【技术实现步骤摘要】
一种煤矿矿震产生及其震动波响应监测的方法与装置
[0001]本专利技术涉及煤矿安全领域,尤其涉及一种煤矿矿震产生及其震动波响应监测的方法与装置。
技术介绍
[0002]煤矿开采作业时，矿井所在区域的开采工作面上覆距离开采煤层较远的厚硬岩层称为高位厚硬岩层，由于厚硬岩层整体性强并且易形成大面积的悬空，当高位厚硬岩层发生破断时，极易引发矿井动力灾害，例如诱发矿震、冲击地压、支架动载以及煤与瓦斯突出等，严重威胁井下作业人员的人身安全。
[0003]其中，高位厚硬岩层破断引发的强矿震，在实验室进行模拟时，受模型尺寸、岩层铺设强度、开挖范围等因素限制，无法模拟还原高位厚硬岩层破断触发大能量强矿震这一现象，具体为：模型尺寸高度有限。大能量强矿震通常发生在深部(大于600m)煤层开采过程中，主要是距离煤层较远(400～600m)的高位厚硬岩层破断触发的；常见的模拟实验装置高度尺寸有限，按照常规相似比，一般仅能铺设200～400m的地层，因而无法铺设高位厚硬岩层，进而无法模拟高位厚硬岩层破断造成大能量强矿震这一现象及其对井下、地表造成的影响。
[0004]同时，现有技术的研究内容是通过在整体模型外部施加动载荷来模拟强矿震造成的物理响应，研究重点是震动载荷产生的影响效果，而不是研究强矿震触发的力学本质，未关注岩层破断触发大能量强矿震这一力学过程。具体为：
[0005]a.岩层破断无法产生能量
[0006]由于模型尺寸、岩层铺设强度、开挖范围等诸多因素限制，岩层破断时无法释放弹性能，换言之，常规室内模拟实...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种煤矿矿震产生及其震动波响应监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定矿井所在区域全地层中的各高位厚硬岩层数量和空间位置S1
‑
1调研全地层中各岩层厚度、岩性以及层位顺序；S1
‑
2测量并计算矿井所在区域全地层中的各岩层工程地质参数，所述工程地质参数包括：单层厚度在60m以上的各岩层与煤层之间的垂直距离H
n
，各岩层的极限抗拉强度σ
tn
，各岩层的硬度系数f
n
，各岩层的弹性模量E
n
、岩层的泊松比ν
n
和最大挠度w
n
；全地层岩层平均容重γ，单层厚度大于60m的各岩层处的原岩应力σ
1n
、σ
2n
、σ
3n
；回采工作面的岩层综合破断角α和煤层埋深以及工作面斜长S
l
；S1
‑
3根据S1
‑
2计算的全地层中各岩层工程地质参数，确定高位厚硬岩层数量以及排布情况，具体为：距离煤层150m以上，且岩层综合评分值F
n
＞80的岩层判定为能够产生大能量强矿震的高位厚硬岩层；S2，根据步骤S1中获取的工程地质参数计算各高位厚硬岩层破断时的跨距L
dn
和各高位厚硬岩层破断时对应的工作面回采距离L
cn
，并根据矿井所在区域的煤层埋深和实验室实际空间条件，确定实验模型相似比k，依据相似比k，计算实验模型的震源位置到开挖起始位置的距离x
0n
，以及此时所对应的开挖距离L
wn
；S3，计算得出高位厚硬岩层破断的真实能量E
Dn
；以及利用强震触发装置产生震源能量，强震触发装置中使用的震源能量为微型CO2引爆装置，计算矿井所在区域的实际高位厚硬岩层破断产生的能量E
Dn
与强震触发装置的CO2引爆装置释放的等效能量E
gn
间的等量关系；S4，进行实验模型的铺设，在能够调节高度的框架内铺设高位厚硬岩层模拟块，按照地层顺序由下至上进行铺设，在铺设高位厚硬岩层模拟块的过程中，根据步骤S2中计算得出的实验模型的震源位置到开挖起始位置的距离x
0n
，在地层对应的位置埋设所述强矿震触发装置；实验模型铺设完成后，保证框架高出地层至少20cm；在实验模型最底部或前侧设置井下监测系统，用以监测强矿震发生时对井下建筑物的相关影响；在实验模型最上方设置地表建筑模型，在高于所述地表建筑模型10cm位置处设置地表监测系统；S5，模拟强矿震触发过程：a.模拟工作面煤层回采，并在当开挖至接近高位厚硬岩层破断开挖距离L
wn
或nL
wn
时，放慢开挖速度，所述强矿震触发装置作业并引发大能量强矿震现象；b.继续开挖，直至煤层开挖完成，当进行一次强矿震触发模拟后，继续开挖，使得高位厚硬岩层发生下一次破断触发大能量强矿震，从而进行多次大能量强矿震模拟；c.井下监测系统和地表监测系统，获取井下围岩微观变形及破裂信息、开采位置的残余能量强度信息和地表三个相互垂直方向上的振动速度信息，用于分析实际矿井所在区域的强矿震影响。2.根据权利要求1所述的一种煤矿矿震产生及其震动波响应监测的装置，其特征在于，所述高位厚硬岩层的综合评分值主要由极限抗拉强度σ
tn
、硬度系数f
n
、岩层厚度h
n
三个参数及其所占权重综合得出，具体判定方法为：
①
将权重因子极限抗拉强度σ
tn
、硬度系数f
n
、岩层厚度h
n
组成矩阵A
②
将极限抗拉强度σ
tn
、硬度系数f
n
、岩层厚度h
n
三个参数评分组成矩阵B
③
则岩层三类参数的最终得分F
n
为：矩阵A中，参数σ
tn
、f
n
、h
n
所占权重分别为α＝0.5、β＝0.2、γ＝0.3；矩阵B中，参数σ
tn
、f
n
、h
n
的评分值通过表1得出；表1岩层综合评分值F
n
＞80即判定为能产生大能量强矿震的高位厚硬岩层，反之，则其不属于高位厚硬岩层；根据判定结果，按距离煤层由近及远分别记地层中的多个厚硬岩层的厚度依次为h1、h1……
h
n
。3.根据权利要求1所述的一种煤矿矿震产生及其震动波响应监测的装置，其特征在于，所述高位厚硬岩层破断的真实能量E
Dn
计算公式如下：E
Dn
＝k
dn
·
(E
tn
+E
sn
)式中：E
Dn
为高位厚硬岩层破断的真实能量，单位/J；k
dn
为岩体开挖引起的应力转移系数，取1.0～1.1；E
tn
为岩体内三向应力下积聚的弹性能，单位/J；E
sn
为高位厚硬岩层破断回转时产生的势能，单位/J；所述岩体内三向应力下积聚的弹性能E
tn
按下式计算：式中：ξ为弹性能积聚参数，取100；σ
1n
、σ
2n
、σ
3n
分别为岩体中的三个主应力，单位/MPa；ν
n
为岩体的泊松比；E
n...
【专利技术属性】
技术研发人员：张广超，李友，孟祥军，马俊鹏，王超，尹茂胜，桂兵，周广磊，陈淼，栾恒杰，赵西坡，王冬，王方方，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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