一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法与流程

本发明涉及一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法。

背景技术：

冲击地压也即岩爆，是指地下开采的深部或构造应力很高的区域，在临空岩体中发生突发式破坏的现象，是聚积在巷道和采场煤岩体中的能量，在矿震动载扰动下突然释放，将煤岩体抛向巷道，同时发生强烈声响，造成煤岩体震动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道跨落破坏等的动力现象。

根据长期的理论研究、实验室试验、现场试验，一致认为，冲击地压的发生满足动静载叠加诱发原理，具体表现在井下开采活动、煤岩体对开采活动的应力响应等表现出来的割煤、移架、机械振动、爆破、顶底板破断、煤体及顶板结构失稳、瓦斯突出、煤炮、断层滑移等矿震动载与采场及巷道周围煤体的支承应力(静载)叠加，动静载叠加一旦超过煤体的承载极限便极易诱发冲击地压，进而造成一定的破坏。

由于冲击地压发生的复杂性、突发性、多样性等特点，其监测预警作为一个多维空间信息描述问题，无法用单一参量表达，尤其是在考虑煤岩灾变破裂过程的非线性物理变化时表现得更为显著，比如，现有技术中：

申请号为cn201811357374.3的中国专利公开了一种矿区冲击地压的危险性评估方法，包括如下步骤：s001：收集矿区地质资料；s002：预先确定冲击地压危险等级以及与冲击地压危险指数范围；s003：确定冲击地压的煤层开采影响因素参数、权重和评估指数值范围；s004：计算出上述影响因素对冲击地压危险性的冲击地压危险性综合指数y总；s005：将y总与步骤s002中的冲击地压危险指数范围进行比较，根据比较结果确定y总所对应的冲击地压危险等级。

申请号为cn201210155302.7的中国专利公开了一种冲击地压预测预警方法，对整个煤田进行矿震监测，并定位震级，对于整个矿区矿震发生、运动规律进行分析；在采矿区上下山及运输大巷安装波兰微震系统，实施在线连续监测；在工作面安装微震系统探头，在工作面重点防冲区域安装微震监测探头，实施布控，在煤壁或顶板中钻孔，将探头放入孔底与孔壁，利用电磁辐射仪对工作面回风巷、运输巷进行电磁辐射监测，在重点防冲区域安置监测探头布控，监测矿压，将监测得到的参数输入计算机进行综合分析，实现准确预测冲击地压。

但是，上述现有技术中，计算影响因素对冲击地压危险性的冲击地压危险性综合指数或将监测得到的参数输入计算机进行综合分析，均无法实现冲击地压危险区域及其危险程度的定量描述，进而达到精准预警的目的，而如何利用现有监测手段针对性量化与确定冲击地压诱发机制中的动、静载两种效应及其叠加，是实现冲击地压精准预警及其结果定量化的关键所在；另外，煤矿自身技术人员面对多源海量的监测数据很难有效运用科学手段挖掘本质有用的信息源。因此，迫切需要研究一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法，通过量化分析井下煤层采掘过程的动静组合应力，实现冲击地压危险的综合监测预警；进一步的，具有计算模型明确、普适性及可操作性强的优点，可实现冲击地压危险区域及其危险程度预测的量化分析，应用可行性好。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法，基于动载效应和静载效应叠加诱发冲击地压机理、并结合动静组合效应进行冲击地压危险监测预警，其中：

动载效应分别通过震动波衰减累积重构的动载效应参量与矿压瞬间动载应力增量的动载效应参量进行定量描述；

静载效应分别通过震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量进行定量描述；

动静组合效应通过分别确定震动波衰减累积重构的动载效应参量、震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量的各参量权重，采用加权平均方法计算动静组合应力系数，并结合矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数综合确定最终危险区域及其危险程度。

优选，所述震动波衰减累积重构的动载效应参量采用如下公式计算：

式中，为震动波衰减累积重构的动载应力系数，σsds为震动波衰减累积重构的动载应力参量，σsdsa为震动波衰减累积重构的动载应力参量数值的平均值，σsdsi为第i个空间位置节点处的σsds，ej为第j个微震事件能量，rij为第j个微震事件与第i个空间位置节点之间的距离，β为震动波在地层中的衰减系数，nms为微震频次。

优选，所述矿压瞬间动载应力增量的动载效应参量采用如下公式计算：

式中，为矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数，pti为第i个时间窗内的支架工作阻力加权平均值，为pti的平均值，σp为pti的标准差，tpj、pj分别为支架工作阻力实时监测序列对应的时间与压力值，n为时间窗内监测数据点个数。

优选，所述震动波ct反演的静载效应参量采用如下公式计算：

式中，为震动波ct反演获得的静载应力系数，vp为震动波ct反演获得的纵波速度，vpa为平均纵波速度，α为实验测试拟合参数。

优选，所述微震损伤重构的静载效应参量采用如下公式计算：

式中，为微震损伤重构的静载应力系数，σsss为微震损伤重构的静载应力参量，σsssa为微震损伤重构的静载应力参量数值的平均值，nms为微震频次，exp函数为以自然常数e为底的指数函数，为累积benioff应变，e为微震事件能量，max{εe}为累积benioff应变的最大值，df为临界损伤值，对应于完全损伤状态。

优选，采用标准离差法确定、和)震动波衰减累积重构的动载效应参量、震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量的各参量权重，计算公式如下：

式中，为震动波ct反演获得的静载应力系数，其权重为wvss；为微震损伤重构的静载应力系数，其权重为wsss；为震动波衰减累积重构的动载应力系数，其权重为wsds；下标stdv表示各参量的标准差。

优选，动静组合应力系数采用如下公式计算：

式中，下标min和max分别表示各参量的最小值和最大值。

优选，震动波在地层中的衰减系数β通过选取远场未超量程微震探头的速度振幅随微震探头与震源之间距离的衰减变化关系拟合计算获得。

优选，将max{εe}位置处视为临界损伤状态，df的取值为0.95。

优选，当存在某区域的动静组合应力系数的值大于设定的第一阈值时，或矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数的值大于设定的第二阈值时，系统即进行预警提示。

本发明的有益效果是：

本发明动载效应由震动波衰减累积重构与矿压瞬间动载应力增量两种参量定量刻画，静载效应由震动波ct反演和微震损伤重构两种参量定量描述，涉及的震动波ct反演的静载效应、微震损伤重构的静载效应、震动波衰减累积重构的动载效应、以及矿压瞬间动载应力增量的动载效应四种参量物理意义清晰，其综合考虑了冲击地压诱发机理的动静及其叠加效应，计算模型明确、普适性及可操作性强，可实现冲击地压危险区域及其危险程度预测的量化分析，应用可行性好，可实现精确预测。另外，权重的快速更新调整以及最终综合预测结果的客观判识具有预测效率高的优点。

附图说明

图1为本发明冲击地压动静载叠加诱发机理示意图；

图2为本发明冲击地压发生过程的动静组合应力分析示意图；

图3为本发明冲击案例与监测数据；

图4为本发明震动波ct反演获得的静载应力系数结果图；

图5为本发明微震损伤重构的静载应力系数结果图；

图6为本发明质点峰值速度传播衰减特征曲线图；

图7为本发明震动波衰减累积重构的动载应力系数结果图；

图8为本发明矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数结果图；

图9为本发明冲击地压危险预测的动静组合应力系数结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

地下煤体开挖引起应力场扰动，在横向上于工作面前方及巷道周围煤体中形成超过原岩应力大小的应力集中区，即支承应力区。同时开挖引起覆岩破坏及运移，如图1所示，在纵向上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，并分别对应于横向支承应力区中的峰后破坏区de、峰前塑性区bd和弹性区ab。

在深部高地应力条件下，原岩处于准静水压力状态，因此深部工作面前方煤岩体的应力环境改变起始于准静水压力状态，随工作面的推进，煤层中的支承压力(即垂向应力)由三向等压的静水压力状态逐渐升高至峰值应力，而后伴随煤体的破坏而进入卸压状态，垂向应力逐渐降低直至煤壁处的单压残余强度状态。另一方面，水平应力则由三向等压的静水压力状态逐渐减低至0，即卸压。由图1可知，井下开采活动、煤岩体对开采活动的应力响应等表现出来的割煤、移架、机械振动、爆破、顶底板破断、煤体及顶板结构失稳、瓦斯突出、煤炮、断层滑移等矿震动载与采场及巷道周围煤体的支承应力(静载)叠加，一旦超过煤体的承载极限便容易产生煤岩动力灾害，则冲击地压的动静载叠加诱发机理可用下式表示：

σs+σd≥σbmin(1)

式中，σs为煤岩体静载应力、σd为矿震动载应力、σbmin为冲击地压的临界应力。

根据如图1所示的冲击地压发生模型，可建立如图2所示的顶板-煤层-底板冲击载体系统模型及其动静组合应力分析示意图。即随着煤层采掘活动推进，工作面前方煤体的受载应力应变关系可由图2中右边曲线描述。将顶板与底板视为一完整围岩，且其刚度与强度远大于煤层，其受载应力应变关系可由图2中左边的曲线表述。图2中，u1为冲击过程中围岩释放的弹性能；u2为冲击过程中煤层对围岩释放弹性能的消耗；u3为冲击过程中系统整体释放的剩余弹性能；u4为额外输入能量。

准静载(σs)作用下，处于峰后阶段(de)的煤层，当其产生应变增量δε2时，对应顶板-底板围岩中产生的应变增量δε1为：

式中，k1为围岩的峰前加载刚度；k2为煤层的峰后卸载刚度。因此，顶板-煤层-底板整个系统产生的总应变增量δε为：

其中，煤层应变增量与系统整体应变增量的比值为：

当k1+k2＝0时，对应图2中s1点，此时δε2/δε→∞，冲击过程启动，伴随着煤体冲击破坏过程的逐渐变缓，顶板-煤层-底板系统逐渐达到新的平衡，对应图2中s点，冲击过程结束。

当顶板-煤层-底板冲击载体系统叠加动载(σd)时，相比于准静载作用下释放的冲击能量u3，其能量释放将增加u4，如图2所示，此时等价于围岩刚度从k1降低至k1'，同时冲击启动位置从s1提前至s2。更重要的是，对于累积塑性变形型动载，如矿震，尤其是远场震源，其作用模式相当于循环加卸载，由于煤岩材料的非均质性本质，矿震动载引起的每次加卸载将使煤体产生永久变形，此时当动载作用时间足够长时，对于应力状态处于s2'的煤体在叠加动载作用下，可启动类似准静载作用下位于s2应力状态下的冲击条件；对于应力增量型动载，如工作面附近断层滑移、顶板破断等产生的瞬间动载，其作用模式相当于施加一瞬间应力增量δσ，当面积s123>s3d4时，对于应力状态处于峰前1处的煤体在叠加动载作用下，可启动类似准静载作用下位于峰后4处应力状态下的冲击条件。

本发明的基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法，主要采用震动波ct反演和微震损伤重构定量描述静载应力σs，震动波衰减累积重构和矿压瞬间动载应力增量分别定量描述累积塑性变形型动载和应力增量型动载，下面进行详细介绍。

一种基于动静组合应力分析的冲击地压危险监测预警方法，基于动载效应和静载效应叠加诱发冲击地压机理、并结合动静组合效应进行冲击地压危险监测预警，其中：

动载效应分别通过震动波衰减累积重构的动载效应参量与矿压瞬间动载应力增量的动载效应参量进行定量描述；

静载效应分别通过震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量进行定量描述；

动静组合效应通过分别确定震动波衰减累积重构的动载效应参量、震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量的各参量权重，采用加权平均方法计算动静组合应力系数，并结合矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数综合确定最终危险区域及其危险程度。

优选，所述震动波ct反演的静载效应参量采用如下公式计算：

式中，为震动波ct反演获得的静载应力系数，vp为震动波ct反演获得的纵波速度，vpa为平均纵波速度，α为实验测试拟合参数。

优选，所述微震损伤重构的静载效应参量采用如下公式计算：

式中，为微震损伤重构的静载应力系数，σsss为微震损伤重构的静载应力参量，σsssa为微震损伤重构的静载应力参量数值的平均值，nms为微震频次，exp函数为以自然常数e为底的指数函数，为累积benioff应变，e为微震事件能量，max{εe}为累积benioff应变的最大值，df为临界损伤值，对应于完全损伤状态。实际计算时一般将max{εe}位置处视为临界损伤状态，默认取值为0.95。

优选，所述震动波衰减累积重构的动载效应参量采用如下公式计算：

式中，为震动波衰减累积重构的动载应力系数，σsds为震动波衰减累积重构的动载应力参量，σsdsa为震动波衰减累积重构的动载应力参量数值的平均值，σsdsi为第i个空间位置节点处的σsds，ej为第j个微震事件能量，rij为第j个微震事件与第i个空间位置节点之间的距离，β为震动波在地层中的衰减系数，nms为微震频次。

其中，震动波在地层中的衰减系数β可以通过选取远场未超量程微震探头的速度振幅随微震探头与震源之间距离的衰减变化关系拟合计算获得。

优选，所述矿压瞬间动载应力增量的动载效应参量采用如下公式计算：

式中，为矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数，pti为第i个时间窗(一般取6小时、8小时、12小时、24小时等)内的支架工作阻力加权平均值，为pti的平均值，σp为pti的标准差，tpj、pj分别为支架工作阻力实时监测序列对应的时间与压力值，n为时间窗内监测数据点个数。

优选，采用加权平均法计算冲击地压危险预测的动静组合应力系数

式中，下标min和max分别表示各参量的最小值和最大值。

其中，可以采用标准离差法确定震动波衰减累积重构的动载效应参量、震动波ct反演的静载效应参量和微震损伤重构的静载效应参量的各参量权重(wvss、wsss和wsds)计算公式如下：

式中，为震动波ct反演获得的静载应力系数，其权重为wvss；为微震损伤重构的静载应力系数，其权重为wsss；为震动波衰减累积重构的动载应力系数，其权重为wsds；下标stdv表示各参量的标准差。

下面结合具体实施案例进行详细介绍，如图3-9所示，其中，实例分析选取某矿2016/10/2722:21:51发生的一次冲击地压显现事件，同时选取冲击发生前一段时间内的微震(2016/10/20-2016/10/26)及矿压(2016/10/01-2016/10/27)数据进行分析，如图3所示，采用本发明的方法进行冲击地压危险监测预警的步骤如下，其中各参数的计算步骤可以自行设定：

(1)利用如图3所示的微震数据及微震探头进行震动波ct反演分析获得纵波速度分布，然后采用公式(5)计算获得如图4所示的震动波ct反演获得的静载应力系数结果图，其中，α值取0.2。

(2)利用如图3所示的微震数据，采用公式(6)-(8)计算获得如图5所示的微震损伤重构的静载应力系数结果图。

(3)利用如图3所示的微震数据，通过选取远场未超量程微震探头的速度振幅随微震探头与震源之间距离的衰减变化关系拟合计算获得β值为2.998，结果如图6所示；然后采用公式(9)-(10)计算获得如图7所示的震动波衰减累积重构的动载应力系数结果图。

(4)利用收集的矿压(2016/10/01-2016/10/27)数据，采用公式(11)-(12)计算获得如图8所示的矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数结果图。

(5)根据图4、5、7的计算结果，采用公式(14)-(16)计算获得各参量的权重(wvss＝0.125、wsds＝0.304和wsss＝0.571)，然后采用公式(13)计算获得如图9所示的冲击地压危险预测的动静组合应力系数结果图。

结合矿压瞬间动载应力增量的动载效应参量综合确定其危险程度，优选，当存在某区域的动静组合应力系数的值大于设定的第一阈值时，或矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数的值大于设定的第二阈值时，系统即进行预警提示。比如，可以将危险程度分成若干个等级，根据动静组合应力系数和矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数来确定具体的等级，比如图8、9中，将危险程度分成4个等级：对于各应力系数或

当其值处于0-0.25的区间时，则该区域危险等级为无；

当其值处于0.25-0.5的区间时，则该区域危险等级为弱；

当其值处于0.5-0.75的区间时，则该区域危险等级为中等；

当其值处于0.75-1的区间时，则该区域危险等级为强。

实际应用时，当应力系数的值大于0.5，或的值大于0.5时，系统即进行预警提示。

实例表明，震动波ct反演获得的静载应力系数(图4)、震动波衰减累积重构的动载应力系数(图7)和矿压瞬间动载应力增量的动载应力系数(图8)很好预测了冲击震源发生的位置。微震损伤重构的静载应力系数(图5)很好预测了冲击破坏区的位置；动静组合应力系数(图9)同时预测了冲击震源与冲击破坏区的位置，预测效果好。其综合考虑了冲击地压诱发机理的动静及其叠加效应，计算模型明确、普适性及可操作性强，可实现冲击地压危险区域及其危险程度预测的量化分析，应用可行性好，可实现精确预测。另外，权重的快速更新调整以及最终综合预测结果的客观判识具有预测效率高的优点。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。