一种深部煤岩应力场耦合诱发煤岩失稳预警方法

本发明涉及采矿工程领域，尤其涉及一种深部煤岩应力场耦合诱发煤岩失稳预警方法，特别涉及一种深部煤岩力学各向异性与应力场耦合诱发煤岩冲击失稳的预警研究。

背景技术：

1、煤岩是经长期天然沉积、地质构造运动和物理化学变化而形成的沉积类岩石，其内生层理、节理、割理及天然的孔隙和原生裂隙等，随加载方向与层理、割理等原生裂隙倾向的夹角变化，煤岩力学特性表现出显著差异化特征，成为煤岩力学特性的各向异性。煤炭开采进入深部以后，深部地应力增加、开采扰动增强，使得煤岩力学特性的各向异性与其所受应力场的耦合作用凸显，即深部某一加载方向处于极限平衡状态的煤岩，在开采扰动产生的某一方向扰动应力作用下，使煤岩在达到其最大承载能力前失稳破坏，造成煤岩冲击失稳，形成矿震、冲击地压等动力灾害。

2、现有研究对煤岩各向异性研究相对较多，但大多集中在单轴压缩加载、伪三轴压缩加载，这与深部煤岩所处应力状态差异较大，深部煤岩多处于三向非均匀应力状态，即真三轴应力状态下。因此，单轴压缩加载、伪三轴压缩加载方式取得的煤岩力学响应特征，对了解真三轴状态下深部煤岩力学特性各向异性特征，指导煤岩冲击失稳预警实践方面，仍存在较大差异。同时，现有真三轴加载研究，对煤岩力学特性各向异性的研究仍不充分，未充分考虑所有主应力方向与层理倾向夹角，采动扰动因素作用下，煤岩力学特性的各向异性特征。

3、由于深部煤岩力学各向异性与应力场耦合作用是煤炭开采进入深部以后出现的问题，现有煤岩冲击失稳预警方法包括应力监测、电磁辐射、微震等对煤岩力学特性各向异性方面的因素考虑的仍相对较少。因此，有必要研究一种基于深部煤岩力学各向异性与应力场耦合诱发煤岩冲击失稳的预警探测方法，解决现有研究手段对真三轴及开采扰动条件下煤岩力学特性各向异性认识的不足，保障深部煤炭开采安全。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术指出的技术问题，提供一种深部煤岩应力场耦合诱发煤岩失稳预警方法，能够随着采煤工作推进面按照采煤推进方向推进工作，进行煤层研究预警区的主应力检测并实时判断失稳风险，实现了基于深部煤岩力学各向异性与应力场耦合诱发煤岩的失稳预警，保障了深部煤炭开采安全。

2、本发明的目的通过下述技术方案实现：

3、一种深部煤岩应力场耦合诱发煤岩失稳预警方法，深部煤岩区域包括有待回采煤区和围绕待回采煤区的巷道围岩，巷道围岩与待回采煤区之间设有有采煤巷道，待回采煤区具有按照采煤推进方向进行采煤工作推进的采煤工作推进面，采煤巷道一侧侧壁为待回采煤区的外侧壁，采煤巷道另一侧侧壁为巷道围岩的巷道围岩壁，其方法包括：

4、s1、在距采煤工作推进面的距离l0位置处的巷道围岩壁上布设有初始应力测量点a，测量初始应力测量点a处巷道围岩的初始主应力数据，初始主应力数据包括最大主应力数据、中间主应力数据和最小主应力数据，从初始主应力数据筛选得到应力最大值和应力最小值；

5、s2、确定煤层研究预警区，采集煤层研究预警区的煤层试样进行各向异性角度的单轴加载试验，得到煤层试样的单轴抗压强度数据库，单轴抗压强度数据库按照单轴异性角度、单轴抗压强度对应关联存储；然后按照如下方法划定应力梯度：

6、当应力最大值大于单轴抗压强度数据库中最大的单轴抗压强度时，应力梯度的最大值取最大的单轴抗压强度；

7、当应力最大值小于或等于单轴抗压强度数据库中最大的单轴抗压强度时，应力梯度的最大值取应力最大值；

8、应力梯度的最小值取应力最小值，得到应力梯度的范围值，设定应力梯度等级数为2n，n为正整数，将应力梯度的范围值划分2n个等级，将其中等级1～n设置为第一应力梯度范围，将等级(n+1)～2n设置为第二应力梯度范围；

9、s3、采集若干个与步骤s2煤层研究预警区相同的煤层试样，按照如下方法对煤层试样进行三轴条件下的力学加载：

10、设定煤层试样的应力加载参数，应力加载参数包括最小主应力加载角度、中间主应力加载角度、最大主应力加载角度；按照最小主应力加载角度以第一应力梯度范围作为煤层试样的最小主应力加载范围依次递增加载，同时按照中间主应力加载角度以第二应力梯度范围作为煤层试样的中间主应力加载范围依次递增加载，同时按照应力梯度范围作为煤层试样的最大主应力按照最大主应力加载角度依次递增加载，记录煤层试样最开始破坏的实验应力数据，实验应力数据包括最大主应力加载数据、中间主应力加载数据和最小主应力加载数据；若应力梯度范围的等级2n作为煤层试样的最大主应力加载时，煤层试样仍未破坏，则从等级2n的最大主应力依次递增作为煤层试样的最大主应力加载，并直到煤层试样破坏为止，记录煤层试样最开始破坏的实验应力数据，实验应力数据包括最大主应力加载数据、中间主应力加载数据和最小主应力加载数据；最大主应力加载数据包括破坏时的最大主应力、最大主应力加载角度，最小主应力加载数据包括破坏时的最小主应力、最小主应力加载角度，中间主应力加载数据包括破坏时的中间主应力、中间主应力加载角度；

11、设定不同的应力加载参数，按照上述方法得到不同应力加载参数所对应的实验应力数据，由此得到实验应力数据库，实验应力数据库按照应力加载参数、实验应力数据关联存储；

12、s4、在煤层研究预警区附近的巷道围岩壁上设置推进应力测量点，采集推进应力测量点测量处的主应力数据，主应力数据包括最大主应力数据、中间主应力数据和最小主应力数据，其中最大主应力数据包括最大主应力及方向，中间主应力数据包括中间主应力及方向，最小主应力数据包括最小主应力及方向；构建包含实验应力数据库的数据相似性挖掘模型，将主应力数据输入数据相似性挖掘模型中进行相似度比对分析，并按照相似度由高至低输出实验应力数据及相似度大小。

13、为了更好地实现本发明，在步骤s4中，设定相似度预警阈值，当数据相似性挖掘模型判断得出主应力数据与实验应力数据的相似度大于相似度预警阈值，则发出预警信息。

14、优选地，所述煤层研究预警区为待回采煤区在采煤推进方向的前方某一区域。

15、优选地，随着采煤工作推进面按照采煤推进方向推进工作，步骤s2中的煤层研究预警区为与采煤工作推进面距离l1的待回采煤区；在步骤s4中，在巷道围岩壁沿着采煤推进方向依次设有若干个推进应力测量点，随着采煤工作推进面按照采煤推进方向推进工作，采集采煤推进方向前方距采煤工作推进面的距离l0的若干个推进应力测量点取平均值作为煤层研究预警区的主应力数据，l1≤l0。

16、优选地，在步骤s1中，待回采煤区中部区域布设有初始应力测量点b，测量初始应力测量点b处巷道围岩的初始主应力数据，所述应力最大值与应力最小值从初始应力测量点b的初始主应力数据与初始应力测量点a的初始主应力数据中筛选得到。

17、优选地，在数据相似性挖掘模型中，主应力数据中最大主应力数据的最大主应力与实验应力数据中最大主应力关联对应，主应力数据中的中间主应力数据的中间主应力与实验应力数据中的中间主应力关联对应，主应力数据中最小主应力数据的最小主应力与实验应力数据中最小主应力关联对应。

18、本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

19、本发明能够随着采煤工作推进面按照采煤推进方向推进工作，进行煤层研究预警区的主应力检测并实时判断失稳风险，将主应力检测与力学加载实验相结合来实现对煤岩各向异性及应力场耦合作用进行失稳探测评估，实现了基于深部煤岩力学各向异性与应力场耦合诱发煤岩的失稳预警，保障了深部煤炭开采安全。