一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法技术

本发明专利技术公开一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，其最终得到的工作面前方的三向采动应力场是通过采用弹性波三维CT技术与采动应力场数据处理系统得到的，通过在工作面前方的弹性波三维CT测试区域设置初始地应力测试点，并充分结合采用真三轴加卸载试验与弹性波波速测试试验得到的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系，实现了工作面前方三向采动应力场的无损、定量测试。本发明专利技术所述的工作面三向采动应力场无损定量测试方法，可以实现对工作面前方煤岩体内的三向采动应力场进行定量监测，而且监测结果是连续的采动应力场值，测试方法不需要向工作面煤层内打深部钻孔，实现了无损、定量监测，解决了传统钻孔应力计测试方法只能进行局部单一方向采动应力的定性测试、测试结果离散度高、可靠性差等问题。

A Non-destructive Quantitative Testing Method for Stress Field of Three-Directional Mining in Working Face

【技术实现步骤摘要】
一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法
本专利技术涉及应力场测试
，尤其涉及一种可以对煤炭开采工作面前方的三向采动应力场进行无损定量测试的方法。
技术介绍
工作面煤层开采打破了煤岩体内的原岩应力场平衡状态，导致原岩应力场重新分布（形成采动应力场），在工作面前方形成了降压区、增压区与稳压区。工作面采动应力是导致工作面顶板岩层断裂的根本力源，且采动应力场的异常区域极易发生顶板大面积断裂来压、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等灾害性事故。目前，煤矿工程现场一般采用钻孔应力计对工作面前方的采动应力进行监测，但采用钻孔应力计进行监测存在以下问题。（1）钻孔应力计仅能得到采动应力的相对变化值，不能得到采动应力的绝对值，难以对采动应力的应力集中程度进行定量标定，且钻孔应力计一般仅能监测围岩在垂直方向的应力变化，难以得到三个方向的应力变化规律。（2）由于受到钻孔深度、钻孔密度等因素的影响，得到的钻孔应力计监测结果仅仅是局部区域的零散值，尤其是受到钻孔深度、塌孔等的影响，一般仅能监测煤层30m范围内的单向应力变化的离散值，煤层深部的应力不能进行监测，难以实现对整个工作面进行监测，监测结果的局限性较大。（3）采用钻孔应力计进行监测需要向煤岩体内打钻孔，打钻孔过程已经对局部煤岩体的应力分布产生了影响，得到的应力监测结果的可靠性较差。因此，采用传统的钻孔应力计进行采动应力场测试具有较多的缺陷及局限性，难以实现对采动应力场的异常区域进行有效探测，从而避免煤矿灾害事故的发生。
技术实现思路
本专利技术提供一种可以对工作面前方煤岩体内的三向采动应力场进行无损定量测试的方法，以解决传统钻孔应力计测试方法只能进行局部单一方向应力的定性测试、测试结果离散度高、可靠性差等问题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下。一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，包括。根据工作面煤层的开采厚度、埋深、工作面长度，估算采动应力场的监测高度范围；根据监测高度范围，在工作面的运输巷道和回风巷道内，每间隔固定距离，采用取芯钻机向采动应力场监测区域的煤层上部顶板岩层、煤层内打测试钻孔；在工作面初始开采位置的前方，采用应力解除法或水压致裂法测试工作面开采区域的初始地应力值；基于煤岩层厚度、岩性的钻探结果及地应力值测试结果，采用数值模拟方法对工作面煤层开挖过程中，煤岩体内的三向采动载荷变化规律进行数值模拟分析，得到可能的煤岩体三向载荷变化规律；以数值模拟得到的煤岩体的三向载荷变化规律为加卸载边界条件，对上述打钻过程中取出的煤样、岩样进行真三轴加卸载试验与弹性波波速变化规律的测试试验，得到三个加载方向的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系；采用弹性波三维CT技术，测试工作面前方采动应力场监测区域的弹性波在三个方向（x,y,z）的波速变化值；将测试结果导入采动应力场数据处理系统，可以分别得出工作面前方采动应力场监测区域在三个方向的采动应力云图，通过计算三个方向的采动应力的合力，可以获得工作面前方采动应力的综合云图。优选的，所述的初始地应力值的监测点应位于工作面前方未受采动影响的区域内，且该区域还位于首次采动应力场监测区域范围内，一般可布置在工作面初采位置前方100～150m范围内。优选的，所述的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系，一般采用真三轴加卸载试验与弹性波波速测试试验获得煤岩体的应力-波速-应变关系曲线；由于工程现场煤岩体力学性质的不确定性，每种煤岩样至少需要做五组试验，然后将五组试验结果求平均值作为弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系值。优选的，所述弹性波三维CT技术包括：以运输巷道为弹性波的发射源，以回风巷道为弹性波的接收点，分别在运输巷道内的横向槽孔、煤层钻孔内自上而下按一定的时间间隔发射弹性波，同时在回风巷道内的所有横向槽孔、煤层钻孔内接收弹性波；将回风巷道作为弹性波的发射源，将运输巷道作为弹性波的接收点，在回风巷道内依次发射弹性波，并在运输巷道内接收弹性波；根据公式，计算每一个发射点发出弹性波后，所有接收点首次接收到该弹性波的时间；式中，为弹性波的第i个传播路径；为测试区内的弹性波慢度；为坐标值为的弹性波速度；根据接收点接收的多组数据，采用最小二乘法(LSQR)或联合迭代重建法(SIRT)将采动应力场监测区域进行三维网格化，并计算得出采动应力场监测区域任意网格点的三向波速变化值。优选的，所述弹性波的发射源与弹性波的接收点，均采用计算机程序进行发射时序与接收的自动控制。优选的，所述的采动应力场数据处理系统，包括：根据获取的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系，对采用弹性波三维CT技术获取的三向波速变化值匹配应力变化值；为初始地应力测试点的三向波速变化值匹配应力变化值，并将获得的初始地应力值作为基准值，根据三向波速变化值匹配的应力变化值，反演采动应力场测试区域的三向采动应力值，实现对工作面前方三向采动应力场的无损定量测试；该系统自动将最终获取的工作面前方的三向采动应力值导入绘图软件，自动绘制工作面前方三向采动应力场的变化云图。本专利技术提供的工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，可以实现对工作面前方煤岩体内的三向采动应力场进行定量监测，而且监测结果并非为离散的测点值，而是连续的采动应力场，测试方法不需要向工作面煤层内打深部钻孔，实现了无损、定量监测，解决了传统钻孔应力计测试方法只能进行局部单一方向采动应力的定性测试、测试结果离散度高、可靠性差等问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的工作面三向采动应力场无损定量测试方法的流程图。图2为本专利技术实施例提供的弹性波三维CT技术测点布置示意图。图3为A-A剖面示意图。图4为本专利技术实施例提供的弹性波三维CT技术测试流程图。图5为本专利技术实施例提供的采动应力场数据处理系统的数据处理流程图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。本专利技术提供一种可以对工作面前方煤岩体内的三向采动应力场进行无损定量测试的方法，以解决传统钻孔应力计测试方法只能进行局部单一方向应力的定性测试、测试结果离散度高、可靠性差等问题。具体的，所述工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，参见图1，包括。S101,根据工作面煤层的开采厚度、埋深、工作面长度，估算采动应力场z方向的监测高度范围；在具体的实施过程中，一般监测高度范围为从巷道底板至煤层上部的基本顶板岩层，也可以根据实际需要只监测煤层厚度范围；监测长度一般为分段监测，首段长度一般为工作面前方150m，然后当工作面往前每推进50m，则监测范围也相应向前延伸50m，最终实现沿整个工作面推进方向的全长监测。S102,根据监测高度范围，在工作面1的运输巷道2和回风巷道3内，每间隔一定距离，采用取芯钻机向采动应力场监测区域4的煤层上部顶板岩层、煤层内打监测钻孔，运输巷道2与回风巷道3内的钻孔布置方式相同，其钻孔布置方式、坐标方向设置参见图2、图3；在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，其特征在于，包括：根据工作面煤层的开采厚度、埋深、工作面长度，估算采动应力场的监测高度范围；根据监测高度范围，在采动应力场监测区域的工作面的运输巷道和回风巷道内，每间隔固定距离，采用取芯钻机向煤层上部的顶板岩层、煤层内打测试钻孔；在工作面初始开采位置的前方，采用应力解除法或水压致裂法测试工作面开采区域的初始地应力值；基于煤岩层厚度、岩性的钻探结果及地应力值测试结果，采用数值模拟方法对工作面煤层开挖过程中，煤岩体内的三向采动载荷变化规律进行数值模拟分析，得到可能的煤岩体三向载荷变化规律；以数值模拟得到的煤岩体的三向载荷变化规律为加卸载边界条件，对上述打钻过程中取出的煤样、岩样进行真三轴加卸载试验与弹性波波速变化规律的测试试验，得到三个加载方向的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系；采用弹性波三维CT技术，测试工作面前方采动应力场监测区域的弹性波在三个方向（x,y,z）的波速变化值；将测试结果导入采动应力场数据处理系统，可以分别得出工作面前方采动应力场监测区域在三个方向的采动应力云图，通过计算三个方向的采动应力的合力，可以获得工作面前方三向采动应力合力的综合云图。...

【技术特征摘要】
1.一种工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，其特征在于，包括：根据工作面煤层的开采厚度、埋深、工作面长度，估算采动应力场的监测高度范围；根据监测高度范围，在采动应力场监测区域的工作面的运输巷道和回风巷道内，每间隔固定距离，采用取芯钻机向煤层上部的顶板岩层、煤层内打测试钻孔；在工作面初始开采位置的前方，采用应力解除法或水压致裂法测试工作面开采区域的初始地应力值；基于煤岩层厚度、岩性的钻探结果及地应力值测试结果，采用数值模拟方法对工作面煤层开挖过程中，煤岩体内的三向采动载荷变化规律进行数值模拟分析，得到可能的煤岩体三向载荷变化规律；以数值模拟得到的煤岩体的三向载荷变化规律为加卸载边界条件，对上述打钻过程中取出的煤样、岩样进行真三轴加卸载试验与弹性波波速变化规律的测试试验，得到三个加载方向的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系；采用弹性波三维CT技术，测试工作面前方采动应力场监测区域的弹性波在三个方向（x,y,z）的波速变化值；将测试结果导入采动应力场数据处理系统，可以分别得出工作面前方采动应力场监测区域在三个方向的采动应力云图，通过计算三个方向的采动应力的合力，可以获得工作面前方三向采动应力合力的综合云图。2.根据权利要求1所述的工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，其特征在于，所述的初始地应力值的监测点应位于工作面前方未受采动影响的区域内，且该区域还位于首次采动应力场监测区域范围内，一般可布置在工作面初采位置前方100～150m范围内。3.根据权利要求1所述的工作面三向采动应力场的无损定量测试方法，其特征在于，所述的弹性波波速变化梯度与应力变化梯度的对应关系，一般采用真三轴加卸载试验与弹性波波速测试试验获得煤岩体的应力-波速-应变关系曲线；由于工程现场煤岩体力学性质的不确定性，...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞义辉，王国法，任怀伟，马英，王红伟，姜鹏飞，文治国，赵国瑞，杜毅博，
申请(专利权)人：天地科技股份有限公司，西安科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11