一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法与流程

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法。

背景技术：

我国浅部煤炭资源(埋深小于1000m)的比重占煤岩资源总储量的47％，经过了长年累月的开采，浅部煤炭资源已经接近枯竭。在2013年的国际煤炭峰会上，谢和平院士对我国未来的煤炭产能进行了预测：到2030年，我国煤炭总产量将达到30亿t～35亿t，并且在未来若干年的时间内将继续保持这一水平。这就意味着为了满足我国每年对煤炭资源的需求量，在不久的将来我国将有更多的煤矿踏上“深部开采”的道路。进入深部开采阶段的矿井，煤岩体将承受更高的应力和能量，为冲击地压的孕育和发生提供了更为“有利”的条件。冲击地压是最常见、破坏性最强的矿井动力灾害，对煤矿工人的人身安全和煤矿的高效生产构成严重威胁，因此准确的评价和预测工作对于矿井冲击地压防治体系的构建格外重要。

煤岩体结构发生破坏时，积聚的能量将以波的形式向四周释放和传递，这一过程将伴随着微震信号产生。冲击地压的发生是时间和空间的相互统一，在冲击地压发生的过程中，常伴生着较高能量的微震事件，因此对较高能量微震事件的准确预测预报是预警冲击地压的关键所在，因此对微震事件的分析应首先着重于微震事件发生的位置以及微震事件的能量，特别是对于矿井冲击地压临界能量以上的“高能量”微震事件。当某一区域出现高能量微震事件后，则意味着该处的煤岩体有潜在破坏的危险，该区域或一定范围内的煤岩体经过一段时间的能量积聚后，具备发生冲击地压或再次发生高能量微震事件的危险。因此有必要根据一次“高能量”微震事件，构建相应的“煤岩动力系统”，对系统各个区域的冲击地压危险性进行预测，进而有针对性地开展冲击地压防治工作。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法。

本发明的技术方案：

一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法，包括以下步骤：

步骤1：对待预测矿井的历史冲击地压事件进行分析，确定该矿井冲击地压发生的临界能量；

步骤2：利用微震监测系统对待预测矿井发生的微震事件的震级和方位进行监测，监测范围包括井下所有采掘工程所涉及到的煤体和岩体；

步骤3：根据高能量微震事件即冲击地压发生临界能量及以上的微震事件的震源位置和能量值，构建煤岩动力系统模型，所述煤岩动力系统中心位置为高能量微震事件的震源位置，其包括：动力核区、破坏区、损伤区和影响区四个区域，各区域边界均为以中心位置为球心的球形边界，各区域边界半径计算方法如下：

动力核区：

其中，R为煤岩动力系统动力核区半径(m)；E为煤岩体弹性模量(GPa)；μ为泊松比；γ为上覆岩层容重的平均值(kN/m³)；H为单元体所处位置的深度(m)；k₁、k₂、k₃为应力集中系数，k₁为最大主应力与垂直应力的比值；k₂为中间主应力与垂直应力的比值；k₃为最小主应力与垂直应力的比值；ΔU＝U_G-U_Z；U_Z为自重应力场下煤岩动力系统的能量(J)；U_G构造应力场下煤岩动力系统的能量(J)。

破坏区：

其中，R_P为煤岩动力系统破坏区半径(m)；V_P为冲击波在煤岩体介质中的传播速度(m/s)；σ_c为煤岩体的单轴抗压强度(MPa)；ρ为煤岩动力系统动力核区煤岩体的密度(kg/m³)；ΔU为冲击地压或微震事件的能量(J)；σ_cd为煤岩体的动态抗压强度(MPa)；λ为侧压系数；

损伤区：

其中，R_S为煤岩动力系统损伤区半径(m)；σ_td为煤岩体的动态抗拉强度(MPa)；

影响区：

其中，R_Y为煤岩动力系统影响区半径(m)；D为煤岩体的损伤系数。

步骤4：根据采掘工程所在煤岩动力系统模型区域，预测冲击地压发生时，采掘工程面临的冲击地压危险性，进而有针对性地开展冲击地压防治工作。

根据冲击地压显现强烈程度，将冲击地压划分为煤炮(无冲击危险)、倾出或压出(弱冲击危险)、冲击地压(中等冲击危险)和严重冲击地压(强冲击危险)4个等级，所述煤岩动力系统模型中各区域与冲击地压危险性对应关系为：影响区对应煤炮即无冲击危险，损伤区对应压出或倾出即弱冲击危险，破坏区对应冲击地压即中等冲击危险，动力核区对应强冲击地压即强冲击危险。

有益效果：一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法与现有技术相比，具有如下优势：

提出煤岩动力系统模型及其各区域尺度计算方法，并建立各区域与冲击危险程度对应关系，根据煤岩动力系统模型可判断不同尺度范围内的冲击危险程度，可为各矿井有针对性预防和治理冲击地压灾害提供依据。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的煤岩动力系统与冲击地压显现关系模型示意图；

图2为本发明一种实施方式的基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法流程图；

图3为本发明一种实施方式的煤岩动力系统立体模型示意图；

图4为本发明一种实施方式的煤岩动力系统动力核区破坏过程示意图；

图5为本发明一种实施方式的煤岩动力系统破坏区形成过程示意图；

图6为本发明一种实施方式的煤岩动力系统损伤区形成过程示意图；

图7为本发明一种实施方式的煤岩动力系统影响区形成过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

冲击地压的发生源于煤岩体破坏释放能量与消耗能量的差值达到或超过某一临界值。能量差值的不同导致冲击地压的动力显现程度不同，而能量差值取决于采掘工程与煤岩动力系统之间的相对空间关系。

根据能量积聚程度和影响范围等特征，可将煤岩动力系统划分为“动力核区”、“破坏区”、“损伤区”和“影响区”4个区域，只有当采掘工程活动进入到“动力核区”、“破坏区”和“损伤区”这三个区域，才会具备不同程度和破坏形式冲击地压的发生危险。根据冲击地压显现强烈程度，可将冲击地压划分为煤炮(无冲击)、倾出或压出(弱冲击)、冲击地压(中等冲击)和严重冲击地压(强冲击)4个等级。当采掘工程进入到“影响区”范围内时，动力显现主要以“煤炮”的形式表现出来；当采掘工程进入到“损伤区”范围内时，动力显现主要以“压出、倾出”等形式表现出来；当采掘工程进入到“破坏区”范围内时，动力显现则表现为“冲击地压”；当采掘工程进入“动力核区”范围内时，则会产生“强冲击地压”。

为了更好地描述煤岩动力系统与冲击地压显现关系，构建了“煤岩动力系统与冲击地压显现关系模型”，如图1所示；

对煤岩动力系统的结构进行研究，确定每一个区域尺度的计算方法，对于矿井冲击地压的针对性防治具有重要意义。

如图2所示，一种基于煤岩动力系统的矿井冲击地压危险性预测方法，包括以下步骤：

步骤1：对待预测矿井的历史冲击地压事件进行分析，确定该矿井冲击地压发生的临界能量；

步骤2：利用微震监测系统对待预测矿井发生的微震事件的震级和方位进行监测，监测范围包括井下所有采掘工程所涉及到的煤体和岩体；

煤岩体本身积聚的能量会在构造运动、开采活动等因素的影响下逐渐升高，当突破煤岩体承受的临界条件后，材料内部的裂隙结构将会迅速向四周扩散，导致煤岩结构的破坏。煤岩结构破坏时，能量将以波的形式向四周释放和传递。岩石的破坏是内部裂隙萌生并逐步拓展的过程，宏观的失稳破坏是细微破裂的逐步聚集的结果，这一过程将伴随着微震信号产生。如果在矿区范围内的某一地点出现了微震事件，则意味着该处的岩体有潜在破坏的危险。

矿山微震监测系统具有监测范围可控的特点，具有较高的定位精度，已成为冲击地压等矿井动力灾害监测的主要技术手段之一。微震监测的原理是通过分析破坏后的煤岩体所产生的地震波的特征，来确定煤岩体破坏的位置和应力集中程度，以实现对矿井冲击地压等动力灾害的实时预报，是一种区域性监测方法。微震监测可以对岩体破坏进行四维空间记录，可以依据微震事件的空间坐标、波形、震级、能量等指标对岩体结构的破坏程度和破坏特征进行分析。微震监测系统实现了矿井范围内的震源确定、震级和能量计算、自动记录微震活动特征、以及冲击地压危险性评估等多项功能。对于矿井的实际生产，人们更加注重较高能量微震事件出现的位置和震级大小，微震监测利用检波测量探头，在特定条件的波速场下进行空间定位，根据接收的横波和纵波信号首次到达时间来判定破坏区域的位置，利用震相持续时间计算所释放的能量和震级，可以实现对微震事件的实时监测，进而实现对冲击地压危险区域的实施预判。

步骤3：提取高能量微震事件即冲击地压发生临界能量及以上的微震事件的震源位置和能量值；

冲击地压的孕育和发生历经从能量积聚——能量释放——冲击失稳——能量再次积聚的循环过程。然而，在冲击地压发生的过程中，常伴生着较高能量的微震事件。因此，对较高能量微震事件的准确预测预报是预警冲击地压的关键所在。冲击地压的发生是时间和空间的相互统一，所以对微震监测系统监测到的微震事件分析应该首先着重于微震事件发生的位置，以及微震监测系统监测到的微震事件的能量，特别是对于矿井冲击地压临界能量以上的“高能量”微震事件，当某一区域出现高能量微震事件后，表明煤岩体具备冲击地压发生的“潜质”，具备冲击地压发生的能量基础，该区域或一定范围内的煤岩体经过一段时间的能量积聚后，具备发生冲击地压或再次发生高能量微震事件的危险。

例如：乌东煤矿已发生的冲击地压能量范围为2.51×10⁶J～2.40×10⁸J，因此将10⁶J定义为乌东煤矿冲击地压发生的临界能量，与冲击地压发生的临界能量的统计规律相一致。对于乌东煤矿的实际生产，应对能量在10⁶J以上的微震事件进行着重分析、研究，通过定位微震事件的震源点所在位置，构建煤岩动力系统模型，计算微震事件的具体影响范围。

步骤4：根据高能量微震事件构建煤岩动力系统模型，所述煤岩动力系统中心位置为高能量微震事件的震源位置，其包括：动力核区、破坏区、损伤区和影响区四个区域，各区域边界均为以中心位置为圆心的球形边界，煤岩动力系统立体模型如图3所示；

煤岩动力系统总能量是由自重应力场下动力系统能量U_Z、构造应力场下动力系统能量U_G和采动应力场下系统能量U_C组成的，即矿井赋存的煤岩体在构造运动以及开采活动等外力的影响下，将会产生一定的形变量，煤岩体出现变形的同时将伴随着能量的不断积累。一旦煤岩体承受的外力消失，煤岩体在回复原形态的同时，积累的能量将得以释放，进而对外做功。在不发生冲击地压时，煤岩动力系统不断积蓄能量。在开采扰动等因素的影响下，当动力系统总能量大于背景能量时，能量就会释放。如果释放的能量ΔU大于临界能量时，冲击地压就会发生。

冲击地压是一个复杂的煤岩动力学过程，是在相应的地质动力条件下，煤岩动力系统因开采扰动诱发的能量快速释放过程。煤岩动力系统的能量主要集中在“动力核区”内，当冲击地压或高能量微震事件发生时，煤岩动力系统动力核内的能量得到激发，形成高强度冲击波。冲击波为煤岩动力系统的“破坏区”提供了强大的压应力，冲击波逐层破坏周边煤岩体的同时，能量逐渐向动力核外部的“破坏区”、“损伤区”和“影响区”等各区域耗散。由于在矿井的实际生产中，煤岩体能量的释放、转换、耗散等过程均是在无限介质中进行的，对煤岩动力系统的各区域的尺度也是置于无限煤岩体介质进行研究、计算，详细分析能量的传递过程。

类似于煤体的卸压爆破过程，当冲击地压或高能量微震事件发生的瞬间，满足Mises屈服强度准则，煤岩动力系统的“动力核区”将形成巨大的冲击荷载，在冲击载荷的瞬间作用下，系统“动力核区”的外壁迅速产生形变，并向“破坏区”方向膨胀。处于“动力核区”外壁与“破坏区”交接面的煤岩体会迅速激发出冲击波，并立即向外部区域传播、耗散。在此过程中，系统“动力核区”内的煤岩体被充分破碎，如图4所示。在冲击波的作用下，“动力核区”外部的一定范围内的煤岩体将承受远大于煤岩体自身动态抗压强度的压应力的作用，在此过程中，此区间的煤岩体在强大的压应力作用下而破碎，形成一个“环状破碎带”，在“动力核区”的外部形成了煤岩动力系统的“破坏区”，如图5所示。在“破坏区”范围内，煤岩体在压应力的作用下被破碎，此区间内煤岩体的破碎程度小于“动力核区”内的煤岩体的破碎程度。从煤岩动力系统的“动力核区”外壁到“破碎区”区间范围内，冲击波能量在传播过程中得到衰减，且衰减速度较快，在“破碎区”范围内，冲击波的影响尺度与其衰减速度呈负相关。在“破坏区”的外边界，冲击波的强度与煤岩体的动态抗压强度相等。

经过了“破碎区”煤岩体的能量消耗，在“动力核区”外壁激发出的冲击波在破坏区的外边界衰减成为压缩应力波。压缩应力波将继续在煤岩动力系统的煤岩体介质中向其他区域传播，虽然强度已不能达到煤岩体的动态抗压强度，不能直接使得煤岩体产生压缩破坏，也不能导致“破坏区”以外的煤岩体沿径向方向产生压缩变形，但可以使“破坏区”以外的煤岩体沿切向方向上产生拉应力以及拉伸变形。当应力波的强度高于煤岩体自身的的动态抗拉强度时，煤岩体被拉伸致裂，内部将产生径向裂纹。在此过程中，此区间的煤岩体在拉应力作用下而破裂，形成一个“环状破裂带”，在“破坏区”的外部形成了煤岩动力系统的“损伤区”，如图6所示。在此区间，应力波将以一定的速度继续向动力系统的外部区域继续耗散，当应力波提供的拉应力小于煤岩体自身的动态抗拉强度时，裂隙不再扩展。在“损伤区”的外边界，应力波的强度与煤岩体的动态抗拉强度相等。

经过了“损伤区”煤岩体的能量耗散，应力波的残余强度已经不能直接使得煤岩动力系统内的煤岩体出现破坏或者裂痕，但可以使“损伤区”外部一定范围的煤岩体能量有所升高，在开采活动的影响下，局部煤岩体将以“煤炮”、“弹性震动”等的形式将能量释放。在此区间范围内，应力波的初始强度等于煤岩体自身的动态抗拉强度，应力波继续沿径向方向向煤岩动力系统的外部传播，能量也将继续衰减，当应力波强度降低到煤岩体损伤条件下的抗拉强度以下时，应力波被煤岩体完全吸收而停止传播，至此，冲击地压的能量耗散过程结束。将“损伤区”外边界直至应力波完全被吸收的区间定义为煤岩动力系统的“影响区”，如图7所示。

在原岩应力场下，煤岩动力系统储存的能量是自重应力场下产生的能量和构造应力场下产生的能量综合作用的结果。动力系统的尺度与煤岩动力系统储存能量以及释放能量的大小相关，因此可以根据冲击地压的能量来确定煤岩动力系统的实际尺度。研究中把煤岩动力系统视为球形；动力核区、破坏区、损伤区和影响区的边界半径R、R_P、R_S和R_Y计算方法如下：

动力核区：

其中，R为煤岩动力系统动力核区半径(m)；E为煤岩体弹性模量(GPa)；μ为泊松比；γ为上覆岩层容重的平均值(kN/m³)；H为单元体所处位置的深度(m)；k₁、k₂、k₃为应力集中系数，k₁为最大主应力与垂直应力的比值；k₂为中间主应力与垂直应力的比值；k₃为最小主应力与垂直应力的比值；ΔU＝U_G-U_Z；U_Z为自重应力场下煤岩动力系统的能量(J)；U_G构造应力场下煤岩动力系统的能量(J)。

破坏区：

其中，R_P为煤岩动力系统破坏区半径(m)；V_P为冲击波在煤岩体介质中的传播速度(m/s)；σ_c为煤岩体的单轴抗压强度(MPa)；ρ为煤岩动力系统动力核区煤岩体的密度(kg/m³)；ΔU为冲击地压或微震事件的能量(J)；σ_cd为煤岩体的动态抗压强度(MPa)；λ为侧压系数；

损伤区：

其中，R_S为煤岩动力系统损伤区半径(m)；σ_td为煤岩体的动态抗拉强度(MPa)；

影响区：

其中，R_Y为煤岩动力系统影响区半径(m)；D为煤岩体的损伤系数。

步骤5：根据采掘工程所在煤岩动力系统模型区域，预测冲击地压发生时，采掘工程面临的冲击地压危险性，进而有针对性地开展冲击地压防治工作。

根据冲击地压显现强烈程度，将冲击地压划分为煤炮(无冲击危险)、倾出或压出(弱冲击危险)、冲击地压(中等冲击危险)和严重冲击地压(强冲击危险)4个等级，所述煤岩动力系统模型中各区域与冲击地压危险性对应关系为：影响区对应煤炮即无冲击危险，损伤区对应压出或倾出即弱冲击危险；破坏区对应冲击地压即中等冲击危险动力核区对应强冲击地压即强冲击危险。

抚顺矿业集团老虎台煤矿是我国典型的冲击地压矿井，受到郯庐断裂及其分支的影响，冲击地压、高能量微震事件发生频率较高。将煤岩动力系统各区域尺度计算方法在老虎台矿进行应用，进行准确性验证，验证过程如下：

结合老虎台煤矿煤岩体赋存情况和物理力学参数测试结果，随机选取2011年1月14日～2015年9月8日期间，发生在老虎台煤矿的20组冲击地压事件的统计数据进行分析。根据老虎台矿20组冲击地压事件在不同范围内的破坏现象的描述确定每一次冲击地压的危险等级；基于每一次冲击地压事件或高能量微震事件所监测到的能量，应用煤岩动力系统各区域尺度计算方法确定“动力核区”、“破坏区”、“损伤区”的尺度；根据“煤岩动力系统与冲击地压显现关系”模型的评判标准，将两次独立的计算结果进行对比分析，进而验证煤岩动力系统各区域尺度计算方法的准确性。老虎台矿煤岩体物理力学性质参数测试结果汇总如表1所示，老虎台矿部分冲击地压事故统计结果及破坏情况描述如表2所示，老虎台矿煤岩动力系统各区域尺度计算方法准确性评价结果如表3所示。

表1老虎台矿煤岩体物理力学性质参数测试结果汇总表

表2老虎台矿部分冲击地压事故统计及破坏情况描述表

表3老虎台矿煤岩动力系统各区域尺度计算方法准确性评价结果表

验证结果表明，在随机选取发生在老虎台煤矿的20组冲击地压事件的统计数据中，根据每一次冲击地压的破坏现象判断：有18组属于弱冲击危险、2组属于中等冲击危险；根据煤岩动力系统各区域尺度计算结果：有16组属于弱冲击危险、3组属于无冲击危险、1组属于中等冲击危险。根据两种方法的判定结果，在20组数据中有17组数据划分结果相同，准确率达到85％，由此表明，本方法中煤岩动力系统各区域尺度计算方法具有较高的可信度和实用性，可以广泛应用在矿井冲击地压的危险性预测与评价工作中。