CN117332564B - 一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法及系统。该方法中，基于掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型，并基于冲击诱发力学模型，构建掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型，确定围岩完整区的弹性应变能，对掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。籍此，有效克服现有技术中经验类比法、现场实测法、定量预测法等受评价人员主观因素影响，难以获取客观准确的定量预测结果的问题，预测结果更加客观准确，最大限度的避免了掘进巷道冲击危险性评价预测过程中的误差和风险，适用于大埋深、地质条件差、围岩层次错乱等各类掘进巷道围岩，具有极高的适应性和稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及采矿技术领域，特别涉及一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法及系统。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加和开采强度的增大，深部掘进巷道冲击地压发生的频率和强度随之增高，已经成为制约煤体工业发展的主要瓶颈。与回采巷道相比，掘进巷道冲击地压危害更大，更易造成群死群伤事故，掘进巷道冲击危险性的准确预测，对于制定科学合理的生产方案、保障煤矿安全生产具有重要意义。
目前，常用的冲击地压预测方法有以综合指数法和可能性指数法为代表的经验类比法，以微震监测、钻屑法监测、采动应力监测、地音监测、电磁辐射监测等为代表的现场实测法，以及以层次分析和模糊评价理论为基础的定量预测法。但无论是经验类比法、现场实测法，还是定量预测法，均为主观评价方法，缺少对掘进巷道冲击原理的本质认识，故而无法有效保证评价结果的客观准确性，使得无法对掘进巷道的冲击危险性进行有效预测。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，包括：基于所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；基于所述冲击诱发力学模型，构建所述掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型；测算所述掘进巷道的冲击危险性指标的计算参数，并基于所述围岩完整区的弹性应变能模型，确定所述围岩完整区的弹性应变能，以对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
优选的，所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型为圆形环状结构，由内向外依次为第一破碎区、所述围岩完整区、第二破碎区和原岩区；对应的，所述测算掘进巷道的冲击危险性指标的计算参数包括：测算所述掘进巷道的围岩杨氏模量、泊松比/>、所述围岩完整区的深度/>、所述第二破碎区的深度/>、所述第一破碎区对所述围岩完整区的作用力/>、所述第二破碎区对所述围岩完整区的作用力/>。
优选的，根据所述掘进巷道的巷道围岩的支承压力分布规律，以及所述围岩分区破裂结构模型中所述围岩完整区对应的围岩支承压力峰值范围，建立所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；其中，所述冲击诱发力学模型为厚壁圆筒型，内部受所述第一破碎区在被动向巷道空间运动时对所述围岩完整区的反作用力，外部受所述第二破碎区碎胀变形时对所述围岩完整区的作用力/>，圆心至圆筒内部边界的距离为所述围岩完整区的深度/>，圆心至圆筒外部边界距离为所述第二破碎区的深度/>。
优选的，所述围岩完整区的弹性应变能模型为：
；
其中，为所述围岩完整区的弹性应变能，/>为所述掘进巷道的围岩杨氏模量，/>为所述掘进巷道的巷道围岩的泊松比，/>为所述围岩完整区的深度，/>为所述第二破碎区的深度，/>为所述第一破碎区对所述围岩完整区的作用力，/>为所述第二破碎区对所述围岩完整区的作用力。
优选的，所述对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测具体为：响应于所述围岩完整区的弹性应变能大于预设弹性应变能阈值，确定所述掘进巷道的巷道围岩具有冲击地压危险。
优选的，按照公式：
；
确定所述预设弹性应变能阈值；其中，/>为所述掘进巷道的巷道围岩的单轴抗压强度，/>为所述掘进巷道的围岩杨氏模量。
本申请实施例还提供一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测系统，包括：力学模型构建单元，配置为基于所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；应变能模型构建单元，配置为基于所述冲击诱发力学模型，构建所述掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型；量化预测单元，配置为测算所述掘进巷道的冲击危险性指标，并基于所述围岩完整区的弹性应变能模型，确定所述围岩完整区的弹性应变能，以对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
有益效果：
本申请实施例提供的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法中，基于掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型，并基于冲击诱发力学模型，构建掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型；然后，根据测算的掘进巷道的冲击危险指标，基于围岩完整区的弹性应变能模型，确定围岩完整区的弹性应变能，对掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。籍此，有效克服现有技术中经验类比法、现场实测法、定量预测法等受评价人员主观因素影响，难以获取客观准确的定量预测结果的问题，预测结果更加客观准确，最大限度的避免了评价预测过程中的误差和风险，适用于地质条件差、围岩层次错乱等各类巷道围岩，具有极高的适应性和稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法的逻辑框图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的掘进巷道的围岩分区破裂结构模型的示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的掘进巷道的冲击诱发力学模型的示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的围岩完整区深度和第二破碎区深度的估测示意图；
图6为根据本申请的一些实施例提供的一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
申请人研究发现，目前常用的冲击地压预测方法中，经验类比法将各影响因素独立分析，缺乏考虑各因素相互之间的影响关系，导致分析结果具有片面性，同时受到评价人员主观影响较大；现场实测法受地质及开采技术条件的复杂性影响较大，且属于“采中”评价，时间上具有滞后性，无法有效指导工作面回采或巷道掘进前期的冲击地压防治工作；采用层次分析模糊综合评价的预测方法，当考虑的影响因素不同、确定各影响因素权重的方法不同、评价预测等级划分不同时，会导致评价结果出现很大程度的差异。
基于此，申请人提出了一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，克服现有技术中冲击地压的预测受评价预测人员主观影响较大、难以获取客观准确的定量预测结果等方面的问题。如图1、图2所示，该掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法包括：
步骤S101、基于掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型。
通过钻孔与电磁波对掘进巷道的围岩分区进行窥视探测，将各个探测孔相同深度处相同围岩性质（比如，破碎、完整等）的区域进行连线圈定，即可形成掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，且形成的围岩分区破裂结构模型为圆形环状结构，由内向外依次为第一破碎区、围岩完整区、第二破碎区和原岩区，如图3所示。
在围岩分区破裂结构模型中，掘进巷道的巷道围岩由浅入深存在着分区破裂，沿径向由内向外，第一破碎区的压力最小，达到围岩完整区后压力达到峰值，之后，第二破碎区的压力又变小，至原岩区后压力又恢复至原始应力水平，巷道围岩各分区之间的应变差导致弹性应变能在围岩完整区中持续积累，成为冲击地压启动的诱发条件，应力在围岩完整区集中，产生了发生冲击地压的危险。
其中，第二破碎区和围岩完整区之间的应变差与时间存在着正相关关系，也就是说，在掘进巷道开挖伊始，由于第二破碎区和围岩完整区的应变差较低，在围岩完整区中弹性应变能积聚值相对较小，远远达不到冲击的阈值；当第二破碎区不断碎胀变形时，围岩完整区由于煤岩体的弹性模量相对较高，弹性能将不断积聚，构成冲击地压启动的能量来源，在一定时间后，围岩完整区中的弹性应变能趋于稳定，弹性应变能达到最大值，产生了发生冲击地压的危险，其中，围岩完整区的最大弹性应变能与相应煤岩体冲击阈值的大小决定了冲击地压的发生与否。
在煤岩体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力重新分布，巷道两侧改变后的切向应力增高部分为巷道围岩的支承压力，支撑压力是矿山压力的主要组成部分，也是掘进巷道冲击地压诱发的主要静载源；巷道围岩的支承压力分布表征巷道开挖后在围岩由浅部至深部形成的切向应力分布规律，具体呈现为浅部围岩破碎区切向应力较小，较深部因应力集中而切向应力较高，深部则趋近原岩应力状态。基于此，构建掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型，也就是说，根据掘进巷道的巷道围岩的支承压力分布规律，以及围岩分区破裂结构模型中围岩完整区对应的围岩支承压力峰值范围，可通过钻屑法确定围岩完整区的围岩支承压力峰值范围，即通过钻屑法确定围岩完整区的支承压力峰值对应的围岩区域，建立掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型。
对于同一条掘进巷道（巷道围岩物理力学参数不变时），该掘进巷道围岩完整区的弹性应变能主要取决于巷道围岩完整区深度和第二破碎区的深度、第一破碎区和第二破碎区施加在完整区上的压力大小等。本申请中，冲击诱发力学模型为厚壁圆筒型，内部受第一破碎区在被动向巷道空间运动时对围岩完整区的反作用力，外部受第二破碎区碎胀变形时对围岩完整区的作用力/>，圆心至圆筒内部边界的距离为围岩完整区的深度/>，圆心至圆筒外部边界距离为第二破碎区的深度/>。其中，/>所对应的区域即为围岩完整区的支承压力峰值对应的围岩区域，也是冲击诱发力学模型的厚壁圆筒中围岩完整区的厚度，如图4所示。
步骤S102、基于冲击诱发力学模型，构建掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型。
基于敏感性分析知，围岩完整区的弹性应变能水平受围岩完整区的几何参数影响较大，在第二破碎区的深度不变时，围岩完整区的弹性应变能与围岩完整区的深度/>成正相关关系，且在围岩完整区的深度/>接近第二破碎区的深度/>时，围岩完整区的弹性应变能加速上升；在围岩完整区的深度/>不变时，围岩完整区的弹性应变能随第二破碎区的深度/>先快速下降后，与第二破碎区的深度/>成正相关关系，且存在一个第二破碎区的深度/>的值使围岩完整区的弹性应变能达到一个最小极值点。
具体的，巷道围岩完整区的弹性应变能模型如下公式所示：
；
其中，为围岩完整区的弹性应变能，/>为掘进巷道的围岩杨氏模量，/>为掘进巷道的巷道围岩的泊松比，/>为围岩完整区的深度，/>为第二破碎区的深度，/>为第一破碎区对围岩完整区的作用力，/>为第二破碎区对围岩完整区的作用力。
本申请中，在掘进巷道现场，采集围岩试样，并在实验室内测量围岩试样的物理学参数（杨氏模量、泊松比/>）。通过巷帮钻屑法估测掘进巷道的巷道围岩的几何参数（围岩完整区深度/>、第二破碎区深度/>）；具体的，巷道围岩高应力处钻屑量较高，该高应力区域即为围岩完整区范围，根据钻屑量随钻孔深度的变化曲线，在曲线中钻屑量高值区左侧点所对应的钻孔深度即为围岩完整区深度/>，曲线中钻屑量高值区右侧点对应的钻孔深度即为第二破碎区深度/>，如图5所示。
在冲击诱发力学模型中，掘进巷道的巷道有效支护力即第一破碎区对围岩完整区的作用力来自于掘进巷道的浅部支护体（包括布置于巷道内部的支护结构、支护装置）的作用，可以通过巷道支护参数进行推算，或者，通过测量目标区域内的锚杆索实际拉拔力进行测定；掘进巷道所受地应力即第二破碎区对围岩完整区的作用力/>取决于原岩应力水平及开挖导致的应力集中系数，可通过地应力原位测量进行计算，具体的，将测量得到的地应力乘以应力集中系数，得到第二破碎区对围岩完整区的作用力/>。
步骤S103、测算掘进巷道的冲击危险性指标，并基于围岩完整区的弹性应变能模型，确定围岩完整区的弹性应变能，以对掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
根据所得到的巷道围岩的2项物理力学参数（杨氏模量、泊松比/>）、2项几何参数（围岩完整区深度/>、第二破碎区深度/>）、2项力学边界条件（巷道有效支护力/>、掘进巷道所受地应力/>），按照巷道围岩完整区的弹性应变能模型，即可得到巷道围岩完整区的弹性应变能。
基于围岩完整区的弹性应变能模型，确定围岩完整区的弹性应变能即为围岩完整区的弹性应变能积聚的最大值，围岩完整区的弹性应变能积聚的最大值与相应煤岩体冲击阈值的大小决定了冲击地压是否发生。在矿山的不同位置，围岩完整区的弹性应变能大小不同，具体的，在深部地质巷道、临近巷道、相变带等应力集中区，开挖伊始的巷道两帮发生冲击地压的可能性较低，而滞后迎头一定距离的巷道由于围岩完整区积累了相对高水平的弹性应变能，更容易诱发冲击地压。
本申请中，将得到的巷道围岩完整区的弹性应变能与预设弹性应变能阈值进行比较，具体的，预设弹性应变能阈值基于煤岩体动力破坏的最小能量原理，按照公式：
；
确定预设弹性应变能阈值。
其中，为掘进巷道的巷道围岩的单轴抗压强度，/>为掘进巷道的围岩杨氏模量。若围岩完整区的弹性应变能大于预设弹性应变能阈值，确定掘进巷道的巷道围岩具有冲击地压危险。籍此，实现掘进巷道围岩冲击危险性的量化预测，有效克服现有技术中经验类比法、现场实测法、定量预测法等受评价人员主观因素影响，难以获取客观准确的定量预测结果的问题，预测结果更加客观准确，最大限度的避免了评价预测过程中的误差和风险，适用于地质条件差、围岩层次错乱等各类巷道围岩，具有极高的适应性和稳定性。
基于围岩完整区的弹性应变能对冲击地压危险进行预测，一方面，有效避免了评价人员主观因素的影响，而且方法简单，预测结果更加易于理解和接受，有利于现场人员直接了解巷道围岩冲击危险性预测的结果，并能够对其采取相应的应对措施。
如图6所示，本申请实施例还提供一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测系统，包括：力学模型构建单元601、应变能模型构建单元602和量化预测单元603。
其中，力学模型构建单元601，配置为基于掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型。
应变能模型构建单元602，配置为基于冲击诱发力学模型，构建掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型。
量化预测单元603，配置为测算掘进巷道的冲击危险性指标，并基于围岩完整区的弹性应变能模型，确定围岩完整区的弹性应变能，以对掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
本申请实施例提供的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测系统能够实现上述任一掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法实施例的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，其特征在于，包括：
基于所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；其中，所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型为圆形环状结构，由内向外依次为第一破碎区、围岩完整区、第二破碎区和原岩区；根据所述掘进巷道的巷道围岩的支承压力分布规律，以及所述围岩分区破裂结构模型中所述围岩完整区对应的围岩支承压力峰值范围，建立所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；
且所述冲击诱发力学模型为厚壁圆筒型，内部受所述第一破碎区在被动向巷道空间运动时对所述围岩完整区的反作用力，外部受所述第二破碎区碎胀变形时对所述围岩完整区的作用力/>，圆心至圆筒内部边界的距离为所述围岩完整区的深度/>，圆心至圆筒外部边界距离为所述第二破碎区的深度/>；
基于所述冲击诱发力学模型，构建所述掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型；
测算所述掘进巷道的冲击危险性指标的计算参数，并基于所述围岩完整区的弹性应变能模型，确定所述围岩完整区的弹性应变能，以对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
2.根据权利要求1所述的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，其特征在于，
测算所述掘进巷道的冲击危险性指标的计算参数包括：
测算所述掘进巷道的围岩杨氏模量、泊松比/>、所述围岩完整区的深度/>、所述第二破碎区的深度/>、所述第一破碎区对所述围岩完整区的作用力/>、所述第二破碎区对所述围岩完整区的作用力/>。
3.根据权利要求2所述的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，其特征在于，所述围岩完整区的弹性应变能模型为：
；
其中，为所述围岩完整区的弹性应变能，/>为所述掘进巷道的围岩杨氏模量，/>为所述掘进巷道的巷道围岩的泊松比，/>为所述围岩完整区的深度，/>为所述第二破碎区的深度，/>为所述第一破碎区对所述围岩完整区的作用力，/>为所述第二破碎区对所述围岩完整区的作用力。
4.根据权利要求1所述的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，其特征在于，所述对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测具体为：
响应于所述围岩完整区的弹性应变能大于预设弹性应变能阈值，确定所述掘进巷道的巷道围岩具有冲击地压危险。
5.根据权利要求4所述的掘进巷道围岩冲击危险性量化预测方法，其特征在于，按照公式：
；
确定所述预设弹性应变能阈值；
其中，为所述掘进巷道的巷道围岩的单轴抗压强度，/>为所述掘进巷道的围岩杨氏模量。
6.一种掘进巷道围岩冲击危险性量化预测系统，其特征在于，包括：
力学模型构建单元，配置为基于所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型，构建所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；其中，所述掘进巷道的围岩分区破裂结构模型为圆形环状结构，由内向外依次为第一破碎区、围岩完整区、第二破碎区和原岩区；根据所述掘进巷道的巷道围岩的支承压力分布规律，以及所述围岩分区破裂结构模型中所述围岩完整区对应的围岩支承压力峰值范围，建立所述掘进巷道的围岩分区破裂结构特征下的冲击诱发力学模型；且所述冲击诱发力学模型为厚壁圆筒型，内部受所述第一破碎区在被动向巷道空间运动时对所述围岩完整区的反作用力，外部受所述第二破碎区碎胀变形时对所述围岩完整区的作用力/>，圆心至圆筒内部边界的距离为所述围岩完整区的深度/>，圆心至圆筒外部边界距离为所述第二破碎区的深度/>；
应变能模型构建单元，配置为基于所述冲击诱发力学模型，构建所述掘进巷道的围岩完整区的弹性应变能模型；
量化预测单元，配置为测算所述掘进巷道的冲击危险性指标，并基于所述围岩完整区的弹性应变能模型，确定所述围岩完整区的弹性应变能，以对所述掘进巷道围岩冲击危险性进行量化预测。
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- 2023-09-11 CN CN202311166251.2A patent/CN117332564B/zh active Active
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