统监测震动波引起的巷道围岩质点振动峰值速度。根据不同位置监测的质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线。根据微震系统监测定位的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度。通过下式可以计算得到震源附近的动载大小：

σ_dP＝ρv_P(v_PP)_P-S

根据矿震震源与巷帮煤体弹性核区的距离，采用下式计算得到巷帮煤体弹性核区潜在可能承受的动载应力水平：

σ_dP＝ρv_P(v_PP)_P-SL_S ^-k

式中，σ_dP为矿震P波在弹性核区产生的动载；ρ为煤岩介质的密度；v_P为P波在介质中的传播速度；(v_PP)_P-S为震源区质点振动峰值速度；L_S为震源到弹性核区的距离；k为震动波在煤岩体中传播时的衰减系数。

通过对采掘区域矿震动载进行统计分析，进而可以评估得到监测区域的整体矿震动载环境。如果本矿井没有相应的监测数据，则可以参照相似条件矿井的监测数据进行矿震动载环境评估。

根据煤样三轴实验结果，煤样发生冲击破坏的临界应力(σ_bmin)与其单轴抗压强度相关。当煤的单轴抗压强度小于16MPa时，发生冲击破坏的临界应力水平为70MPa；当煤的单轴抗压强度大于20MPa时，发生冲击破坏的临界应力水平为50MPa；当煤的单轴抗压强度介于16～20MPa时，发生冲击破坏的临界应力水平为50～70MPa。

所以，在考虑矿震动载作用的情况下，不同强度煤体诱发冲击的临界静载应力可以表示为：

式中：σ_c为煤样单轴抗压强度。

巷帮煤体弹性核能量抵抗线临界值的确定

如图3所示，巷帮煤体弹性能量核区在破坏前积聚的能量可以表示为：

式中：E_s为煤体弹性能量核区积聚的能量；E_i为煤体弹性能量核区微分块段积聚的能量；σ_i1、σ_i2、σ_i3分别为煤体弹性能量核区第i微分块段的三个主应力；E和μ分别是煤体的弹性模量和泊松比。

巷道帮部煤体弹性核区煤体发生破坏后，积聚的弹性能一部分在破坏过程中被消耗掉，另外一部分转化为矿震动能传播出去。根据实验室测定的煤样冲击能量指数，煤体弹性核区破坏后转化为矿震动能的能量可以用下式表示：

式中：E_k0为弹性核区初始动能：K_E为煤样的冲击能量指数。

矿震动能在巷帮煤体中的传播如图4所示。传播至巷帮表面煤体剩余的矿震动能可以表示为：

式中：λ为震动波波长；L_抵抗为弹性核区边界到巷道表面的距离，即弹性能量核抵抗线；E_k为剩余能量，k为震动波能量传播衰减系数。

则矿震动载引起的巷帮表面煤体质点振动峰值速度为：

式中，v_PP为巷帮表面煤体质点振动峰值速度。

当计算得到的巷帮表面煤体质点振动峰值速度超过其临界值时，巷帮表面煤体就将发生冲击破坏。将巷帮表面煤体质点振动临界速度代入上式，变换调整后可以得到煤体弹性能量核抵抗线临界值如下：

式中，L_抵抗-C为弹性能量核抵抗线临界值；v_PP-c为巷帮表面煤体质点振动临界速度。

判断钻孔附近巷帮煤体冲击危险状态

从实测钻孔应力分布曲线图中获得钻孔峰值应力和弹性能量核抵抗线。设实测钻孔峰值应力与冲击临界静载应力之比为K_S，弹性能量核抵抗线临界值与实测弹性能量核抵抗线之比为K_L，根据K_S和K_L的大小判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平。

当K_S≥1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到冲击危险预警水平，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_S＜1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到相应百分比的冲击危险预警水平，根据现场冲击危险管控需要，可以设定K_S大于某值时(如0.7或0.8)，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_L≥1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体将发生冲击破坏，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

当K_L＜1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到相应百分比的冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体发生冲击破坏的可能性为对应的百分数；根据现场冲击危险管控需要，可以设定K_L大于某值时(如0.7或0.8)，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

根据所建立的巷帮煤体高应力冲击地压发生模型，只有当K_S≥1和K_L≥1同时满足时，冲击地压发生的可能性才达到100％；对于其余三种情况，冲击地压发生的可能性都小于100％。为了降低冲击危险水平，应使K_S和K_L都小于1，且其值越小，冲击危险水平越低，安全性越高。

Claims (6)

1.一种基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于：利用钻孔后获取的钻孔应力分布状态信息对巷帮煤体的冲击危险性进行评估，

包括如下步骤：

步骤一、在相似条件巷道中利用微震系统监测矿震引起的巷道围岩质点振动峰值速度，根据不同位置监测的质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线；根据微震系统监测定位到的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度；根据实测钻孔应力弹性核与矿震震源之间的距离，计算震动波从震源传播到弹性核区引起的质点振动峰值速度，进而利用动载与质点振动峰值速度之间的关系式计算得到弹性核区的矿震动载水平；

步骤二、通过测试获得的冲击临界应力与煤体强度之间的关系，根据检测钻孔施工区域煤层的强度，计算出钻孔所在区域巷帮煤体的诱冲临界静载应力；

步骤三、计算巷帮煤体弹性能量核抵抗线临界值；

步骤四、通过实测钻孔峰值应力与冲击临界静载应力之比、弹性能量核抵抗线临界值与实测弹性能量核抵抗线之比的大小判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平。

2.根据权利要求1所述的基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于采用下式计算煤体弹性核区潜在可能承受的动载应力水平：

σ_dP＝ρv_P(v_PP)_P-SL_S ^-k

式中，σ_dP为矿震P波在弹性核区产生的动载；ρ为煤岩介质的密度；v_P为P波在介质中的传播速度，传播速度v_P通过在实验室对煤岩试样进行波速测试即可获得；(v_PP)_P-S为震源区质点振动峰值速度；在相似条件巷道中，利用微震系统监测矿震引起的巷道围岩质点振动峰值速度，根据不同位置监测的质点振动峰值速度，拟合得到震动波传播衰减规律曲线；根据微震系统监测定位的矿震震源位置，利用震动波传播衰减规律曲线得到震源处的质点振动峰值速度(v_PP)_P-S；L_S为震源到钻孔应力弹性核区的距离，设钻孔区域潜在面临的矿震位置和相似条件巷道中实际监测的矿震位置相同，利用钻孔应力弹性核位置和矿震位置直接计算获得；k为震动波在煤岩体中传播时的衰减系数。

3.根据权利要求2所述的基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于采用下式计算钻孔所在区域巷帮煤体的诱冲临界静载应力：

式中：σ_c为煤样单轴抗压强度；σ_d为巷帮煤体潜在可能承受的动载应力水平，对于巷帮煤体弹性核区，动载应力σ_d＝σ_dP。

4.根据权利要求1所述的基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于计算巷帮煤体弹性能量核抵抗线临界值的具体方法如下：

式中，L_抵抗-C为弹性能量核抵抗线临界值；λ为震动波波长；K_E为煤样的冲击能量指数；E_S为弹性核区积聚的弹性能；v_PP-c为巷道帮部表面煤体质点振动临界速度；ρ为煤岩介质的密度；k为震动波在煤岩体中传播时的衰减系数。

5.根据权利要求1所述的基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于：从实测钻孔应力分布曲线图中获得钻孔峰值应力和弹性能量核抵抗线：

比较实测煤体弹性核峰值应力和煤体冲击临界静载应力，如果实测煤体弹性核峰值应力大于煤体冲击临界静载应力，则弹性核达到冲击危险水平，需要采取卸压措施降低弹性核峰值应力；如果实测煤体弹性核峰值应力小于煤体冲击临界静载应力，则表示弹性核未达到冲击危险水平；

比较实测弹性能量核抵抗线和弹性能量核抵抗线临界值，如果弹性能量核抵抗线临界值大于实测弹性能量核抵抗线，则弹性核达到冲击危险水平，需要采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；如果弹性能量核抵抗线临界值小于实测弹性能量核抵抗线，则说明弹性核未达到冲击危险水平。

6.根据权利要求4所述的基于钻孔应力分布的巷帮煤体冲击危险评估方法，其特征在于：从实测钻孔应力分布曲线图中获得钻孔峰值应力和弹性能量核抵抗线；设实测钻孔峰值应力与冲击临界静载应力之比为K_S，弹性能量核抵抗线临界值与实测弹性能量核抵抗线之比为K_L，根据K_S和K_L的大小判断钻孔附近巷帮煤体发生冲击的危险水平；

当K_S≥1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到冲击危险预警水平，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_S<1时，钻孔附近区域煤层应力峰值达到相应百分比的冲击危险预警水平，根据现场冲击危险管控需要，设定K_S大于0.7或0.8，需采取卸压措施降低峰值应力水平；

当K_L≥1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体将发生冲击破坏，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

当K_L<1时，钻孔附近区域煤层弹性能量核抵抗线达到相应百分比的冲击危险预警水平，在弹性能量核发生冲击破坏的情况下，附近的巷帮煤体发生冲击破坏的可能性为对应的百分数；根据现场冲击危险管控需要，设定K_L大于0.7或0.8，需采取卸压措施增大弹性能量核抵抗线；

当K_S≥1和K_L≥1同时满足时，巷帮煤体冲击地压发生的可能性才达到100％；对于其余三种情况，冲击地压发生的可能性都小于100％；为了降低冲击危险水平，应使K_S和K_L都小于1，且其值越小，冲击危险水平越低，安全性越高。

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