一种基于采空区压力监测的煤矿采空区飓风灾害预警方法与流程

本发明涉及基于采空区压力监测的煤矿采空区飓风灾害预警方法区空隙计算方法，属于煤矿开采领域。

背景技术：

当煤层或薄直接顶上方存在厚度与强度较大的坚硬岩层时，其不会随着工作面开采而及时自行垮落，若不采用其他强制放顶措施则容易造成大面积悬顶采空区，当悬顶面积达到一定程度，坚硬顶板承受载荷将超出其自身强度极限而瞬间发生大面积垮落，积聚于顶板内部的能量迅速释放，从而发生采空区飓风灾害等重大矿井动力灾害，极易造成矿井设备的严重损坏和现场人员的重大伤亡。发生采空区飓风灾害的前提是采空区内部空隙太大，由于无法对采空区内部空隙进行直接监测，故需通过一种间接监测方法对采空区内部空隙进行反演计算。目前，国内外对采空区的探测方法大致包括钻孔探测法和地球物理勘探法两大类。通过钻孔观测得到的结果具有直观的特点，但由于受工程费用高、操作实施困难等限制，无法进行大量的测点布置同时也难以对采空区的边界范围进行确定，仅能进行少数工程验证；物理勘探结果具有多解性、定位精度不足等问题，因此传统的观测方法都具有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种安装方便、操作简单、实施成本低且能够对采空区实现飓风灾害预警的方法。

本发明提供基于采空区压力监测的煤矿采空区飓风灾害预警方法，包括如下步骤：

步骤一：首先确定某个煤层的工作面，由此得到其工作面厚度值M，根据工作面钻孔岩层柱状资料，然后结合岩体力学参数测试实验可以分别得出岩体的碎胀系数Kp、岩体容重γ；

步骤二：在煤矿采空区内部布置若干个采空区压力枕，采空区压力枕与压力变送器连接，压力变送器的信号通过电缆传输到设在巷道中的数据采集分站，从而得到采空区压力值为P，根据压力计算公式可得到岩体垮落高度∑h，再根据采空区内部空隙计算公式，即可得到采空区内部空隙Δ；

步骤三：根据工作面钻孔岩层柱状资料，同时结合材料力学公式可以计算坚硬顶板最大挠度值为Smax；将采空区内部空隙Δ与坚硬顶板最大挠度值Smax进行对比，当Δ≥0.8Smax时则为采空区飓风灾害预警时刻。

进一步地，所述岩体垮落高度为∑h的计算公式为P/γ。

进一步地，采空区内部空隙计算公式为Δ＝M+∑h-Kp·∑h。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)在采空区内布置若干压力测点，当煤层采出后，后方采空区将逐渐发生垮落，根据顶板垮落状态的变化，采空区内部的压力监测数据也随之发生变化，根据监测得到的压力值反算得到采空区内部的空隙大小，根据材料力学公式可以计算得出坚硬顶板发生破断时的最大挠度值，将根据监测压力计算得到的采空区空隙与理论计算的坚硬顶板临界挠度值进行对比，设定相应的预警系数，从而对采空区飓风灾害事故进行预警。

(2)本发明仅仅通过在采空区设置压力枕，实时监测采空区压力的变化，不需要人工进行勘测，就能实现采空区飓风灾害预警，操作简单，实施成本低，且人工劳动强度低。

附图说明

图1采空区坚硬顶层垮落前状态示意图。

图2采空区压力监测系统示意图。

附图标记：采空区压力枕-1；压力变送器-2；电缆-3；数据采集分站-4；工作面-5；采空区-6；巷道-7；坚硬顶板-8。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如附图1所示的一种采空区压力监测系统，首先确定煤矿工作区的某个采煤工作面5，然后在采空区6内布置若干采空区压力枕1，采空区压力枕1与压力变送器2连接，压力变送器2的信号通过电缆3传输到工作面5前方的巷道7中的数据采集分站4中，通过数据采集分站4进行实时采集存储采空区压力值。当煤层采出后，后方采空区6将逐渐发生垮落，根据如附图2所示的顶板垮落状态的变化，采空区6内部的压力监测数据也随之发生变化，根据监测得到的压力值反演计算出采空区6内部的空隙大小。发生采空区飓风灾害的条件之一是采空区6内部存在的空隙太大。坚硬顶板8垮落，在采空区6形成岩石散体堆积结构，其整个体积大于岩块垮落前体积，这种垮落岩体体积增大的性质即为岩石碎胀特性，通常用碎胀系数Kp表示。坚硬岩层垮落块体大且排列整齐，碎胀系数Kp较小；软岩破碎后块体小排列较乱，碎胀系数Kp较大，而碎胀系数Kp也可以通过在岩体上取芯并结合相应的岩体力学参数测试方法得到，因此如何确定垮落高度∑h成为计算采空区内部空隙的关键。由于无法直接进行测量，本发明所述的方法通过上述的采空区压力监测系统得到采空区内部的压力，若监测得到的采空区压力值为P，工作面5的厚度为M，而垮落岩体容重为γ可以通过岩体力学参数测试方法得到，由此得到坚硬顶板垮落高度∑h为P/γ；再由空隙计算公式Δ＝M-P/·(Kp-1)，从公式可以看出，采空区压力P越小，空隙Δ越大，发生采空区飓风灾害概率更大。

发生采空区飓风灾害的另一条件是坚硬顶板8出现破断。根据材料力学公式可以计算坚硬顶板8的最大挠度值为Smax，该挠度值为坚硬顶板8破断的临界值，即当坚硬顶板8的挠度大于Smax将发生破断。

显然，当采空区空隙Δ越接近坚硬顶板8的最大挠度值Smax，则坚硬顶板8越容易发生破断。如果计算出的采空区空隙Δ≥0.8Smax时，则说明坚硬顶板出现破断的概率越大，则需进行采空区飓风灾害预警，并采取相应措施进行顶板处理。

本发明在采空区6内布置若干压力测点，当煤层采出后，后方采空区将逐渐发生垮落，根据顶板垮落状态的变化，采空区6内部的压力监测数据也随之发生变化，根据监测得到的压力值反算得到采空区内部的空隙大小，根据材料力学公式可以计算得出坚硬顶板8发生破断时的最大挠度值，将根据监测压力计算得到的采空区空隙与理论计算的坚硬顶板临界挠度值进行对比，设定相应的预警系数，从而对采空区飓风灾害事故进行预警。且本发明仅仅通过在采空区6内设置压力枕，实时监测采空区压力的变化，不需要人工进行勘测，就能实现采空区飓风灾害预警，操作简单，实施成本低，且人工劳动强度低。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。