一种煤矿矿震风险评估方法技术

本发明专利技术涉及煤矿开采过程矿震风险评估领域，特别是一种用于评估煤矿开采过程覆岩关键层破断导致矿震风险的评估方法，包括如下步骤：计算关键层的理论破断步距及释放能量；评估关键层是否可以破断；评估关键层破断导致的矿震强度；评估矿震对地表的潜在影响；评估矿震对井下的潜在影响。该方法为矿井提供科学评估矿震风险的技术手段，可有效识别矿震风险源和风险等级，进而针对性制定矿震灾害防治措施，最大程度降低矿震风险，减弱甚至消除由矿震诱发的冲击地压灾害，保障矿井安全生产。保障矿井安全生产。保障矿井安全生产。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿矿震风险评估方法


[0001]本专利技术涉及煤矿开采过程矿震风险评估领域，特别是一种用于评估煤矿开采过程覆岩关键层破断导致矿震风险的评估方法。

技术介绍

[0002]煤炭是我国能源安全的重要保障。冲击地压灾害会瞬间摧毁井巷设备，造成人员伤亡，还会诱发突出、瓦斯爆炸等次生灾害，是煤矿最严重的灾害之一。截止到2020年，我国有高风险冲击地压矿井123处，该类矿井产能占我国煤炭总产能的10％以上，随着煤矿开采深度增加，冲击地压灾害形势将更加严峻。冲击地压防治是亟需解决的世界性难题。矿震是矿山采掘工程中发生的震动事件，是煤岩体内发生的动力现象。冲击地压是矿震的一种表现形式，是在采掘空间中造成破坏性和灾害性的一类矿震，是动力现象在支护工作空间内产生的破坏结果。每一次冲击地压的发生都伴随着矿震。
[0003]矿震除了可能造成冲击地压灾害外，频繁的矿震也会对井下工作人员的身体健康产生不利影响，此外，在一些浅埋深矿井开采过程中，井下发生的矿震还可能造成地表有感震动，对当地居民造成困扰，一些强矿震甚至对地表建筑造成破坏，矿震的致灾风险日益凸显。为此，对矿震风险进行准确评估是有效防控矿震灾害的必然选择，也是预测预防冲击地压灾害、确保矿井安全生产的前提和保障。
[0004]本专利技术针对以上问题，提供一种煤矿矿震风险评估方法，可有效解决上述问题，帮助煤矿企业科学评估矿震风险进而实现精准治理和安全生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种煤矿矿震风险评估方法，用于评估煤矿开采过程覆岩关键层破断诱发矿震的风险。技术方案如下：
[0006]S1：计算关键层的理论破断步距及释放能量；
[0007]S2：评估关键层是否可以破断；
[0008]S3：评估关键层破断导致的矿震强度；
[0009]S4：评估矿震对地表的潜在影响；
[0010]S5：评估矿震对井下的潜在影响。
[0011]进一步地，所述的计算关键层的理论破断步距及释放能量包括如下步骤：
[0012]B1：依据关键层理论判识开采煤层上方的关键层；
[0013]B2：计算关键层的初次破断步距和周期破断步距其中，h为关键层的厚度(m)，R
t
关键层的为抗拉强度(Pa)，q为关键层承受的上覆岩层载荷(N/m2)；
[0014]B3：计算关键层初次破断和周期破断时释放的能量，其中，U0为初次破断释放能量(J)，U
p
为周期破断释放能量(J)，b为关键层破断宽度(m)，l为关键层
破断步距(m)，E为关键层的弹性模量(Pa)，I为关键层断面对中性轴的惯性矩，取I＝bh3/12，(m4)。
[0015]进一步地，所述的评估关键层是否可以破断包括如下步骤：
[0016]C1：估算裂隙带最大发育高度，顶板为弱岩层时h
p
＝9～12h
c
，顶板为中硬岩层时h
p
＝12～18h
c
，顶板为坚硬岩层时h
p
＝18～28h
c
，其中，h
p
为裂隙带最大发育高度(m)，h
c
为煤层采高(m)；
[0017]C2：评估裂隙带最大发育高度范围内的关键层是否会破断，当L
c
≥L0+2d/tanθ时该层关键层会破断，其中，L
c
取采空区走向长度和倾向长度的小值(m)，d为关键层距煤层的距离(m)，θ为岩层垮落角(
°
)。
[0018]进一步地，所述的评估关键层破断导致的矿震强度包括：
[0019]评估关键层破断导致的矿震能量，E＝ηU，其中，E为矿震能量(J)，U为关键层破断释放能量(J)，η为地震效率，一般取0.26％～3.6％；
[0020]评估关键层破断导致的矿震震级，log
10
E＝a+bM
L
，其中，M
L
为里氏震级，a和b为常数，由煤矿微震监测系统监测的矿震能量与当地地震台监测的震级关联得到。
[0021]进一步地，所述的评估矿震对地表的潜在影响包括：
[0022]震级在3级左右的矿震在地表可被人感觉到，震级在4.5级以上的矿震可造成地表破坏，震级在6级以上的矿震可造成地表较大破坏，震级在7级以上的矿震可造成地表严重破坏。
[0023]进一步地，所述的评估矿震对井下的潜在影响包括：
[0024]根据冲击地压历史和微震监测数据的统计结果来估算诱发冲击地压的最小矿震能量；
[0025]估算关键层破断诱发矿震传播至采掘区域时的剩余矿震能量，其中，E
c
为剩余矿震能量(J)，d
i
为震动波在第i种介质的传播距离(m)；λ
i
为第i种介质的衰减系数，一般取1.15～2.13；
[0026]评估矿震对井下的潜在影响，若剩余矿震能量小于诱发冲击地压的最小矿震能量，则该关键层诱发矿震对井下的影响较小，反之，若剩余矿震能量大于或等于诱发冲击地压的最小矿震能量，则该关键层诱发矿震对井下的影响较大。
[0027]进一步地，所述的评估矿震对井下的潜在影响还包括：
[0028]D1，估算关键层破断诱发矿震传播至采掘区域时造成的动载扰动强度，其中，d
i
为震动波在第i种介质的传播距离(m)；λ
i
为第i种介质的衰减系数；σ
d
为传播至距离震源边界d
n
处引起的动载扰动，(MPa)；ρ
n
为传播至d
n
处的介质密度(kg/m3)；C
n
为传播至d
n
处的介质波速(m/s)；v0为震源边界处的质点峰值振动速度(m/s)，
[0029]D2：估算采掘区域周边的静载集中程度，σ
s
＝kγH，其中，k为应力集中系数，γ为覆岩容重(N/m3)，H为煤层埋深(m)；
[0030]D3：估算煤体发生冲击地压的临界强度σ
bmin
，当煤的单轴抗压强度大于20MPa时σ
bmin
取50MPa，当煤的单轴抗压强度小于16MPa时σ
bmin
取70MPa，当煤的单轴抗压强度为16～20MPa时σ
bmin
取50～70MPa；
[0031]D4：评估矿震对井下的潜在影响，当σ
d
+σ
s
≥σ
bmin
时该关键层诱发矿震对井下的影响较大，诱发冲击地压的可能性较高，当σ
d
+σ
s
＜σ
bmin
时该关键层诱发矿震对井下的影响较小。
[0032]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：为矿井提供科学评估矿震风险的技术手段，有效识别矿震风险源和风险等级，进而针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿矿震风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：计算关键层的理论破断步距及释放能量；S2：评估关键层是否可以破断；S3：评估关键层破断导致的矿震强度；S4：评估矿震对地表的潜在影响；S5：评估矿震对井下的潜在影响。2.根据权利要求1所述的煤矿矿震风险评估方法，其特征在于，所述的计算关键层的理论破断步距及释放能量包括如下步骤：B1：依据关键层理论判识开采煤层上方的关键层；B2：计算关键层的初次破断步距和周期破断步距其中，h为关键层的厚度(m)，R
t
关键层的为抗拉强度(Pa)，q为关键层承受的上覆岩层载荷(N/m2)；B3：计算关键层初次破断和周期破断时释放的能量，其中，U0为初次破断释放能量(J)，U
p
为周期破断释放能量(J)，b为关键层破断宽度(m)，l为关键层破断步距(m)，E为关键层的弹性模量(Pa)，I为关键层断面对中性轴的惯性矩，取I＝bh3/12，(m4)。3.根据权利要求1所述的煤矿矿震风险评估方法，其特征在于，所述的评估关键层是否可以破断包括如下步骤：C1：估算裂隙带最大发育高度，顶板为弱岩层时h
p
＝9～12h
c
，顶板为中硬岩层时h
p
＝12～28h
c
，顶板为坚硬岩层时h
p
＝18～28h
c
，其中，h
p
为裂隙带最大发育高度(m)，h
c
为煤层采高(m)；C2：评估裂隙带最大发育高度范围内的关键层是否会破断，当L
c
≥L0+2d/tanθ时该层关键层会破断，其中，L
c
取采空区走向长度和倾向长度的小值(m)，d为关键层距煤层的距离(m)，θ为岩层垮落角(
°
)。4.根据权利要求1所述的煤矿矿震风险评估方法，其特征在于，所述的评估关键层破断导致的矿震强度包括：评估关键层破断导致的矿震能量，E＝ηU，其中，E为矿震能量(J)，U为关键层破断释放能量(J)，η为地震效率，一般取0.26％～3.6％；评估关键层破断导致的矿震震级，log
10
E＝a+bM
L
，其中，M
L
为里氏震级，α和b为常数，由煤矿微震监测系统监测的矿震能量与当地地震台监测的震级关联得到。5.根据权利要求1所述的煤矿矿震风险评估方法，其特征在于，所述的评估矿震对地表的潜在影响包括：震级在3级左右的矿震在地表可被人感觉到，震级在...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹安业，李振雷，窦林名，宋大钊，王桂峰，何学秋，巩思园，彭雨杰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：