一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，包括步骤：确定待评价的工作面、从静载力源、动载力源、应力传递条件以及煤体属性四个层面的主控因素排查、估算应力增量的影响范围及程度、选择增量叠加方式、计算临界应力、冲击危险区域划分、分类监测与防治。本发明专利技术基于静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性的“四位一体”分析，可实现对采掘工作面应力场的量化评价与冲击危险区域的分级分区划分，适用于地质资料、监测数据较完善的冲击地压矿井。

An Incremental Overlapping Method for Assessing the Impact Hazard of Working Face

【技术实现步骤摘要】
一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法
本专利技术涉及一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，适用于具有冲击地压危险的矿井采掘工作面，用于指导矿井采掘工作面的防冲工作。
技术介绍
冲击地压是一种典型的煤矿动力灾害。采掘工作面的冲击危险性评价是矿井防冲工作的重点和难点，我国高度重视采掘工作面的冲击危险性评价工作，《防治煤矿冲击地压细则》中第十四条至第十七条、第二十一条、第二十五条、第三十七条、第六十八条、第六十九条等的实施均涉及到采掘工作面的冲击危险性评价，但《细则》中明确提及的评价方法仅有综合指数法一种，可见针对采掘工作面的冲击危险性评价方法尚不成熟，尤其在针对工作面冲击危险区域的分级分区划分方面，实际评价过程中发现，许多评价方法在使用中仍存在精度较差、合理性受人为因素影响较大的局限性，无法实现采掘工作面冲击危险区域的合理划分，大体可分为两类：1.一类是基于数量化统计的冲击危险区域划分方法，该类方法局限于冲击危险主控因素的数理统计以及空间区域的宏观划分，但针对某一主控因素，以及该因素导致的工作面局部应力集中缺乏量化研究，对工作面的防冲工作指导意义不大。2.另一类是基于多因素叠加的半定量划分法，该方法主要存在的问题有：(1)形成时间较早，评价指标的选取主要基于山东、河南等传统深部冲击地压矿井，在一些新建冲击地压矿井中评价结果与实际不符；(2)主控因素的影响程度及范围未基于本矿井实际情况进行量化，且未考虑不同矿井应力增量的叠加方式及判别指标的合理性。采掘工作面的冲击危险性评价是进行工作面监测预警体系、防治解危方案、防治管理体系、采掘速度、生产能力等设计的基础文件，只有确定了采掘工作面不同区域的冲击地压危险等级，才能进行冲击危险的源头把控，分区治理。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，该方法基于静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性的“四位一体”分析，提出了增量叠加的评价方法，可实现对采掘工作面应力场的量化评价与冲击危险区域的分级分区划分，适用于地质资料、监测数据较完善的冲击地压矿井。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，包括以下步骤：步骤1：确定待评价的工作面；步骤2：分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对工作面冲击危险主控因素进行排查，确定工作面冲击危险的动静载主控因素，需排查的动静载力源条件包括：自重应力场、构造应力场、增载应力场及采动应力场；需排查的应力传递条件为顶板岩层结构，煤体属性方面则确定待评价工作面煤层的单轴抗压强度、和冲击倾向性；根据排查结果确定工作面的静载主控因素、动载主控因素、应力传递条件及煤体属性；步骤3：确定本工作面的动静载主控因素个数n；步骤4：半定量化估算工作面动静载主控因素产生的应力增量及影响区间采用应力增量σij对工作面围岩应力场进行描述，其物理意义为诱发冲击地压的第i种主控因素造成的工作面第j区段范围内的应力增量，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式对工作面动静载应力增量进行半定量化估算，确定第i种主控因素的实际影响范围及影响程度，并在每一种主控因素的影响范围内，根据其影响程度的不同，划分为k个不同的影响级别，1≤k≤4；以此类推，分别对n种不同的主控因素进行影响区间及影响程度划分，最高可划分4n个不同的影响区间；步骤5：根据工作面应力传递条件，选择应力增量叠加方式，计算应力集中系数；对估算得出的动静载应力增量进行耦合叠加，并计算叠加后工作面不同区段的应力集中系数λij；其中，采用线性及非线性两种不同的增量叠加方式；线性叠加方式的载荷变化率不随增量个数的变化而变化，而非线性叠加的载荷变化率随增量个数的增加而增加；两种叠加方式的应力集中系数的计算公式如式(1)所示：式中，σ0为工作面的原岩应力，σij表示工作面巷道第i区段受第j种因素影响的应力增量，λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数；基于顶板岩层厚度特征参数值Lst对增量的叠加方式进行选择，Lst的计算方式采用《防治煤矿冲击地压细则》(煤安监技装﹝2018﹞)中已有规定：若0≤Lst≤70，则应力增量采用线性叠加的方式计算；若70<Lst≤100，则应力增量采用非线性叠加的方式计算；步骤6：根据工作面煤体属性，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin及冲击发生的临界应力集中系数值λmax；步骤7：对[λmin，λmax]的区间进行归一化处理，并划分无、弱、中和强四个冲击危险等级，确定相应的λi的取值范围；为了使[λmin，λmax]区间内的应力集中系数值映射到[0-1]之间，对步骤5中所得的叠加应力集中系数λi进行归一化处理，转换函数如下：式中，X*为归一化后值，λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数，λmin和λmax分别为工作面冲击发生的初始应力集中系数及临界应力集中系数；根据等分原则，分别令X*取(-∞,0)、[0,1/3)、[1/3,2/3)和[2/3,+∞)，根据X*取值范围的不同，将工作面冲击危险程度划分为无、弱、中、强四个等级，确定相应的λi的取值范围如下：式中：λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数，λmin和λmax分别为工作面冲击发生的初始应力集中系数及临界应力集中系数；步骤8：根据增量叠加结果绘制工作面的λi曲线以及无、弱、中、强四条判定线；步骤9：绘制工作面冲击危险区域分级分区划分图；步骤10：工作面分区域监测与防治；根据步骤9的冲击危险区域划分结果，按照“区域先行，局部跟进，分区治理”的原则进行工作面冲击地压防治工作。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：步骤4-1：依据表2确定待评价的工作面动静载主控因素；步骤4-2：采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式逐项计算各主控因素产生的应力增量影响范围，对于煤层埋深等全局影响因素，其影响范围为整个工作面；步骤4-3：根据影响程度的不同，采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式逐项将各主控因素划分为k个不同的影响级别，不同的影响级别具有不同的应力增量；步骤4-4：将各应力增量影响范围标记在工作面评价图中，影响范围重叠的区域重点标记；步骤4-5：按照影响级别的不同，标记各区段的应力增量，影响范围重叠区域标注多个应力增量，以便后续进行叠加。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法如下：步骤6-1：确定待评价工作面煤层的冲击倾向性和单轴抗压强度；步骤6-2：依据待评价煤体冲击倾向性的不同，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin，λmin的取值表如表1所示；步骤6-3：依据待评价煤体冲击倾向性的不同，确定工作面冲击发生的临界应力集中系数值λmax，λmax的取值表如表1所示；表1λmin和λmax取值表表1中，σZ为煤层的单轴抗压强度，σ0采用下式进行计算：σ0＝γH(4)式中：γ为工作面上覆岩层容重，H为开采深度。本专利技术具有如下有益的技术效果：1、本专利技术分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对待评价工作面冲击危险主控因素进行了量化研究，应力增量的影响程度、范围、叠加方式及判别指标均基于本矿井的实际情况进行量化，评价结果相对传统方法更为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定待评价的工作面；步骤2：分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对工作面冲击危险主控因素进行排查，确定工作面冲击危险的动静载主控因素，需排查的动静载力源条件包括：自重应力场、构造应力场、增载应力场及采动应力场；需排查的应力传递条件为顶板岩层结构，煤体属性方面则确定待评价工作面煤层的单轴抗压强度、和冲击倾向性；根据排查结果确定工作面的静载主控因素、动载主控因素、应力传递条件及煤体属性；步骤3：确定本工作面的动静载主控因素个数n；步骤4：半定量化估算工作面动静载主控因素产生的应力增量及影响区间采用应力增量σij对工作面围岩应力场进行描述，其物理意义为诱发冲击地压的第i种主控因素造成的工作面第j区段范围内的应力增量，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式对工作面动静载应力增量进行半定量化估算，确定第i种主控因素的实际影响范围及影响程度，并在每一种主控因素的影响范围内，根据其影响程度的不同，划分为k个不同的影响级别，1≤k≤4；以此类推，分别对n种不同的主控因素进行影响区间及影响程度划分，最高可划分4n个不同的影响区间；步骤5：根据工作面应力传递条件，选择应力增量叠加方式，计算应力集中系数；对估算得出的动静载应力增量进行耦合叠加，并计算叠加后工作面不同区段的应力集中系数λij；其中，采用线性及非线性两种不同的增量叠加方式；线性叠加方式的载荷变化率不随增量个数的变化而变化，而非线性叠加的载荷变化率随增量个数的增加而增加；两种叠加方式的应力集中系数的计算公式如式(1)所示：...

【技术特征摘要】
1.一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定待评价的工作面；步骤2：分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对工作面冲击危险主控因素进行排查，确定工作面冲击危险的动静载主控因素，需排查的动静载力源条件包括：自重应力场、构造应力场、增载应力场及采动应力场；需排查的应力传递条件为顶板岩层结构，煤体属性方面则确定待评价工作面煤层的单轴抗压强度、和冲击倾向性；根据排查结果确定工作面的静载主控因素、动载主控因素、应力传递条件及煤体属性；步骤3：确定本工作面的动静载主控因素个数n；步骤4：半定量化估算工作面动静载主控因素产生的应力增量及影响区间采用应力增量σij对工作面围岩应力场进行描述，其物理意义为诱发冲击地压的第i种主控因素造成的工作面第j区段范围内的应力增量，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式对工作面动静载应力增量进行半定量化估算，确定第i种主控因素的实际影响范围及影响程度，并在每一种主控因素的影响范围内，根据其影响程度的不同，划分为k个不同的影响级别，1≤k≤4；以此类推，分别对n种不同的主控因素进行影响区间及影响程度划分，最高可划分4n个不同的影响区间；步骤5：根据工作面应力传递条件，选择应力增量叠加方式，计算应力集中系数；对估算得出的动静载应力增量进行耦合叠加，并计算叠加后工作面不同区段的应力集中系数λij；其中，采用线性及非线性两种不同的增量叠加方式；线性叠加方式的载荷变化率不随增量个数的变化而变化，而非线性叠加的载荷变化率随增量个数的增加而增加；两种叠加方式的应力集中系数的计算公式如式(1)所示：式中，σ0为工作面的原岩应力，σij表示工作面巷道第i区段受第j种因素影响的应力增量，λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数；基于顶板岩层厚度特征参数值Lst对增量的叠加方式进行选择，Lst的计算方式采用《防治煤矿冲击地压细则》(煤安监技装﹝2018﹞)中已有规定：若0≤Lst≤70，则应力增量采用线性叠加的方式计算；若70<Lst≤100，则应力增量采用非线性叠加的方式计算；步骤6：根据工作面煤体属性，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin及冲击发生的临界应力集中系数值λmax；步骤7：对[λmin，λmax]的区间进行归一化处理，并划分无、弱、中和强四个冲击危险等级，确定相应的λi的取值范围；...

【专利技术属性】
技术研发人员：解嘉豪，张寅，韩刚，王翰秋，张翔，
申请(专利权)人：中煤能源研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61