一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法与流程

本发明涉及一种冲击危险预评估方法，具体涉及一种适用于煤矿孤岛工作面是否可安全开采的基于覆岩结构应力传递机制的冲击危险预评估方法。

背景技术：

矿井早期基于安全等考虑，大多采用条带开采和跳采，这种现象在我国中东部矿区尤为突出，因此这些矿井普遍存在各种形式的孤岛工作面：相邻两面采空、三面采空、两面采空和断层切割、三面采空和断层切割等。矿井开采后期由于矿产资源的匮乏等原因，需要开采这些遗留孤岛工作面。近年来，随着开采深度的增加，孤岛工作面冲击矿压事故发生的频度和烈度也随之增加，严重影响了的矿井的安全开采和员工的安全。

孤岛工作面能否安全开采，即哪些不可开采、哪些可安全回采或者哪些在采取一定的防冲措施后可安全回采，这一工程技术难题目前仍缺乏有效的理论依据，大多只是依靠经验。目前的冲击危险评价模式大多针对于工作面回采期间的冲击危险进行评价，对于工作面采前冲击危险的评估研究较少。其次，评价标准及其判断冲击失稳的各项指标存在异议，忽略了大量的现场实际工程条件。因此，面对孤岛工作面冲击矿压日益严峻的形势，有必要提出确定孤岛工作面能否安全开采的更为有效的冲击危险评估方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够量化冲击危险等级。

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：

一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，包括以下步骤：

(1)收集待评估的孤岛工作面的相关地质信息；

(2)根据步骤一中收集到的相关地质信息，计算采空区的覆岩演化理论高度hd，并进行关键层判别，根据关键层破断与否，修正覆岩演化理论高度hd得到覆岩演化高度，并判定覆岩结构类型；

(3)分别计算出孤岛工作面煤体上方静载荷σj和动载荷σd；

(4)测定煤层的单轴抗压强度rc；

(5)根据煤层的单轴抗压强度rc确定煤层临界冲击载荷σbmin；

(6)基于静载荷σj和动载荷σd计算出动静组合叠加应力(σj+σd)，比较动静组合叠加应力(σj+σd)与煤层临界冲击载荷σbmin，判别冲击危险级别，实现孤岛工作面采前冲击危险的预评估。

进一步地，所述步骤(1)中的相关地质信息包括：上覆岩层的岩性、上覆岩层的物理力学属性、煤层厚度、两侧采空区的工作面埋深以及工作面长度；所述上覆岩层的物理力学属性包括覆岩厚度、覆岩弹性模量、覆岩碎胀系数、覆岩体积力、覆岩单轴抗压强度和覆岩泊松比。

进一步地，所述覆岩理论演化高度hd的计算公式为：

其中：l为采空区的工作面长度；h为采空区的工作面埋深，h为煤层厚度，e为覆岩弹性模量，σc为覆岩单轴抗压强度，ν为覆岩泊松比，b为覆岩碎胀系数、γ为覆岩体积力。

进一步地，所述步骤(2)中根据关键层破断与否，修正覆岩演化理论高度hd得到覆岩演化高度，具体为：

①根据收集到的上覆岩层的物理力学属性进行关键层判别；

②结合覆岩演化理论高度hd确认覆岩演化所涉及的关键层层位和高度；

③若判断出步骤②中得到的所涉及的关键层破断，则覆岩演化高度等于各破断的关键层与其所控制的岩层的高度之和；

④若判断出步骤②中得到的所涉及的关键层未破断，则覆岩演化高度等于最下层关键层的高度。

进一步地，所述步骤(2)中根据关键层破断与否，判定覆岩结构类型，具体包括以下步骤：

a：根据两侧采空区采动过程中的监测数据，判断主关键层是否破断；

b：当两侧采空区的主关键层均断裂时，判定覆岩结构类型为短臂“t”型结构；

c：当两侧采空区的主关键层均未断裂时，判定覆岩结构类型为长臂“t”型结构；

d：当其中一侧采空区的主关键层断裂、另一侧采空区的主关键层未断裂时，判定覆岩结构类型为非对称“t”型结构。

进一步地，所述静载荷σj的表达式为：

σj＝σg+δσ1+δσ2

其中，σg为自重应力；δσ1、δσ2分别为两侧采空区上覆岩层传递至孤岛工作面的应力增量；

σg＝γh

其中，h为采空区的工作面埋深；γ为覆岩体积力；

其中，α为单侧采空区的岩层移动角，α的取值为α1、α2，α1、α2分别为两

侧采空区的岩层移动角，hd为覆岩演化高度，δσmax为采空区覆岩所产生的最大应

力增量值。

进一步地，所述动载荷σd的表达式为：

其中，i＝2,3,…,n；hi为第i层破断岩层的破断岩块的厚度，li为第i层破断岩层的破断岩块的长度；σti为第i层破断岩层的破断岩块的抗拉强度。

进一步地，所述步骤(5)中的根据煤层的单轴抗压强度rc确定煤层临界冲击载荷σbmin，具体为：

当rc>20mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为50mpa；

当rc<16mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为70mpa；

当16mpa<rc<20mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为50～70mpa。

进一步地，所述步骤(6)中，基于静载荷σj和动载荷σd计算出动静组合叠加应力(σj+σd)，比较动静组合叠加应力(σj+σd)与煤层临界冲击载荷σbmin，判别冲击危险的级别，具体为：

当σj+σd≥σbmin时，判定孤岛工作面不可采；

当σj+σd<<σbmin时，判定孤岛工作面可安全回采；

当σj+σd≈σbmin时，判定孤岛工作面在采取相应的防冲措施后进行开采。

进一步地，所述的一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，还包括步骤(7)：设定与各冲击危险等级对应的防治对策，具体为：

当判定孤岛工作面不可采时，放弃开采；

当判定孤岛工作面可安全回采时，在采掘过程中，加强冲击矿压危险的监测预报；

当判定孤岛工作面在采取相应的防冲措施后进行开采，防冲措施为：采取强度弱化减冲治理措施，消除冲击危险，同时在采掘过程中，加强冲击矿压危险的监测预报。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，从应力分布的角度，考虑覆岩结构应力传递机制和工作面相关地质信息，分别计算出孤岛工作面煤体的静载荷、动载荷和动静组合叠加应力；经实验室测得工作面煤体的单轴抗压强度，并基于工作面煤体的单轴抗压强度得到其临界冲击载荷；基于工作面煤体的动静组合叠加应力和临界冲击载荷，将冲击危险划分为不可开采、可安全开采和采取一定卸压措施后可安全回采三个等级，并给出相应的冲击矿压监测、预警和防治措施。

本发明给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够量化冲击危险等级。

附图说明

图1为一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法流程图；

图2为本发明实施例中的3112孤岛工作面回采前“t”型覆岩结构示意图；

图3为本发明实施例中的静载荷、动载荷、动静组合叠加应力与临界冲击载荷分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，包括以下步骤：

(1)收集待评估的孤岛工作面的相关地质信息；

优选地，所述的相关地质信息包括：根据钻孔取样得知的上覆岩层的岩性和上覆岩层的物理力学属性，还包括煤层厚度、两侧采空区的工作面埋深以及工作面长度；所述上覆岩层的物理力学属性包括覆岩厚度、覆岩弹性模量、覆岩碎胀系数、覆岩体积力、覆岩单轴抗压强度和覆岩泊松比

(2)根据步骤一中收集到的相关地质信息，计算采空区的覆岩演化理论高度hd，并进行关键层判别，根据关键层破断与否，修正覆岩演化理论高度hd得到覆岩演化高度，并判定覆岩结构类型；

所述覆岩理论演化高度hd的计算公式为：

其中：l为采空区的工作面长度；h为采空区的工作面埋深，h为煤层厚度，e为覆岩弹性模量，σc为覆岩单轴抗压强度，ν为覆岩泊松比，b为覆岩碎胀系数、γ为覆岩体积力。

在实际应用过程中，l的取值为l1、l2，l1、l2分别为两侧采空区的工作面长度；h的取值为h1、h2，h1、h2为两侧采空区的工作面埋深，一般情况下，h1和h2取值相同，从而计算出两侧采空区各自的覆岩理论演化高度。

所述根据关键层破断与否，修正覆岩演化理论高度hd得到覆岩演化高度，具体为：

①根据收集到的上覆岩层的物理力学属性进行关键层判别；

②结合覆岩演化理论高度hd确认覆岩演化所涉及的关键层层位和高度；

③若判断出步骤②中得到的所涉及的关键层破断，则覆岩演化高度等于各破断的关键层与其所控制的岩层的高度之和；

④若判断出步骤②中得到的所涉及的关键层未破断，则覆岩演化高度等于最下层关键层的高度。

所述步骤③和④中的关键层破断与否，通过两侧采空区采动过程中的监测数据来判定。

进一步地，所述根据关键层破断与否，判定覆岩结构类型，具体包括以下步骤：

a：根据两侧采空区采动过程中的监测数据，判断主关键层是否破断；

b：当两侧采空区的主关键层均断裂时，判定覆岩结构类型为短臂“t”型结构；

c：当两侧采空区的主关键层均未断裂时，判定覆岩结构类型为长臂“t”型结构；

d：当其中一侧采空区的主关键层断裂、另一侧采空区的主关键层未断裂时，判定覆岩结构类型为非对称“t”型结构。

(3)分别计算出孤岛工作面煤体上方静载荷σj和动载荷σd；优选根据动静组合诱冲原理，分别计算出孤岛工作面煤体上方静载荷σj和动载荷σd；

所述静载荷σj的表达式为：

σj＝σg+δσ1+δσ2(2)

其中，σg为自重应力；δσ1、δσ2分别为两侧采空区上覆岩层传递至孤岛工作面的应力增量；

σg＝γh(3)

其中，h为采空区的工作面埋深；γ为覆岩体积力；

其中，α为单侧采空区的岩层移动角，α的取值为α1、α2，α1、α2分别为两侧采空区的岩层移动角，hd为覆岩演化高度，δσmax为采空区覆岩所产生的最大应力增量值。

所述动载荷σd的表达式为：

其中，i为岩层，i＝2,3,…,n；hi为第i层岩层的破断岩块的厚度，li为第i层岩层的破断岩块的长度；σti为第i层岩层的破断岩块的抗拉强度。

(4)测定煤层的单轴抗压强度rc；

优选地，可以按照国标gb/t23561.7—2009，在实验室测定煤层的单轴抗压强度rc；

(5)根据煤层的单轴抗压强度rc确定煤层临界冲击载荷σbmin；

其具体过程包括以下步骤：

当rc>20mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为50mpa；

当rc<16mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为70mpa；

当16mpa<rc<20mpa时，煤体发生冲击矿压破坏的煤层临界冲击载荷σbmin为50～70mpa。

(6)基于静载荷σj和动载荷σd计算出动静组合叠加应力(σj+σd)，比较动静组合叠加应力(σj+σd)与煤层临界冲击载荷σbmin，判别冲击危险级别，实现孤岛工作面采前冲击危险的预评估。

优选地，所述步骤(6)具体包括以下步骤：

当σj+σd≥σbmin时，判定孤岛工作面不可采；

当σj+σd<<σbmin时，判定孤岛工作面可安全回采；

当σj+σd≈σbmin时(动静组合叠加应力大于或小于临界冲击载荷±5％～10％)，判定孤岛工作面在采取相应的防冲措施后进行开采。

优选地，所述的一种孤岛工作面采前冲击危险预评估方法，还包括步骤(7)：设定与各冲击危险等级对应的防治对策，具体为：

当判定孤岛工作面不可采时，放弃开采；

当判定孤岛工作面可安全回采时，在采掘过程中，加强冲击矿压危险的监测预报；

当判定孤岛工作面在采取相应的防冲措施后进行开采，防冲措施为：采取强度弱化减冲治理措施，消除冲击危险，同时在采掘过程中，加强冲击矿压危险的监测预报。

实施例一

某矿的3112孤岛工作面采掘过程中多次发生冲击矿压，下面结合本发明中的采前冲击危险预评估方法对工作面采前是否可采进行冲击危险预评估，具体实施步骤如下：

(1)收集到如表1中的工作面相关地质信息，根据公式(1)求得大采空区侧的覆岩演化理论高度hd＝497.29m，小采空区侧的覆岩演化理论高度hd＝48.58m，根据钻孔提供的地质资料(具体见表2)，孤岛工作面上部存在5层硬岩，划分为1个主关键层和4个亚关键层(如图2所示)，在相邻采空区工作面回采过程中，各亚关键层依次破断，而主关键层未发生破断。根据关键层理论(即若判断出所涉及的关键层破断，则覆岩演化高度等于各破断的关键层与其所控制的岩层的高度之和)，大采空区覆岩演化高度等于顶板至主关键层的高度，其修正结果为271.14m，即表2中3下煤上方的粉砂岩至泥岩的高度＝0.85+27.57+3.2+0.77+20.25+4.45+89.35+3.8+23.4+67.3+30.2＝271.14m；小采空区覆岩演化高度等于顶板至第二层亚关键层的高度，其修正结果为32.39m，即表2中3下煤上方的粉砂岩至3上煤的高度＝0.85+27.57+3.2+0.77＝32.39m。

表1

表2

(2)根据式(2)、(3)、(4)、(5)和(6)分别求出工作面煤体承载的静载荷和动载荷，并得到如图3所示的动静组合叠加应力分布曲线；

(3)在工作面煤体实验室测定的煤体单轴抗压强度为9.5mpa；

(4)由于工作面煤体单轴抗压强度小于16mpa，因此，得到煤层要发生冲击就需要70mpa以上的冲击的临界冲击破坏载荷；

(5)绘制出工作面煤体的动静组合叠加应力与临界冲击载荷曲线，如图3所示；

(6)确定是否可采、冲击危险等级。

动静组合叠加应力约为60～90mpa，动静组合叠加应力超过70mpa的范围大约为80m，由于孤岛工作面宽度为120m，则约75％孤岛工作面煤体处于强冲击危险区域，判定不可采。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。