一种矿区冲击地压的危险性评估方法与流程

本发明涉及采矿工程技术领域，尤其涉及一种矿区冲击地压的危险性评估方法。

背景技术：

目前矿区急倾斜煤层开拓已进入400m水平(地表800m水平)，专家学者已总结出针对近直立煤层、45°煤层及急倾斜煤层浅转深开采等冲击地压发生机理。掌握冲击地压的力源及孕育条件，合理的进行冲击地压危险性评价及划分危险区域，是采取有效防治措施的前提。急倾斜煤层冲击地压形成条件不同于水平煤层或缓倾斜煤层，冲击地压发生位置浅、种类多、采掘关系复杂、上覆遗留煤柱及小窑多，现有的冲击地压危险性评价方法不能评价及区分矿区内的冲击危险性。

有鉴于此，提供一种能够评估矿区的冲击地压危险等级的矿区冲击地压的危险性评估方法成为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够评估矿区的冲击地压危险等级的矿区冲击地压的危险性评估方法。

本发明技术方案提供一种矿区冲击地压的危险性评估方法，包括如下步骤：

s001：收集矿区地质资料，掌握矿区发生冲击地压的显现特征与开采方法的关系，并分析矿区的地质条件、顶底板及煤层的物理力学性质；

s002：预先确定冲击地压危险等级以及与各冲击地压危险等级所对应的冲击地压危险指数范围；

s003：确定冲击地压的煤层开采影响因素参数、权重和评估指数值范围，包括：

煤层开采影响参数wi；

wi对应的权重αi；

wi对应的评估指数值范围pimin-pimax；

其中，i为大于等于1的整数；

s004：通过如下公式确定上述影响因素对冲击地压危险性的冲击地压危险性综合指数y总；

式中：αi为第i个煤层开采影响因素参数的权重，pis为第i个煤层开采影响因素参数实际对应的评估指数值，pimax为第i个煤层开采影响因素参数的最大评估指数值，n为煤层开采影响因素参数的数目；

s005：将y总与步骤s002中的冲击地压危险指数范围进行比较，根据比较结果确定y总所对应的冲击地压危险等级。

进一步地，煤层开采影响参数包括：

w1：工作面的开采深度为h；

w2：围岩中的坚硬厚层岩层与开采煤层之间的距离为d；

w3：开采区域内的构造应力集中程度；

w4：坚硬厚层岩层的厚度lst；

w5：开采煤层的抗压强度；

w6：开采煤层煤层顶底板的冲击能量指数wet；

w7：煤层顶底板的冲击能量指数wet；

w8：距预设斜煤层走向逆转区的距离dz；

w9：覆层残留煤柱之间的水平距离hz。

进一步地，在步骤s003中：

采用层次分析法，将所有的煤层开采影响参数两两对比，建立判断矩阵，并计算出特征向量x＝【xi，xi+1，....，xn】,

则，wi对应的权重αi＝xi。

进一步地，在步骤s003中：

将每个煤层开采影响参数wi划分为m个参数等级ki，其中m为大于等于2的整数；

对应每个参数等级kim设定一个评估指数值pim；

wi对应的评估指数值范围由各评估指数值pim构成。

进一步地，通过如下方式确定出工作面的临界开采深度h0：

测得各层煤层的埋深，并测得各层煤层的水平应力σ水平和各层煤层的垂直应力σ垂直；

通过如下公式计算出各层煤层的应力差异系数σ，

σ＝(σ水平-σ垂直)/σ水平；

将各层煤层的应力差异系数σ与预设应力差异系数值比较；

如其埋深为hs的煤层的应力差异系数σ大于预设应力差异系数值，则确定临界开采深度h0≤hs。

进一步地，通过如下方式确定坚硬厚层岩层与开采煤层之间的强冲击距离d0：

将坚硬厚层岩层的重应力场及构造应力场视为破坏能量提供系统；

将破坏能量提供系统视为球形体；

通过如下公式计算出破坏能量提供系统的半径r：

式中：e为坚硬厚层岩层的平均弹性模量，μ为泊松比，ml为里氏震级，γ为坚硬厚层岩层的容重；h为开采煤层的埋深；

计算取得r的范围在rmin-rmax之间；

取d0＝rmax。

进一步地，对坚硬厚层岩层的厚度lst进行调整，包括：

监测、记录和分析不同厚度的坚硬厚层岩层中的震动发生状态；

将发生微震事件最多的坚硬厚层岩层的厚度为参考厚度；

根据参考厚度调整坚硬厚层岩层的厚度lst。

进一步地，对覆层残留煤柱之间的水平距离hz进行调整，包括：

根据工作面超前支架的压力，将工作面与覆层残留煤柱之间的区域划分为应力平稳区、应力过渡区、应力陡升区和应力叠加区；

记录工作面在应力平稳区时与覆层残留煤柱之间距离为hz1-hz2；

记录工作面在应力过渡区时与覆层残留煤柱之间距离为hz2-hz3；

记录工作面在应力陡升区时与覆层残留煤柱之间距离为hz3-0；

记录工作面在应力叠加区时与覆层残留煤柱之间距离小于0；

根据hz1、hz2和hz3调整hz。

进一步地，通过计算机建立冲击地压多因素层次分析模型；

将各煤层开采影响参数输入计算中；

得出不同区域的冲击地压危险等级。

进一步地，所述矿区的煤层为急倾斜煤层，所述煤层的倾角在45°-88°之间。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，通过修正、优化现有综合指数法，结合矿区冲击地压显现特征，通过引入应力差异系数对“开采深度”进行调整、引入动力系统(破坏能量提供系统)的尺度半径对“坚硬岩层距煤层距离”进行调整、分析近年微震事件发生位置对“坚硬岩层厚度”进行调整、分析矿区各矿微震事件及水平构造应力新增“距八道湾向斜煤层走向逆转区距离”、数值模拟分析了残留煤柱与工作面距离-应力关系，新增“覆层残留煤柱水平距离”，建立冲击地压多因素层次分析模型，确定了各因素对冲击地压危险性的权重，得出不同区域内的冲击地压危险性指标值。

本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，能有效的评价矿区各矿井、各区域的冲击地压危险性，能区分出不同区域冲击危险性等级。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的矿区冲击地压的危险性评估方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明一实施例提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，包括如下步骤：

s001：收集矿区地质资料，掌握矿区发生冲击地压的显现特征与开采方法的关系，并分析矿区的地质条件、顶底板及煤层的物理力学性质。

s002：预先确定冲击地压危险等级以及与各冲击地压危险等级所对应的冲击地压危险指数范围。

s003：确定冲击地压的煤层开采影响因素参数、权重和评估指数值范围，包括：

煤层开采影响参数wi；

wi对应的权重αi；

wi对应的评估指数值范围pimin-pimax；

其中，i为大于等于1的整数。

s004：通过如下公式确定上述影响因素对冲击地压危险性的冲击地压危险性综合指数y总；

式中：αi为第i个煤层开采影响因素参数的权重，pis为第i个煤层开采影响因素参数实际对应的评估指数值，pimax为第i个煤层开采影响因素参数的最大评估指数值，n为煤层开采影响因素参数的数目。

s005：将y总与步骤s002中的冲击地压危险指数范围进行比较，根据比较结果确定y总所对应的冲击地压危险等级。

本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，主要用于对急倾斜煤层的冲击地压危险程度进行评估，以获得该急倾斜煤层的冲击地压危险等级。

在步骤s001中，通过收集急倾斜煤层矿区地质资料、煤层的开采方法、了解掌握急倾斜煤层发生冲击地压的显现特征，并通过分析急倾斜煤层地质条件、顶底板及煤层物理力学性质，以改进现有的冲击地压危险性评价方法。

在步骤s002中，根据步骤s001中获取的资料，预先确定冲击地压危险等级以及冲击地压危险指数范围。例如:

将冲击地压危险等级分为a、b、c、d四个等级，其中：

a为无冲击危险等级，其对应的冲击地压危险指数范围＜0.3。

b为弱冲击危险等级，其对应的冲击地压危险指数范围0.3-0.5之间。

c为中等冲击危险等级，其对应的冲击地压危险指数范围0.5-0.75之间。

d为强冲击危险等级，其对应的冲击地压危险指数范围0.75-1。

在步骤s003中，确定冲击地压的煤层开采影响参数wi，并确定每个煤层开采影响参数wi，对应的权重αi和评估指数值范围pimin-pimax，其中，i为大于等于1的整数。

煤层开采影响参数wi包括多个影响参数，例如：开采深度、顶板硬厚岩层、开采区域内的构造应力集中、顶板岩层厚度特征参数、煤的抗压强度、煤的冲击能量指数等。

通过分析近年来矿区发生的冲击地压的次数、能量大小、发生位置等因素结合其地质规律确定相应的权重和评估指数值范围。

在步骤s004中，通过下述公式计算上述影响因素(煤层开采影响因素参数)对冲击地压危险性的冲击地压危险性综合指数y总。冲击地压危险性综合指数y总为各影响因素对矿区产生冲击地压的危险系数之和。

公式为：

式中：αi为第i个煤层开采影响因素参数的权重，pis为第i个煤层开采影响因素参数实际对应的评估指数值，pimax为第i个煤层开采影响因素参数的最大评估指数值，n为煤层开采影响因素参数的数目。

在步骤s005中，将计算出的y总与步骤s002中的冲击地压危险指数范围进行比较，根据比较结果确定y总所对应的冲击地压危险等级。

如果y总＜0.3，则该矿区属于a为无冲击危险等级。

如果y总在0.3-0.5之间，则该矿区属于b为弱冲击危险等级。

如果y总在0.5-0.75之间，则该矿区属于c为中等冲击危险等级。

如果y总在0.75-1之间，则该矿区属于d为强冲击危险等级。

由此，本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，能有效的评价矿区各矿井、各区域的冲击地压危险性，能区分出不同区域冲击危险性等级，为矿井开采提供指导。

具体地，煤层开采影响参数包括：

w1：工作面的开采深度为h。

w2：围岩中的坚硬厚层岩层与开采煤层之间的距离为d。

w3：开采区域内的构造应力集中程度。

w4：坚硬厚层岩层的厚度lst。

w5：开采煤层的抗压强度。

w6：开采煤层煤层顶底板的冲击能量指数wet。

w7：煤层顶底板的冲击能量指数wet。

w8：距预设斜煤层走向逆转区的距离dz。

w9：覆层残留煤柱之间的水平距离hz。

各煤层开采影响参数对应的评估指数和权重，可以通过分析和计算得出，具体如下表1：

通过将上述煤层开采影响参数都考虑进去，并分析和计算出相应的评估指数和权重，可以提高对矿区的冲击地压危险评估的准确性。

优选地，在步骤s003中：

采用层次分析法，将所有的煤层开采影响参数两两对比，建立判断矩阵，并计算出特征向量x＝【xi，xi+1，....，xn】,

则，wi对应的权重αi＝xi。

例如：将上述w1-w9两两对比，建立判断矩阵，如下：

经计算，判断矩阵的最大特征值λmax＝9.4798，特征向量为：

x＝[0.0650,0.0650,0.1648,0.0726,0.0247,0.0242,0.0242,0.2705,0.2890]。

取值权重αi＝xi，则w1的权重为0.0650，w2的权重为0.0650，w3的权重为0.1648，w4的权重为0.0726，w5的权重为0.0247，w6的权重为0.0242，w7的权重为0.0242，w8的权重为0.2705，w8的权重为0.2890。

较佳地，在步骤s003中：

将每个煤层开采影响参数wi划分为m个参数等级ki，其中m为大于等于2的整数；

对应每个参数等级kim设定一个评估指数值pim；

wi对应的评估指数值范围由各评估指数值pim构成。

如表1所示，w1划分为四个参数等级：

第一级k11为h≤200m，对应的评估指数值p11为0。

第二级k12为200m<h≤350m，对应的评估指数值p12为1。

第三级k13为350m<h≤500m，对应的评估指数值p13为2。

第三级k14为h≥500m，对应的评估指数值p14为3。

其中，pimin为0，pimax为3，pis为实际值，其可以为0或为1或为2或为3。

w2-w9的参数等级以及对应的评估指数值都可参照w1的方式从表1中推出。

较佳地，通过如下方式确定出工作面的临界开采深度h0。

测得各层煤层的埋深，并测得各层煤层的水平应力σ水平和各层煤层的垂直应力σ垂直；

通过如下公式计算出各层煤层的应力差异系数σ，

σ＝(σ水平-σ垂直)/σ水平；

将各层煤层的应力差异系数σ与预设应力差异系数值比较；

如其埋深为hs的煤层的应力差异系数σ大于预设应力差异系数值，则确定临界开采深度h0≤hs。

临界开采深度h0为冲击地压发生频次的转折点，煤体畸变能及弹性能进一步增大，开采深度在h0以下则冲击地压发生频繁，不利于开采。

预设应力差异系数值可以预先通过分析确定。

例如，矿区发生冲击地压最浅的水平为+500m，埋深为280m，随着采深的增加，在+475m及+450水平，微震大能量事件愈发频繁。通过引入应力差异系数σ＝σ水平-σ垂直)/σ水平，分析铁厂沟、大洪沟、小红沟、碱沟四矿各水平应力差异系数变化情况。分析可知，埋深在365m时，应力差异系数发生明显增高，高于预设应力差异系数值，则可认为埋深365m为矿区浅转深的临界开采深度，也是冲击地压发生频次的转折点，煤体畸变能及弹性能进一步增大，为冲击地压发生提供充分条件。因此结合冲击地压最浅发生水平，调整h在350m为转折点，分为小于200m、200m～350m、350m～500m、500m以下。

较佳地，通过如下方式确定坚硬厚层岩层与开采煤层之间的强冲击距离d0：

将坚硬厚层岩层的重应力场及构造应力场视为破坏能量提供系统；

将破坏能量提供系统视为球形体；

通过如下公式计算出破坏能量提供系统的半径r：

式中：e为坚硬厚层岩层的平均弹性模量，μ为泊松比，ml为里氏震级，γ为坚硬厚层岩层的容重；h为开采煤层的埋深；

计算取得r的范围在rmin-rmax之间；

取d0＝rmax。

根据近年来近直立特厚煤层条件围岩大能量分布特征，当坚硬岩层距离煤层20m内，发生大能量事件对工作面及巷道的破坏较为严重；当坚硬岩层距离煤层20m～40m范围时，发生大能量事件对工作面及巷道的破坏为中等；当坚硬岩层距离煤层40m～60m范围时，发生大能量事件对工作面及巷道的破坏较为微弱；当坚硬岩层距离煤层60m以外时，发生大能量事件对工作面及巷道破坏影响甚微。

这是由于原岩应力场下的动力系统储存能量主要源于自重应力场及构造应力场产生的能量，是两种能量综合作用的结果，可以将自重应力场及构造应力场视为破坏能量提供系统或动力系统。破坏能量提供系统或动力系统储存能量的大小与系统的尺度相关。将破坏能量提供系统或动力系统视为“球形体”，其尺度半径为r。

冲击地压发生释放的能量是由破坏能量提供系统或动力系统提供的，释放的能量与系统尺度半径大小有关，冲击地压释放能量与其对应的系统尺度半径，在假定“球形状”动力系统时，可按下式求得r：

通过对历年来冲击地压微震事件分析，矿区内冲击地压发生的能量大小在3.57×105j～2.40×108j之间，里氏震级为1.1～3.5，以频繁发生冲击地压的小红沟煤矿为例，岩体的平均弹性模量e＝2.04gpa，泊松比μ＝0.21，坚硬厚层岩层的容重γ＝25kn/m³，埋深300m。

计算得出影响尺度半径r为0.87～19.83m，d0取值＝19.83m。表明岩层距煤层20m以内属于强冲击区域，调整d为20m以下、20m～40m、40m～60m、大于60m。

较佳地，对坚硬厚层岩层的厚度lst进行调整，包括：

监测、记录和分析不同厚度的坚硬厚层岩层中的震动发生状态；

将发生微震事件最多的坚硬厚层岩层的厚度为参考厚度；

根据参考厚度调整坚硬厚层岩层的厚度lst。

例如：根据+500水平石门揭露岩性及岩层结构情况，岩层活动范围特征为：第一煤层坚硬岩层的厚度为22m；第二煤层坚硬岩层的厚度为20m；第三煤层坚硬岩层的厚度为54m；第四煤层坚硬岩层的厚度为27m。坚硬岩层主要集中在“中间岩柱”的第二煤层坚硬岩层的底板及第三煤层坚硬岩层的顶板处。通过分析一段时间的微震数据，微震事件主要集中在中间岩柱，占微震总事件的73％，第一煤层坚硬岩层的顶板侧微震事件占总事件的9％，第四煤层坚硬岩层的底板侧微震事件占总事件的7％，其余为煤体内微震事件。大的微震事件主要集中在厚的坚硬岩层中，即岩层厚度在60m以内微震事件频发。调整lst为20m以下、20m～40m、40m～60m、60m以上。

较佳地，对覆层残留煤柱之间的水平距离hz进行调整，包括：

根据工作面超前支架的压力，将工作面与覆层残留煤柱之间的区域划分为应力平稳区、应力过渡区、应力陡升区和应力叠加区；

记录工作面在应力平稳区时与覆层残留煤柱之间距离为hz1-hz2；

记录工作面在应力过渡区时与覆层残留煤柱之间距离为hz2-hz3；

记录工作面在应力陡升区时与覆层残留煤柱之间距离为hz3-0；

记录工作面在应力叠加区时与覆层残留煤柱之间距离小于0；

根据hz1、hz2和hz3调整hz。

例如：急倾斜特厚煤层一般上覆空间为上水平回采后的松散体，但由于历史原因，矿区各井田都存在未回采的覆层残留煤柱、仓柱及老窑采空区，经数值模拟分析。工作面在通过覆层残留煤柱时，超前支架承压力具有明显的分区特性：工作面在覆层残留煤柱60m以外，基本未受到煤柱影响，称为应力平稳区；工作面距覆层残留煤柱0～60m范围内，应力开始出现跃升，称这一区段为应力过渡区。在应力过渡区内，以30m为分界点，30～60m范围内应力增长较为缓慢，0～30m范围内应力开始出现陡升；在工作面进入煤柱内部以后(负值)，工作面超前支承应力与煤柱集中应力相互叠加，称这一区段为应力叠加区，也是最危险的区域。因此调整hz为小于0m、0～30m、30～60m、大于60m。

距预设斜煤层走向逆转区距离dz的调整，例如：距八道湾向斜煤层走向逆转区距离dz：

大洪沟、小红沟井田发生冲击地压频次远高于碱沟，而苇湖梁及六道湾基本未发生过冲击地压。这是由于在水平构造应力挤压下煤层走向沿七道湾背斜与八道湾向斜变化，八道湾向斜最东侧煤层走向逆转区至六道湾西侧边界走向长度24km。自东向西分为大洪沟、小红沟、铁厂沟、碱沟、苇湖梁、六道湾井田，水平构造应力逐渐减小。因此以小红沟、碱沟为界，调整dz为小于6km、6km～12km、12km～18km、大于18km。

较佳地，通过计算机建立冲击地压多因素层次分析模型；

将各煤层开采影响参数输入计算中；

得出不同区域的冲击地压危险等级。

通过修正、优化现有综合指数法，结合矿区冲击地压显现特征，通过引入应力差异系数对“开采深度”进行调整、引入动力系统尺度半径对“坚硬岩层距煤层距离”进行调整、分析近年微震事件发生位置对“坚硬岩层厚度”进行调整、分析矿区各矿微震事件及水平构造应力新增“距八道湾向斜煤层走向逆转区距离”、数值模拟分析了残留煤柱与工作面距离-应力关系新增“覆层残留煤柱水平距离”，修正综合指数评价法内5项地质因素指标，建立冲击地压多因素层次分析模型，确定了各因素对冲击地压危险性的权重，得出不同区域内的冲击地压危险性指标值。

较佳地，矿区的煤层为急倾斜煤层，煤层的倾角在45°-88°之间。

矿区的煤层包括27层以上，倾角45°～88°，属急倾斜煤层群。

例如：矿区位于乌鲁木齐河至铁厂沟河之间，区内赋存有十分丰富的煤炭资源。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组，含可采煤层27层以上，倾角45°～88°，属急倾斜煤层群，煤层总厚度117.07～175.45m，探明储量30.32亿t。矿区由西向东依次分为六道湾井田、苇湖梁井田、碱沟井田、小红沟、大洪沟井田、铁厂沟井田。

本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，尤其适用于急倾斜煤层。

实施例1：

碱沟煤矿+469m水平东翼b3-6工作面走向长度1871m，工作面宽度50m，段高24m，煤层倾角87°，埋深330m左右，采用水平分段综采放顶煤开采，顶底板坚硬岩层距煤层距离在10m以内，顶板厚度23m，底板厚度21m，水平构造应力为8.0mpa，垂直应力5.5mpa，煤体抗压强度13mpa，煤体冲击能量指数15.446，顶底板冲击能量指数4.886，距八道湾向斜槽内距离13km～15km，工作面区域内798m～947m为覆层残留煤柱。

采用本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法，建立模型对该工作面进行冲击地压危险性评价，计算得出在正常回采区域内y总＝0.36，为弱冲击危险性，工作面进入覆层残留煤柱内时y总＝0.64，为中等冲击危险性。

通过微震监测系统事件分析，工作面从距煤柱120m处推进到煤柱内部-60m处(共180m)，分三个区域。共监测到微震事件562次，其中距煤柱60～120m范围内127次，距煤柱0～60m范围内189次，距煤柱-60～0m(煤柱内部)范围内246次，随着工作面向煤柱方向推进，微震事件越来越频繁，且大能量事件占的比率也随之增大，冲击危险性也逐步增大，表明本发明提供的矿区冲击地压的危险性评估方法的判别准确性很高。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。