一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法與流程

本發明涉及一種沖擊危險預評估方法，具體涉及一種適用于煤礦孤島工作面是否可安全開采的基于覆巖結構應力傳遞機制的沖擊危險預評估方法。

背景技術：

礦井早期基于安全等考慮，大多采用條帶開采和跳采，這種現象在我國中東部礦區尤為突出，因此這些礦井普遍存在各種形式的孤島工作面：相鄰兩面采空、三面采空、兩面采空和斷層切割、三面采空和斷層切割等。礦井開采后期由于礦產資源的匱乏等原因，需要開采這些遺留孤島工作面。近年來，隨著開采深度的增加，孤島工作面沖擊礦壓事故發生的頻度和烈度也隨之增加，嚴重影響了的礦井的安全開采和員工的安全。

孤島工作面能否安全開采，即哪些不可開采、哪些可安全回采或者哪些在采取一定的防沖措施后可安全回采，這一工程技術難題目前仍缺乏有效的理論依據，大多只是依靠經驗。目前的沖擊危險評價模式大多針對于工作面回采期間的沖擊危險進行評價，對于工作面采前沖擊危險的評估研究較少。其次，評價標準及其判斷沖擊失穩的各項指標存在異議，忽略了大量的現場實際工程條件。因此，面對孤島工作面沖擊礦壓日益嚴峻的形勢，有必要提出確定孤島工作面能否安全開采的更為有效的沖擊危險評估方法。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提出一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，給出的指標物理意義明確，可操作性強，且能夠量化沖擊危險等級。

實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，包括以下步驟：

(1)收集待評估的孤島工作面的相關地質信息；

(2)根據步驟一中收集到的相關地質信息，計算采空區的覆巖演化理論高度hd，并進行關鍵層判別，根據關鍵層破斷與否，修正覆巖演化理論高度hd得到覆巖演化高度，并判定覆巖結構類型；

(3)分別計算出孤島工作面煤體上方靜載荷σj和動載荷σd；

(4)測定煤層的單軸抗壓強度rc；

(5)根據煤層的單軸抗壓強度rc確定煤層臨界沖擊載荷σbmin；

(6)基于靜載荷σj和動載荷σd計算出動靜組合疊加應力(σj+σd)，比較動靜組合疊加應力(σj+σd)與煤層臨界沖擊載荷σbmin，判別沖擊危險級別，實現孤島工作面采前沖擊危險的預評估。

進一步地，所述步驟(1)中的相關地質信息包括：上覆巖層的巖性、上覆巖層的物理力學屬性、煤層厚度、兩側采空區的工作面埋深以及工作面長度；所述上覆巖層的物理力學屬性包括覆巖厚度、覆巖彈性模量、覆巖碎脹系數、覆巖體積力、覆巖單軸抗壓強度和覆巖泊松比。

進一步地，所述覆巖理論演化高度hd的計算公式為：

其中：l為采空區的工作面長度；h為采空區的工作面埋深，h為煤層厚度，e為覆巖彈性模量，σc為覆巖單軸抗壓強度，ν為覆巖泊松比，b為覆巖碎脹系數、γ為覆巖體積力。

進一步地，所述步驟(2)中根據關鍵層破斷與否，修正覆巖演化理論高度hd得到覆巖演化高度，具體為：

①根據收集到的上覆巖層的物理力學屬性進行關鍵層判別；

②結合覆巖演化理論高度hd確認覆巖演化所涉及的關鍵層層位和高度；

③若判斷出步驟②中得到的所涉及的關鍵層破斷，則覆巖演化高度等于各破斷的關鍵層與其所控制的巖層的高度之和；

④若判斷出步驟②中得到的所涉及的關鍵層未破斷，則覆巖演化高度等于最下層關鍵層的高度。

進一步地，所述步驟(2)中根據關鍵層破斷與否，判定覆巖結構類型，具體包括以下步驟：

a：根據兩側采空區采動過程中的監測數據，判斷主關鍵層是否破斷；

b：當兩側采空區的主關鍵層均斷裂時，判定覆巖結構類型為短臂“t”型結構；

c：當兩側采空區的主關鍵層均未斷裂時，判定覆巖結構類型為長臂“t”型結構；

d：當其中一側采空區的主關鍵層斷裂、另一側采空區的主關鍵層未斷裂時，判定覆巖結構類型為非對稱“t”型結構。

進一步地，所述靜載荷σj的表達式為：

σj＝σg+δσ1+δσ2

其中，σg為自重應力；δσ1、δσ2分別為兩側采空區上覆巖層傳遞至孤島工作面的應力增量；

σg＝γh

其中，h為采空區的工作面埋深；γ為覆巖體積力；

其中，α為單側采空區的巖層移動角，α的取值為α1、α2，α1、α2分別為兩

側采空區的巖層移動角，hd為覆巖演化高度，δσmax為采空區覆巖所產生的最大應

力增量值。

進一步地，所述動載荷σd的表達式為：

其中，i＝2,3,…,n；hi為第i層破斷巖層的破斷巖塊的厚度，li為第i層破斷巖層的破斷巖塊的長度；σti為第i層破斷巖層的破斷巖塊的抗拉強度。

進一步地，所述步驟(5)中的根據煤層的單軸抗壓強度rc確定煤層臨界沖擊載荷σbmin，具體為：

當rc>20mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為50mpa；

當rc<16mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為70mpa；

當16mpa<rc<20mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為50～70mpa。

進一步地，所述步驟(6)中，基于靜載荷σj和動載荷σd計算出動靜組合疊加應力(σj+σd)，比較動靜組合疊加應力(σj+σd)與煤層臨界沖擊載荷σbmin，判別沖擊危險的級別，具體為：

當σj+σd≥σbmin時，判定孤島工作面不可采；

當σj+σd<<σbmin時，判定孤島工作面可安全回采；

當σj+σd≈σbmin時，判定孤島工作面在采取相應的防沖措施后進行開采。

進一步地，所述的一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，還包括步驟(7)：設定與各沖擊危險等級對應的防治對策，具體為：

當判定孤島工作面不可采時，放棄開采；

當判定孤島工作面可安全回采時，在采掘過程中，加強沖擊礦壓危險的監測預報；

當判定孤島工作面在采取相應的防沖措施后進行開采，防沖措施為：采取強度弱化減沖治理措施，消除沖擊危險，同時在采掘過程中，加強沖擊礦壓危險的監測預報。

本發明的有益效果：

本發明提供的一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，從應力分布的角度，考慮覆巖結構應力傳遞機制和工作面相關地質信息，分別計算出孤島工作面煤體的靜載荷、動載荷和動靜組合疊加應力；經實驗室測得工作面煤體的單軸抗壓強度，并基于工作面煤體的單軸抗壓強度得到其臨界沖擊載荷；基于工作面煤體的動靜組合疊加應力和臨界沖擊載荷，將沖擊危險劃分為不可開采、可安全開采和采取一定卸壓措施后可安全回采三個等級，并給出相應的沖擊礦壓監測、預警和防治措施。

本發明給出的指標物理意義明確，可操作性強，且能夠量化沖擊危險等級。

附圖說明

圖1為一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法流程圖；

圖2為本發明實施例中的3112孤島工作面回采前“t”型覆巖結構示意圖；

圖3為本發明實施例中的靜載荷、動載荷、動靜組合疊加應力與臨界沖擊載荷分布圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，包括以下步驟：

(1)收集待評估的孤島工作面的相關地質信息；

優選地，所述的相關地質信息包括：根據鉆孔取樣得知的上覆巖層的巖性和上覆巖層的物理力學屬性，還包括煤層厚度、兩側采空區的工作面埋深以及工作面長度；所述上覆巖層的物理力學屬性包括覆巖厚度、覆巖彈性模量、覆巖碎脹系數、覆巖體積力、覆巖單軸抗壓強度和覆巖泊松比

(2)根據步驟一中收集到的相關地質信息，計算采空區的覆巖演化理論高度hd，并進行關鍵層判別，根據關鍵層破斷與否，修正覆巖演化理論高度hd得到覆巖演化高度，并判定覆巖結構類型；

所述覆巖理論演化高度hd的計算公式為：

其中：l為采空區的工作面長度；h為采空區的工作面埋深，h為煤層厚度，e為覆巖彈性模量，σc為覆巖單軸抗壓強度，ν為覆巖泊松比，b為覆巖碎脹系數、γ為覆巖體積力。

在實際應用過程中，l的取值為l1、l2，l1、l2分別為兩側采空區的工作面長度；h的取值為h1、h2，h1、h2為兩側采空區的工作面埋深，一般情況下，h1和h2取值相同，從而計算出兩側采空區各自的覆巖理論演化高度。

所述根據關鍵層破斷與否，修正覆巖演化理論高度hd得到覆巖演化高度，具體為：

①根據收集到的上覆巖層的物理力學屬性進行關鍵層判別；

②結合覆巖演化理論高度hd確認覆巖演化所涉及的關鍵層層位和高度；

③若判斷出步驟②中得到的所涉及的關鍵層破斷，則覆巖演化高度等于各破斷的關鍵層與其所控制的巖層的高度之和；

④若判斷出步驟②中得到的所涉及的關鍵層未破斷，則覆巖演化高度等于最下層關鍵層的高度。

所述步驟③和④中的關鍵層破斷與否，通過兩側采空區采動過程中的監測數據來判定。

進一步地，所述根據關鍵層破斷與否，判定覆巖結構類型，具體包括以下步驟：

a：根據兩側采空區采動過程中的監測數據，判斷主關鍵層是否破斷；

b：當兩側采空區的主關鍵層均斷裂時，判定覆巖結構類型為短臂“t”型結構；

c：當兩側采空區的主關鍵層均未斷裂時，判定覆巖結構類型為長臂“t”型結構；

d：當其中一側采空區的主關鍵層斷裂、另一側采空區的主關鍵層未斷裂時，判定覆巖結構類型為非對稱“t”型結構。

(3)分別計算出孤島工作面煤體上方靜載荷σj和動載荷σd；優選根據動靜組合誘沖原理，分別計算出孤島工作面煤體上方靜載荷σj和動載荷σd；

所述靜載荷σj的表達式為：

σj＝σg+δσ1+δσ2(2)

其中，σg為自重應力；δσ1、δσ2分別為兩側采空區上覆巖層傳遞至孤島工作面的應力增量；

σg＝γh(3)

其中，h為采空區的工作面埋深；γ為覆巖體積力；

其中，α為單側采空區的巖層移動角，α的取值為α1、α2，α1、α2分別為兩側采空區的巖層移動角，hd為覆巖演化高度，δσmax為采空區覆巖所產生的最大應力增量值。

所述動載荷σd的表達式為：

其中，i為巖層，i＝2,3,…,n；hi為第i層巖層的破斷巖塊的厚度，li為第i層巖層的破斷巖塊的長度；σti為第i層巖層的破斷巖塊的抗拉強度。

(4)測定煤層的單軸抗壓強度rc；

優選地，可以按照國標gb/t23561.7—2009，在實驗室測定煤層的單軸抗壓強度rc；

(5)根據煤層的單軸抗壓強度rc確定煤層臨界沖擊載荷σbmin；

其具體過程包括以下步驟：

當rc>20mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為50mpa；

當rc<16mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為70mpa；

當16mpa<rc<20mpa時，煤體發生沖擊礦壓破壞的煤層臨界沖擊載荷σbmin為50～70mpa。

(6)基于靜載荷σj和動載荷σd計算出動靜組合疊加應力(σj+σd)，比較動靜組合疊加應力(σj+σd)與煤層臨界沖擊載荷σbmin，判別沖擊危險級別，實現孤島工作面采前沖擊危險的預評估。

優選地，所述步驟(6)具體包括以下步驟：

當σj+σd≥σbmin時，判定孤島工作面不可采；

當σj+σd<<σbmin時，判定孤島工作面可安全回采；

當σj+σd≈σbmin時(動靜組合疊加應力大于或小于臨界沖擊載荷±5％～10％)，判定孤島工作面在采取相應的防沖措施后進行開采。

優選地，所述的一種孤島工作面采前沖擊危險預評估方法，還包括步驟(7)：設定與各沖擊危險等級對應的防治對策，具體為：

當判定孤島工作面不可采時，放棄開采；

當判定孤島工作面可安全回采時，在采掘過程中，加強沖擊礦壓危險的監測預報；

當判定孤島工作面在采取相應的防沖措施后進行開采，防沖措施為：采取強度弱化減沖治理措施，消除沖擊危險，同時在采掘過程中，加強沖擊礦壓危險的監測預報。

實施例一

某礦的3112孤島工作面采掘過程中多次發生沖擊礦壓，下面結合本發明中的采前沖擊危險預評估方法對工作面采前是否可采進行沖擊危險預評估，具體實施步驟如下：

(1)收集到如表1中的工作面相關地質信息，根據公式(1)求得大采空區側的覆巖演化理論高度hd＝497.29m，小采空區側的覆巖演化理論高度hd＝48.58m，根據鉆孔提供的地質資料(具體見表2)，孤島工作面上部存在5層硬巖，劃分為1個主關鍵層和4個亞關鍵層(如圖2所示)，在相鄰采空區工作面回采過程中，各亞關鍵層依次破斷，而主關鍵層未發生破斷。根據關鍵層理論(即若判斷出所涉及的關鍵層破斷，則覆巖演化高度等于各破斷的關鍵層與其所控制的巖層的高度之和)，大采空區覆巖演化高度等于頂板至主關鍵層的高度，其修正結果為271.14m，即表2中3下煤上方的粉砂巖至泥巖的高度＝0.85+27.57+3.2+0.77+20.25+4.45+89.35+3.8+23.4+67.3+30.2＝271.14m；小采空區覆巖演化高度等于頂板至第二層亞關鍵層的高度，其修正結果為32.39m，即表2中3下煤上方的粉砂巖至3上煤的高度＝0.85+27.57+3.2+0.77＝32.39m。

表1

表2

(2)根據式(2)、(3)、(4)、(5)和(6)分別求出工作面煤體承載的靜載荷和動載荷，并得到如圖3所示的動靜組合疊加應力分布曲線；

(3)在工作面煤體實驗室測定的煤體單軸抗壓強度為9.5mpa；

(4)由于工作面煤體單軸抗壓強度小于16mpa，因此，得到煤層要發生沖擊就需要70mpa以上的沖擊的臨界沖擊破壞載荷；

(5)繪制出工作面煤體的動靜組合疊加應力與臨界沖擊載荷曲線，如圖3所示；

(6)確定是否可采、沖擊危險等級。

動靜組合疊加應力約為60～90mpa，動靜組合疊加應力超過70mpa的范圍大約為80m，由于孤島工作面寬度為120m，則約75％孤島工作面煤體處于強沖擊危險區域，判定不可采。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。