一种矿井冲击地压强度的预测方法及装置制造方法及图纸

本申请公开了一种矿井冲击地压强度的预测方法及装置，方法包括以下步骤：基于开采条件下的采动煤体总能量与煤体损伤消耗能量，确定煤体的开采积聚能量UT‑D；基于煤体破坏损失能量和破碎煤体抛出能量，确定冲击地压的临界能量UL；基于所述开采积聚能量UT‑D和所述临界能量UL，预测发生冲击地压的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种矿井冲击地压强度的预测方法及装置
本公开一般涉及地质灾害防治
，尤其涉及一种矿井冲击地压强度的预测方法及装置。
技术介绍
随着煤矿开采深度和开采强度的越来越大，矿井动力灾害发生的频次也随之增多，对于冲击地压矿井，冲击地压动力灾害是煤矿安全生产的重中之重。冲击地压是在煤岩体能量达到或超过冲击地压临界能量时，煤岩体聚积的弹性能突然释放，将煤岩体抛出，伴随着强烈声响，对井下设备、井下工程空间造成破坏，甚至对井下工作人员造成伤亡。此外，冲击地压发生还会对其他矿井灾害产生影响。由于冲击地压发生机理复杂，又受地质条件和开采条件影响较大，因而对冲击地压研究是保证煤矿安全生产的重要课题之一。目前国内外学术界关于冲击地压发生机理研究主要有刚度理论、强度理论、冲击倾向理论，随着对冲击地压发生机理研究更加深入，又进一步提出了三准则理论、剪切滑移理论、“三因素”理论和变形失稳理论等，对煤矿冲击地压防治和保障安全生产起到了举足轻重的作用。(1)刚度理论：压力试验机出现以后，Petukhov和Cook及Digest最先发现冲击地压可以用岩石试件在刚度较小的柔性试验机上的动态破坏来描述，进而提出了冲击地压刚度理论。Cook在提出能量理论之后，又认识到冲击地压是由于结构失稳造成的。又利用大理岩进一步进行实验。Salaman、Brady和Petukhov等也对多个矿柱的冲击地压问题进行大量的研究。(2)强度理论：强度理论观点为当煤岩体承受的载荷到达其强度极限时，煤岩体就会开始破坏。夹持煤体经典理论是由布霍依诺提出的。若煤体-围岩交界面处以及煤体本身达到极限平衡条件，就达到了冲击地压发生的强度条件。但冲击地压还和煤岩体突然破坏有关，有时煤岩破坏并不意味着冲击地压一定发生。(3)冲击倾向理论：冲击倾向理论指出：若煤岩体的冲击倾向度KE≥KEC时，则煤岩体就可能发生冲击破坏。(4)三准则理论：李玉生指出强度准则是煤体破坏准则，而能量准则和冲击倾向准则是突然破坏准则，提出了冲击地压发生机理可由强度准则、能量准则及冲击倾向性准则来描述，当三个准则全部满足时，将发生冲击地压。(5)“三因素”理论：齐庆新等认为冲击地压发生受三个因素影响，煤岩体内在因素、开采工程活动力源因素和结构因素。据此提出了冲击地压发生“三因素”理论。(6)变形失稳理论：章梦涛认为冲击地压是煤岩体在进入了峰值强度后出现的应变软化现象，基于有限元法，建立了数学模型，对冲击地压进行定量研究。综上所述，对于冲击地压机理研究国内外学者都从不同的角度进行分析论证，针对不同的地质动力条件也给出了系统的描述，取得了很多宝贵的成果与经验。目前，关于煤岩体冲击破坏的能量理论分析研究较多，但这些能量理论大多数都是从同一出发点进行研究的，即：煤岩体冲击破坏过程时所释放的能量与其破坏所消耗的各种能量之间的大小关系，煤岩体破坏后剩余的能量为冲击地压发生提供了能量。到目前为止现有技术还不能全面揭示冲击地压发生规律和机理，更无法准确的对冲击地压的强度进行预测。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种能够更加准确的矿井冲击地压强度的预测方案。第一方面，本申请实施例提供了一种矿井冲击地压强度的预测方法，包括以下步骤：基于开采条件下的采动煤体总能量与煤体损伤消耗能量，确定煤体的开采积聚能量UT-D；基于煤体破坏损失能量和破碎煤体抛出能量，确定冲击地压的临界能量UL；基于所述开采积聚能量UT-D和所述临界能量UL，预测发生冲击地压的强度。通过相应的能量密度来获取相应的所述采动煤体总能量、煤体损伤消耗能量和/或破碎煤体抛出能量，可以根据不同的情况计算相应区域的煤体总能量，能实现定量的预测冲击地压发生的强度。所述采动煤体总能量根据原岩煤体总能量和采动能量获得。基于冲击地压能量理论，在自然地质条件下及开采条件下，分析原岩能量和采动能量对冲击地压的控制作用，进而建立了煤岩体能量与冲击地压强度的关系。所述原岩煤体总能量考虑地质构造、新构造运动和现代构造应力场，通过地质区划方法划分活动断裂，判断对冲击地压的控制作用，可以通过理论计算获得。宏观分析了地质构造、新构造运动和现代构造应力对冲击地压能量孕育作用，提出利用地质动力区划方法对冲击地压危险性进行评价。基于煤田构造应力场、能量场及地壳应变能特征，分析井田内构造形态及运动方式对冲击地压的控制作用，利用地质区划方法划分活动断裂，分析其对冲击地压控制作用，计算出自然地质条件下的原岩能量，基于冲击地压临界能量密度对能量区划分，划分三槽、二槽煤层的高能量区和释放区，分析高能量区对冲击地压的控制作用，进而建立原岩能量与冲击地压强度关系。各种地质灾害实质都是构造活动直接或间接的表现形式，矿井冲击地压的发生是在区域构造作用下，应力积累并达到极限状态后受人为扰动而发生失稳的结果，断块边界带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强，最有利于应力高度积累而发生矿井冲击地压。因此，认为冲击地压的能量基础主要有以下三点：①由于构造运动产生巨大能量，通过地壳岩体介质传递到构造块体内和煤矿开采的工程区域。②构造运动对冲击地压的作用，主要表现在开采工程区域煤岩体的变形和应力变化上，构造活动将会引起煤岩体内的应力和能量重新分布，形成能量的积聚和释放区域。③只有在矿井的工程活动区域煤岩体积聚能量达到或超过冲击地压的临界能量，具备发生冲击地压的能量条件，在采动条件下才会发生冲击地压。所述地质构造所产生的能量为：式中：W-单位煤体的弹性潜能，J；σ(εi)-三个方向主应力，MPa；εi-三个方向主应变。所述现代构造应力场所产生的原岩能量包括自重应力场下能量和构造应力场下能量，自重应力场下能量WZ为：式中：E-弹性模量，GPa；μ-单元体的泊松比；γ-上覆岩层的平均容重，KN/m3；H-单元体所处位置的深度，m；R-冲击地压系统尺度半径，m；构造应力场下能量WG为：式中：k1-最大主应力应力集中系数；k2-中间主应力应力集中系数；k3-最小主应力应力集中系数。区域煤岩体的变形和应力变化是自然条件下原岩能量基础，原岩能量主要由自重应力场下的能量和构造应力场下的能量两部分组成。由于矿井地质条件复杂多变，导致井田构造和地应力场分布格局也相对复杂。因此，要按开采深度、断裂构造、顶板岩性等对研究区域原岩应力值大小及分布情况进行分析计算，进而对能量值大小及分布进行分析计算，划分高能量区、低能量区。通过上述公式，结合公式可以建立冲击地压系统的能量与震级的关系式。其中，ML为面波震级。所述原岩煤体总能量考虑地质构造、新构造运动和现代构造应力场，通过数值模拟获取，计算结果更加直观。基于自然条件下的原岩能量分别特征，可以应用FLAC3D数值模拟软件，对煤层原岩能量积聚区工作面进行模拟开采，分析开采条件下采动活动对工作面前方、煤柱区能量分布特征的影响，对冲击地压强度进行分类。基于工作面前方、煤柱区能量分布特征和冲击地压强度分类，进而建立在开采条件下煤岩体能量与冲击地压强度的关系，进而可以针对不同冲击地压强度区域采取分等级的防治技术措施。所述原岩煤体总能量通过数值模拟获取的方法包括：根据所述矿井的钻孔资料，得到岩性分布图；建立计算模型，对所述模型进行网格划分；根据地质资料，对模型参数进行定义；根据计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：基于开采条件下的采动煤体总能量与煤体损伤消耗能量，确定煤体的开采积聚能量UT‑D；基于煤体破坏损失能量和破碎煤体抛出能量，确定冲击地压的临界能量UL；基于所述开采积聚能量UT‑D和所述临界能量UL，预测发生冲击地压的强度。

【技术特征摘要】
1.一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：基于开采条件下的采动煤体总能量与煤体损伤消耗能量，确定煤体的开采积聚能量UT-D；基于煤体破坏损失能量和破碎煤体抛出能量，确定冲击地压的临界能量UL；基于所述开采积聚能量UT-D和所述临界能量UL，预测发生冲击地压的强度。2.根据权利要求1所述的一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，通过相应的能量密度来获取相应的所述采动煤体总能量、煤体损伤消耗能量和/或破碎煤体抛出能量。3.根据权利要求1所述的一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，所述采动煤体总能量根据原岩煤体总能量和采动能量获得。4.根据权利要求1所述的一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，所述原岩煤体总能量考虑地质构造、新构造运动和现代构造应力场，通过地质区划方法划分活动断裂，判断对冲击地压的控制作用。5.根据权利要求4所述的一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，所述地质构造所产生的能量为：式中：W-单位煤体的弹性潜能，J；σ(εi)-三个方向主应力，MPa；εi-三个方向主应变；6.根据权利要求4所述的一种矿井冲击地压强度的预测方法，其特征在于，所述现代构造应力场所产生的原岩能量包括自重应力场下能量和构造应力场下能量，自重应力场下能量WZ为：式中：E-弹性模量，GPa；μ-单元体的泊松比；γ-上覆岩层的平均容重，KN/m3；H-单元体所处位置的深度，m；R-冲击地压系统尺度半径，m；构造应力场下能量WG为：式中：k1-最大主应力应力集中系数；k2-中间主应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭超，芦志刚，张立新，张大明，李刚，刘光伟，郜富平，王振华，李洪涛，秦勇，邢萌，邱高伟，范宸，韩世勇，杨超，
申请(专利权)人：山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：山西,14