一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，属于强动力灾害诱因判断技术领域方法。首先收集矿井地质资料，建立全矿井数值计算模型；获取变量监测点坐标，在模型中设置变量监测点；然后模拟自重应力场变化，初始平衡后实施数值模型的分步骤开挖；之后收集实测数据，修改模型参数，实现模拟结果与实测数据的同化；最后获得强动力灾害地应力临界判据的模式识别模型，确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据；通过不断修正数值计算模型的力学参数，同化模拟结果和实测数据，从而获得准确的全矿井地应力演化结果。本方法步骤简单，使用方便，具有广泛的实用性。具有广泛的实用性。具有广泛的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法


[0001]本专利技术涉及一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，属于强动力灾害诱因判断
法。

技术介绍

[0002]随着煤矿开采深度与开采强度的不断加大，矿井强动力灾害越来越严重。冲击地压、突出等灾害一旦发生，将会给煤矿企业带来大量的人员伤亡及财产损失，严重威胁着煤矿井下的安全生产。
[0003]地应力是煤矿预防冲击矿压、突出等灾害的关键参数，确定地应力大小进而预判地质灾害，是防治冲击地压和煤与瓦斯突出等发生的重要依据。地应力确定方法大致可分为：现场实测法、实验室测定法和数值模拟法。其中现场测定方法有应力恢复法、水压致裂法等，可以获得较为可靠的地应力数据，但成本高且测试位置受限，并且断层和褶曲等地质构造附近的应力场分布很难用实测的方法获取和研究；实验室测定法多采用岩心实验法，通过对岩心进行力学实验来间接求取地应力值，该方法对岩心样品要求较高，且岩心脱离了原始地下环境，得出的结果往往不能代表实际地应力状态；数值模拟法是根据矿井真实的地质情况、开采顺序等建立的数值计算模型，通过模拟获得监测位置的地应力数据。数值模拟法的优点是，成本低、测试位置不受限、可以直接得到地应力等关键参数的数值及变化情况。因此，本专利技术将利用数值模拟法，对全矿区进行地应力场反演，最终确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据。

技术实现思路

[0004]根据现有技术的不足之处，提供一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，通过分析关键地点地应力和常规地点地应力变化的差异性，获得诱发强动力灾害的地应力的临界判据。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术的一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，其特征在于：首先收集矿井的地质资料，建立全矿井数值模型，然后将历史上出现过各种事故的地点左边作为关键地点以获取坐标，将关键地点的坐标作为变量监测点坐标在模型中设置；之后通过模拟自重应力场变化，初始平衡后实施数值模型的分步骤开挖，收集实测数据，修改模型参数，实现模拟结果与实测数据的同化；获得强动力灾害地应力临界判据的模式识别模型，确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据；
[0006]具体包括如下步骤：
[0007]S1收集目标矿井地质资料，利用Rhino软件建立包含矿井已经采掘完成所有区段、关键巷道、关键地质构造、真实地层的矿井等比例数值计算模型，利用Griddle插件对矿井等比例数值计算模型进行网格划分，再将划分好网格的矿井等比例数值计算模型导入FLAC3D，在 FLAC3D中设置模型中的各个标识岩层材料的参数，并设置模拟的边界条件，对煤岩层初始地应力赋值；
[0008]S2根据目标矿井历史上发生过煤与瓦斯突出的地点坐标、冲击地压的地点坐标、有煤与瓦斯突出动力现象的地点坐标或者煤与瓦斯突出预测指标超限的地点坐标，在FLAC3D软件生成模型中将这些历史上出现过灾害状况的地点都设置为变量检测点；并实时纪录这些关键地点的地应力演化过程，具体记录地应力数值变化；
[0009]S3首先模拟目标矿井的自重应力场变化，初始平衡后结合目标矿井所有区段和关键巷道的采掘接替顺序，依照真实历史资料中记载的开采步骤在FLAC3D软件中对模型进行模拟采掘，模拟全矿井从生产初期至今日的全部地应力的演化过程，得到整个模型区域的应力场分布和关键地点的应力演化过程，为了提供较为真实的采掘应力环境，在对已回采工作面进行开挖时，每次进尺1～30m，对设定为关键地质构造附近的工作面每次进尺1～100m；
[0010]S4收集真实开采过程中煤岩层及地表的移动实测数据、井下特定采掘接替状态下的地应力实测数据；通过不断拟合调整模型中各岩层的密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、内摩擦角及内聚力参数，达到模拟结果与实测数据较为一致的效果，实现模拟结果与实测数据的同化，从而使模拟得到的地应力演化结果更贴近与目标矿井实际地应力演化过程；
[0011]S5截取FLAC3D软件生成的模型中关键地点的应力云图，分析关键地点附近的应力变化差异性；提取关键地点应力演化数据，分析关键地点应力演化曲线，获得强动力灾害地应力临界判据的模式识别模型，即：
[0012]1)当应力云图中的某处出现应力集中区和应力泄压区，判断该处应力变化异常；
[0013]2)当应力云图中的某处出现最大主应力或最小主应力异常突增或突减，判断该处应力变化异常；
[0014]通过分析关键地点的地应力演化过程，结合矿井采掘接替顺序，经过统计分析，获得关键地点地应力变化的差异性，并确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据：
[0015]当关键地点的水平应力与垂直应力的比值超出了安全系数区间(α
μ
，β
μ
)，即)，即时，认为发生矿井强动力灾害；其中μ是侧压系数，α与β是根据实测数据和模拟数据确定的μ安全变化系数，σ
x
是水平应力、σ
z
是垂直应力、σ
H
是最大主应力、σ
h
是最小主应力；
[0016]当模型内监测点同时满足模式识别模型要求和临界判据即认为会发生强动力灾害，应根据模型预测的结果提前实施防护措施，防止灾害发生对矿井安全生产造成的不利影响。
[0017]2.权利要求1所述的一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，其特征在于：在步骤S1中，收集的地质资料包括目标矿井的真实地层情况、关键地质构造、采掘工程平面图、钻孔柱状图、煤层底板等高线图、矿井采掘接替顺序。关键地质构造指对矿井应力场、瓦斯场等有显著影响的断层、褶曲、陷落柱。
[0018]在步骤S1中，关键巷道指区段回风平巷、区段运输平巷以及对采场地应力分布特征有特殊影响的其他巷道。
[0019]在步骤S4中，收集的煤岩层及地表的移动实测数据、井下特定采掘接替状态下的地应力实测数据作为判断模拟结果与目标矿井实际情况同化的标准，不断修改数值模型参数，使得数值模拟结果和实测数据较为一致，实现模拟结果与实测数据的同化，提高数值模
拟的准确性，并最终获得全矿井地应力演化结果；
[0020]由于实验室较好获得密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、内摩擦角及内聚力参数，这里给出这些参数的修改范围：
[0021][0022]在步骤S5中，从关键地点监测数据中可以提取出关键地点的水平应力σ
x
、垂直应力σ
z
、最大主应力σ
H
、最小主应力σ
h
的演化全过程，用于确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据；
[0023]其中μ为侧压系数，分析出被广泛引用的侧压系数随埋深H变化的分布规律：
[0024][0025]在步骤S5中引入参数(α
μ
，β
μ
)，是在上述公式的基础上，结合矿区实际情况和数值反演结果，从新确定的安全系数区间，α与β取值范围分别为：
[0026][0027]结果为：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种诱发矿井强动力灾害地应力临界判据的确定方法，其特征在于：首先收集矿井的地质资料，建立全矿井数值模型，然后将历史上出现过各种事故的地点左边作为关键地点以获取坐标，将关键地点的坐标作为变量监测点坐标在模型中设置；之后通过模拟自重应力场变化，初始平衡后实施数值模型的分步骤开挖，收集实测数据，修改模型参数，实现模拟结果与实测数据的同化；获得强动力灾害地应力临界判据的模式识别模型，确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据；具体包括如下步骤：S1收集目标矿井地质资料，利用Rhino软件建立包含矿井已经采掘完成所有区段、关键巷道、关键地质构造、真实地层的矿井等比例数值计算模型，利用Griddle插件对矿井等比例数值计算模型进行网格划分，再将划分好网格的矿井等比例数值计算模型导入FLAC3D，在FLAC3D中设置模型中的各个标识岩层材料的参数，并设置模拟的边界条件，对煤岩层初始地应力赋值；S2根据目标矿井历史上发生过煤与瓦斯突出的地点坐标、冲击地压的地点坐标、有煤与瓦斯突出动力现象的地点坐标或者煤与瓦斯突出预测指标超限的地点坐标，在FLAC3D软件生成模型中将这些历史上出现过灾害状况的地点都设置为变量检测点；并实时纪录这些关键地点的地应力演化过程，具体记录地应力数值变化；S3首先模拟目标矿井的自重应力场变化，初始平衡后结合目标矿井所有区段和关键巷道的采掘接替顺序，依照真实历史资料中记载的开采步骤在FLAC3D软件中对模型进行模拟采掘，模拟全矿井从生产初期至今日的全部地应力的演化过程，得到整个模型区域的应力场分布和关键地点的应力演化过程，为了提供较为真实的采掘应力环境，在对已回采工作面进行开挖时，每次进尺1～30m，对设定为关键地质构造附近的工作面每次进尺1～100m；S4收集真实开采过程中煤岩层及地表的移动实测数据、井下特定采掘接替状态下的地应力实测数据；通过不断拟合调整模型中各岩层的密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、内摩擦角及内聚力参数，达到模拟结果与实测数据较为一致的效果，实现模拟结果与实测数据的同化，从而使模拟得到的地应力演化结果更贴近与目标矿井实际地应力演化过程；S5截取FLAC3D软件生成的模型中关键地点的应力云图，分析关键地点附近的应力变化差异性；提取关键地点应力演化数据，分析关键地点应力演化曲线，获得强动力灾害地应力临界判据的模式识别模型，即：1)当应力云图中的某处出现应力集中区和应力泄压区，判断该处应力变化异常；2)当应力云图中的某处出现最大主应力或最小主应力异常突增或突减，判断该处应力变化异常；通过分析关键地点的地应力演化过程，结合矿井采掘接替顺序，经过统计分析，获得关键地点地应力变化的差异性，并确定诱发矿井强动力灾害地应力的临界判据：当关键地点的水平应力与垂直应力的比值超出了安全系数区间(αμ，βμ)，即当关键地点的水平应力与垂直应力的比值超出了安全系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨威，王文元，冯英特，魏则宁，张文晓，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：