一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法

本发明涉及矿山安全，具体涉及一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法。

背景技术：

1、冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变形能瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等，具有很强的破坏性，是煤矿重大灾害之一。随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击地压已成为国内外煤矿开采领域面临的主要灾害之一。

2、在煤矿巷道掘进和工作面回采过程中，破坏了原岩应力平衡状态，引起煤岩体内部的应力重新分布，形成新的应力平衡状态。采动时作用在围岩和支护物体上的力称为采动应力。采动后原岩应力场各点的应力状态都将发生变化，准确了解采动应力场在煤体开采过程中的演化规律对于评价预测矿山压力、冲击地压等动力灾害具有重要意义。

3、对于采动应力监测常采用钻孔应力监测方式，钻孔应力监测原理是将受压传感器，如油压枕、弹性元件、空心包体等安装在煤体的钻孔内，通过受压传感器把围岩应力变化转化为电信号，最后换算为压力，得到煤体应力相对变化情况，进而监测预报冲击地压危险性。

4、专利cn114112667a公开了一种煤层应力监测冲击地压临界预警指标值设置的方法，该方法解决了现有通过煤层钻孔应力监测预警冲击地压的方法矿间无差别、无实验室理论依据，不能差别化指导矿井进行监测预警的问题，但其依旧只是给出预警范围，对预警指标临界值的确定未提出有效的严格数理判据。专利cn104074547a公开了一种煤矿回采巷道冲击地压预警方法，该方法利用煤体的动态破坏应力指数cd与煤体冲击破坏应力指数dd对巷道冲击危险性进行预警，但该预警方法主要是通过实验室试验获得，缺少相应的理论支撑，具有一定局限性。专利cn101493366b、cn108426663a分别公开了一种钻孔应力传感器及其钻孔应力监测方法、一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法，但这些专利仅是针对钻孔应力的监测，未对冲击地压临界预警指标值的设定提供思路和方法。

5、综上，目前钻孔应力监测冲击地压只规定了危险判别指标和危险判别方法，并没有从理论角度对钻孔应力预警指标临界值提出确定方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明基于扰动响应失稳理论提出了钻孔应力预警指标临界值的确定方法。扰动响应失稳理论是经过严格的力学推导而得到的圆形巷道冲击地压发生时的临界应力、煤体单轴抗压强度、巷道支护强度以及冲击倾向性指数四者之间的内在关系。通过分析待预警采掘区域冲击地压发生的近场临界应力、煤体实际应力、采动应力的内在关系，进而得出钻孔应力监测冲击地压的预警指标临界值。综上所述，本发明基于扰动响应失稳理论提出的冲击地压钻孔应力预警指标临界值的确定方法，对于冲击地压灾害精准监测和靶向防治具有重要指导意义。

2、本发明技术方案为：一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，包括以下步骤：

3、步骤1、测试待预警巷道围岩中煤体力学参数，包括单轴抗压强度σc和冲击能量指数ke；

4、步骤1-1：现场取样、加工，制备标准煤体试样，用于力学参数测试；

5、步骤1-2：开展待预警巷道煤样力学参数测试，获取单轴抗压强度σc和冲击能量指数ke。

6、步骤2、计算待预警巷道冲击地压发生的近场临界应力pmcr；

7、步骤2-1：根据待预警巷道断面尺寸、支护形式和支护参数计算支护应力ps

8、

9、式中，f为最小支护单元支护力，n，a为最小支护单元对应的支护面积，m2；

10、步骤2-2：计算待预警巷道冲击地压发生的远场临界应力pcr

11、

12、式中，n为修正系数，根据待预警巷道所在矿井或相似地质条件矿井发生冲击地压情况确定；σc为煤体单轴抗压强度，mpa；ke为煤体冲击能量指数；ps为巷道支护应力，mpa。

13、步骤2-3：计算待预警巷道冲击地压发生的近场临界应力pmcr

14、pcr是巷道冲击显现的远场临界应力，而钻孔应力监测的是近场采动应力，因此还需将远场临界应力转化为冲击显现近场临界应力pmcr，通过理论推导得到

15、

16、步骤3、计算待预警巷道近场实际应力p0；

17、通过煤层上覆岩层自重应力与现场煤层开采应力集中系数得到待预警巷道近场实际应力p0

18、p0＝kγh

19、式中，k为应力集中系数，k≈1.0～2.0；γ为岩层容重，25kn/m3；h为巷道埋深。

20、步骤4、根据冲击地压发生的近场临界应力和实际应力，计算待预警巷道冲击地压发生的煤体临界采动应力σcr′；

21、σcr′＝pmcr-p0。

22、步骤5、根据冲击地压发生煤体临界采动应力σcr′和钻孔应力计初始安装应力σ0，计算冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值σcr；

23、σcr＝σcr′+σ0。

24、本发明创造的有益效果是：

25、本发明提出的冲击地压煤层钻孔应力预警指标临界值的确定方法，是基于扰动响应失稳理论推导得出的，解决了缺乏从理论角度确定冲击地压钻孔应力预警指标临界值，为冲击地压矿井科学、合理设置煤层钻孔应力监测冲击地压灾害预警临界值提供了理论依据，对冲击地压精准监测和靶向防治提供了理论指导。

技术特征：

1.一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，所述的步骤1中，具体步骤为：

3.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体步骤为：

4.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，其特征在于，所述的步骤3中，具体步骤为：

5.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，其特征在于，所述的步骤4中，具体步骤为：

6.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法，其特征在于，所述的步骤5中，具体步骤为：

技术总结
一种煤矿冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值的确定方法：1)测试待预警巷道围岩中煤体力学参数；2)计算待预警巷道冲击地压发生的近场临界应力P<subgt;mcr</subgt;；3)计算待预警巷道近场实际应力P<subgt;0</subgt;；4)根据冲击地压发生的近场临界应力和实际应力，计算待预警巷道冲击地压发生的煤体临界采动应力σ<subgt;cr</subgt;′；5)根据冲击地压发生的煤体临界采动应力和钻孔应力计初始安装应力，计算冲击地压煤层钻孔应力监测预警指标临界值σ<subgt;cr</subgt;。本发明解决了当前缺少冲击地压灾害煤层钻孔应力监测预警指标临界值的理论计算方法问题，为煤矿冲击地压灾害精准监测提供了理论指导。

技术研发人员：王岗,徐赠俊,王爱文,施天威,代连朋,于晓杰,杜璐璐,胡爽,刘连坤,汪博文,魏云杰
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21