一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法。
【背景技術】
[0002]煤炭工業是我國的基礎產業，其健康、穩定、持續發展是關系到國家能源安全的重大問題，隨著開采深度的增加、開采范圍的擴大和開采強度的加大，近年來雖然采取了不少措施，但沖擊地壓礦井數和總的沖擊地壓次數并未減少。尤其是東部礦井，目前達到千米深井開采的礦井不在少數，而且會越來越多，從煤礦的開采實踐來看，沖擊地壓礦井數量將逐漸增多，沖擊地壓災害將更加嚴重。煤巖體中的壓力如超過煤巖體的強度極限，聚積在巷道或采場周圍煤巖體中的能量會突然釋放，在井巷發生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發出劇烈聲響，是一種開采誘發的礦山地震，更是一種災害，不僅造成井巷破壞、人員傷亡、地面建筑物破壞，還會引發瓦斯、煤塵爆炸以及水災，干擾通風系統，嚴重威脅著煤礦的生產安全。沖擊礦壓是煤礦開采后應力調整的結果，煤礦中許多動力現象的發生都與應力有著密切的關系，因此對煤巖體內應力分布的研宄是分析預測沖擊礦壓危險性和其他一些動力顯現現象的基礎。目前應力監測的方法有礦壓監測、應力計、鉆肩法、激光測振等方法，其中鉆孔應力計最為常用。現有的方法是根據應力的大小來推斷是否有沖擊危險，但是應力的大小與沖擊危險沒有直接的關系，所以這種方法局限性很大，準確性很低。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，該方法依據區域的應力梯度與煤巖體沖擊破壞情況存在耦合關系的原理來確定煤礦沖擊地壓危險區域，適用性強，準確性高。
[0004]為了實現上述目的所采用的技術方案:一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，包括以下步驟:
第一步:收集地質資料，包括根據鉆孔勘探取樣得到的各巖層的名稱，巖層厚度、密度、內聚力、彈性模量、變形模量、抗拉強度、泊松比、內摩擦角和根據礦井實際開采情況得到的礦井開采與工作面布置數據；
第二步:進行采動數值模擬，其步驟包括:建立模型網絡，模塊參數設置，邊界條件與初始條件設置，模型初始平衡，進行模型開挖，模型求解平衡，模擬煤層開挖，得到應力分布數據；
第三步:計算應力隨空間分布數據和應力隨時間分布數據，根據應力分布數據，對空間和時間求導，得到工作面推進方向的應力梯度和開采時間上的垂直應力梯度；
第四步:劃分沖擊危險區域，把Kl或K2異常偏離零值的區域劃分為沖擊危險區域。
[0005]第五步:工作面開采之后，根據步驟四數值模擬劃分的沖擊危險區域，對此區域進行實時在線應力監測，得到監測區域的應力場，重復步驟一至四，收集地質資料，根據應力數據進行沖擊地壓危險區域劃分以及預測預警。
[0006]本發明根據梯度與煤巖體沖擊破壞情況存在耦合關系來預測預警沖擊地壓。應力梯度一般穩定于零值上下，應力梯度出現偏離零值較大的情況即應力梯度異常時，會出現煤巖體沖擊破壞。根據應力梯度異常情況劃分沖擊危險區域，應力梯度異常的區域為沖擊危險區域。本方法適用性強，準確性高，能夠準確的預測預警沖擊地壓危險區域，保證礦井財產安全和工作人員生命安全，對于煤礦安全意義重大。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明的方法流程圖。
[0008]圖2是本發明步驟二的方法流程圖。
[0009]圖3是本發明實施例中的垂直應力集中系數與梯度的模擬分布曲線圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0011]應力梯度是指煤巖的應力隨時間或空間的變化速率，是“應力-時間”曲線或“應力-空間”曲線上任意一點的切線斜率，即是應力對時間或空間的變化率，單位分別為MPa/min、MPa/m。
[0012]在圖1中，一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，包括以下步驟:
第一步:在開采之前，收集地質資料，包括根據鉆孔勘探取樣得到的各巖層的名稱，巖層厚度、密度、內聚力、彈性模量、變形模量、抗拉強度、泊松比、內摩擦角和根據礦井實際開采情況得到的礦井開采與工作面布置數據；
第二步:采動數值模擬，如圖2所示，其步驟包括:建立模型網絡，模塊參數設置，邊界條件與初始條件設置，模型初始平衡，進行模型開挖，模型求解平衡，模擬煤層開挖，得到應力分布數據；
第三步:計算應力隨空間分布數據和應力隨時間分布數據，根據應力分布數據，對時間或空間求導，得到工作面推進方向的應力梯度和開采時間上的垂直應力梯度；
第四步:劃分沖擊危險區域，把Kl或K2異常偏離零值的區域劃分為沖擊危險區域。應力梯度一般穩定于零值，應力梯度出現偏離零值較大的情況即應力梯度異常時，會出現煤巖體沖擊破壞。
[0013]第五步:工作面開采之后，根據步驟四數值模擬劃分的沖擊危險區域，對此區域進行實時在線應力監測，得到監測區域的應力場，重復步驟一至四，收集地質資料，根據應力數據進行沖擊地壓危險區域劃分以及預測預警。也就是，先進行數值模擬，再根據模擬得到的沖擊危險區域，進行現場應力監測分析，這樣更接近真實值。
[0014]通常，適用于煤礦的實時在線應力監測使用的工具是鉆孔應力計。
[0015]關于本發明原理的論證，根據實驗室開展的巖石、煤巖組合試樣的單軸抗壓的聲發射實驗結果表明，應力梯度值越大，聲發射幅值/脈沖次數越多，試樣變形破壞越嚴重。應力梯度值較小時，幅值/脈沖次數較小，試樣破壞程度較小；應力梯度變化較大時，幅值/脈沖次數較大，試樣破壞較大。應力梯度與試樣破壞存在耦合關系，可以作為判斷試樣沖擊破壞程度的一個有效指標。
[0016]采用有限元數值模擬軟件分析了某工作面開采全過程，尤其在煤柱區下方開采時的垂直應力分布規律。圖3所示為工作面開采各個階段(間隔20m)垂直應力集中系數與梯度的分布曲線。當該工作面開采進入煤柱區下方時，垂直應力集中系數急劇上升，最大值位置距煤柱I邊緣60m左右，應力集中系數高達12.45。從區域垂直應力梯度的分布曲線來看，3個峰值位置分別為進煤柱I邊緣、煤柱I與煤柱2交界以及出煤柱2邊緣。煤柱1、2邊緣出應力較集中，最易產生沖擊破壞，因此，區域垂直應力梯度與煤巖體沖擊破壞情況存在耦合關系。
【主權項】
1.一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:收集地質資料，包括根據鉆孔勘探取樣得到的各巖層的名稱，巖層厚度、密度、內聚力、彈性模量、變形模量、抗拉強度、泊松比、內摩擦角和根據礦井實際開采情況得到的礦井開采與工作面布置數據； 第二步:進行采動數值模擬； 第三步:計算應力隨空間分布數據和應力隨時間分布數據，根據應力分布數據，對時間或空間求導，得到工作面推進方向的應力梯度和開采時間上的垂直應力梯度； 第四步:劃分沖擊危險區域，把Kl或K2異常偏離零值的區域劃分為沖擊危險區域；第五步:工作面開采之后，根據步驟四數值模擬劃分的沖擊危險區域，對此區域進行實時在線應力監測，得到監測區域的應力場，重復步驟一至四，收集地質資料，根據應力數據進行沖擊地壓危險區域劃分以及預測預警。
2.根據權利要求1所述的一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，其特征是:采動數值模擬的步驟包括:建立模型網絡，模塊參數設置，邊界條件與初始條件設置，模型初始平衡，進行模型開挖，模型求解平衡，模擬煤層開挖，得到應力分布數據。
3.根據權利要求1所述的一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，其特征是:所述實時在線應力監測使用的工具是鉆孔應力計。
【專利摘要】本發明公開了一種基于應力梯度的煤礦沖擊地壓危險區域的劃分方法，包括以下步驟：收集地質資料；進行采動數值模擬；計算應力隨空間分布數據和應力隨時間分布數據；劃分沖擊危險區域；工作面開采之后，根據上述數值模擬劃分的沖擊危險區域，對此區域進行實時在線應力監測，得到監測區域的應力場，重復上述步驟，收集地質資料，根據應力數據進行沖擊地壓危險區域劃分以及預測預警。本發明根據區域的應力梯度與煤巖體沖擊破壞情況存在耦合關系來預測預警沖擊地壓。根據應力梯度異常情況劃分沖擊危險區域，適用性強，準確性高，能夠準確的預測預警沖擊地壓危險區域，保證礦井財產安全和工作人員生命安全，對于煤礦安全意義重大。
【IPC分類】E21F17-00
【公開號】CN104653226
【申請號】CN201410823976
【發明人】陸菜平, 劉廣建, 劉洋, 張農, 王洪宇, 劉鵬飛
【申請人】中國礦業大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年12月26日