一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法与流程

本发明涉及一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，适用于具有冲击地压危险的矿井采掘工作面，用于指导矿井采掘工作面的防冲工作。

背景技术：

冲击地压是一种典型的煤矿动力灾害。采掘工作面的冲击危险性评价是矿井防冲工作的重点和难点，我国高度重视采掘工作面的冲击危险性评价工作，《防治煤矿冲击地压细则》中第十四条至第十七条、第二十一条、第二十五条、第三十七条、第六十八条、第六十九条等的实施均涉及到采掘工作面的冲击危险性评价，但《细则》中明确提及的评价方法仅有综合指数法一种，可见针对采掘工作面的冲击危险性评价方法尚不成熟，尤其在针对工作面冲击危险区域的分级分区划分方面，实际评价过程中发现，许多评价方法在使用中仍存在精度较差、合理性受人为因素影响较大的局限性，无法实现采掘工作面冲击危险区域的合理划分，大体可分为两类：

1.一类是基于数量化统计的冲击危险区域划分方法，该类方法局限于冲击危险主控因素的数理统计以及空间区域的宏观划分，但针对某一主控因素，以及该因素导致的工作面局部应力集中缺乏量化研究，对工作面的防冲工作指导意义不大。

2.另一类是基于多因素叠加的半定量划分法，该方法主要存在的问题有：(1)形成时间较早，评价指标的选取主要基于山东、河南等传统深部冲击地压矿井，在一些新建冲击地压矿井中评价结果与实际不符；(2)主控因素的影响程度及范围未基于本矿井实际情况进行量化，且未考虑不同矿井应力增量的叠加方式及判别指标的合理性。

采掘工作面的冲击危险性评价是进行工作面监测预警体系、防治解危方案、防治管理体系、采掘速度、生产能力等设计的基础文件，只有确定了采掘工作面不同区域的冲击地压危险等级，才能进行冲击危险的源头把控，分区治理。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，该方法基于静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性的“四位一体”分析，提出了增量叠加的评价方法，可实现对采掘工作面应力场的量化评价与冲击危险区域的分级分区划分，适用于地质资料、监测数据较完善的冲击地压矿井。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待评价的工作面；

步骤2：分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对工作面冲击危险主控因素进行排查，确定工作面冲击危险的动静载主控因素，需排查的动静载力源条件包括：自重应力场、构造应力场、增载应力场及采动应力场；需排查的应力传递条件为顶板岩层结构，煤体属性方面则确定待评价工作面煤层的单轴抗压强度、和冲击倾向性；根据排查结果确定工作面的静载主控因素、动载主控因素、应力传递条件及煤体属性；

步骤3：确定本工作面的动静载主控因素个数n；

步骤4：半定量化估算工作面动静载主控因素产生的应力增量及影响区间

采用应力增量σij对工作面围岩应力场进行描述，其物理意义为诱发冲击地压的第i种主控因素造成的工作面第j区段范围内的应力增量，其中i＝1，2，…n，j＝1，2，…m；

采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式对工作面动静载应力增量进行半定量化估算，确定第i种主控因素的实际影响范围及影响程度，并在每一种主控因素的影响范围内，根据其影响程度的不同，划分为k个不同的影响级别，1≤k≤4；

以此类推，分别对n种不同的主控因素进行影响区间及影响程度划分，最高可划分4n个不同的影响区间；

步骤5：根据工作面应力传递条件，选择应力增量叠加方式，计算应力集中系数；

对估算得出的动静载应力增量进行耦合叠加，并计算叠加后工作面不同区段的应力集中系数λij；

其中，采用线性及非线性两种不同的增量叠加方式；线性叠加方式的载荷变化率不随增量个数的变化而变化，而非线性叠加的载荷变化率随增量个数的增加而增加；两种叠加方式的应力集中系数的计算公式如式(1)所示：

式中，σ0为工作面的原岩应力，σij表示工作面巷道第i区段受第j种因素影响的应力增量，λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数；

基于顶板岩层厚度特征参数值lst对增量的叠加方式进行选择，lst的计算方式采用《防治煤矿冲击地压细则》(煤安监技装﹝2018﹞)中已有规定：

若0≤lst≤70，则应力增量采用线性叠加的方式计算；

若70<lst≤100，则应力增量采用非线性叠加的方式计算；

步骤6：根据工作面煤体属性，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin及冲击发生的临界应力集中系数值λmax；

步骤7：对[λmin，λmax]的区间进行归一化处理，并划分无、弱、中和强四个冲击危险等级，确定相应的λi的取值范围；

为了使[λmin，λmax]区间内的应力集中系数值映射到[0-1]之间，对步骤5中所得的叠加应力集中系数λi进行归一化处理，转换函数如下：

式中，x*为归一化后值，λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数，λmin和λmax分别为工作面冲击发生的初始应力集中系数及临界应力集中系数；

根据等分原则，分别令x*取(-∞,0)、[0,1/3)、[1/3,2/3)和[2/3,+∞)，根据x*取值范围的不同，将工作面冲击危险程度划分为无、弱、中、强四个等级，确定相应的λi的取值范围如下：

式中：λi表示工作面第i区段的叠加应力集中系数，λmin和λmax分别为工作面冲击发生的初始应力集中系数及临界应力集中系数；

步骤8：根据增量叠加结果绘制工作面的λi曲线以及无、弱、中、强四条判定线；

步骤9：绘制工作面冲击危险区域分级分区划分图；

步骤10：工作面分区域监测与防治；

根据步骤9的冲击危险区域划分结果，按照“区域先行，局部跟进，分区治理”的原则进行工作面冲击地压防治工作。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：

步骤4-1：依据表2确定待评价的工作面动静载主控因素；

步骤4-2：采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式逐项计算各主控因素产生的应力增量影响范围，对于煤层埋深等全局影响因素，其影响范围为整个工作面；

步骤4-3：根据影响程度的不同，采用理论计算、数值模拟及工程经验的方式逐项将各主控因素划分为k个不同的影响级别，不同的影响级别具有不同的应力增量；

步骤4-4：将各应力增量影响范围标记在工作面评价图中，影响范围重叠的区域重点标记；

步骤4-5：按照影响级别的不同，标记各区段的应力增量，影响范围重叠区域标注多个应力增量，以便后续进行叠加。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法如下：

步骤6-1：确定待评价工作面煤层的冲击倾向性和单轴抗压强度；

步骤6-2：依据待评价煤体冲击倾向性的不同，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin，λmin的取值表如表1所示；

步骤6-3：依据待评价煤体冲击倾向性的不同，确定工作面冲击发生的临界应力集中系数值λmax，λmax的取值表如表1所示；

表1λmin和λmax取值表

表1中，σz为煤层的单轴抗压强度，σ0采用下式进行计算：

σ0＝γh(4)

式中：γ为工作面上覆岩层容重，h为开采深度。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、本发明分别从静载力源、动载力源、应力传递条件和煤体属性四个层面，对待评价工作面冲击危险主控因素进行了量化研究，应力增量的影响程度、范围、叠加方式及判别指标均基于本矿井的实际情况进行量化，评价结果相对传统方法更为客观合理。

2、本发明根据顶板岩层厚度特征参数值的不同，提供了不同的应力传递条件下增量的耦合叠加方式，根据待评价煤体冲击倾向性的不同，提供了不同的冲击危险判别指标，相比传统单一叠加方式与评价指标的方法适用性更强。

3、本发明对于单个影响因素产生的应力增量，可采用理论计算、数值模拟及现场实测等方法进行半定量化估算，估算方法具有选择性，可选择与现场实际情况最为吻合的方法进行计算，评价结果相对传统方法更贴合现场。

附图说明

图1为本发明步骤2中需排查的动静载主控因素图。

图2为本发明方法的流程原理示意图。

图3为本发明实施例的步骤4中断层数值模型图。

图4为本发明实施例的步骤4中工作面回采接近断层时断层面的应力变化图。

图5为本发明实施例的步骤4中不同煤柱宽度下工作面的应力分布图。

图6为本发明实施例的步骤4中“t”型交叉巷道的应力分布云图。

图7为本发明实施例的步骤4中“x”型交叉巷道的应力分布云图。

图8为本发明实施例的步骤4中“t”型和“x”型交叉巷道的应力分布曲线。

图9为本发明实施例的步骤8中工作面的巷道应力曲线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供的一种基于增量叠加的工作面冲击危险性评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待评价工作面为某矿31103回采工作面；

步骤2：分别从静载力源、动载力源、应力传递条件、煤体属性四个层面，对31103工作面冲击危险主控因素进行排查，排查结果如表2所示；

表231103工作面冲击危险主控因素排查结果

步骤3：确定本工作面的动静载主控因素个数为10个，分别为开采深度、25m大断层、1m小断层、开切眼及停采线外错、采空区影响、临空区煤柱、巷道交叉、初次来压、“见方”破断、远场矿震。

步骤4：进行动静载主控因素半定量化估算，根据估算结果逐项将各主控因素划分为k(1≤k≤4)个不同的影响级别，不同的影响级别具有不同的应力增量，最终得到各主控因素的应力增量分级划分如表3所示。

根据表3结果，将各应力增量影响范围标记在工作面评价图中，影响范围重叠的区域需重点标记；按照影响级别的不同，标记各区段的应力增量，影响范围重叠区域需标注多个应力增量，以便后续进行叠加。

表3各主控因素的应力增量分级划分表

以下举例说明部分影响因素影响程度及影响范围确定过程。

一、断层构造的影响

断层构造可引起工作面局部应力升高，产生应力增量，其引起的应力增量及影响程度主要受与断层的距离控制，可采用数值模拟的方法对其引起的应力增量进行估算。

根据31103工作面综合钻孔柱状图及工作面所测岩层物理力学参数进行flac^3d建模，分别模拟不同落差条件下工作面的应力分布情况。31103工作面5条断层落差分别为25m、0.5m、0.8m、1m和1m，故分别选取25m落差和1m落差两个典型条件进行建模，数值模型如图3所示。25m和1m断层落差条件下，工作面回采接近断层时断层面的应力变化曲线如图4所示。

分析可得：对于落差为25m的大断层，其影响范围为断层前后100m，随着工作面与断层之间距离减小至50m，断层面垂直应力明显增加。当工作面与断层距离小于30m时，工作面前方应力出现急剧上升，在工作面推进至距断层10m范围之内时，断层面产生的应力增量最高可达σ0。据此将落差为25m的断层，根据工作面与断层距离的不同，划分为0～10m、10～30m、30～50m和50～100m四个区间，每个区间对应区间内产生的最大应力增量，划分结果如表3所示。

同理，对于落差为1m的小断层，其影响范围为断层前后30m，影响范围较短，产生的应力增量不高，故将断层前后30m范围内整体划分为一个区间，所产生的应力增量按最大值进行计算。

二、煤柱宽度的影响

煤柱宽度可引起工作面临空侧巷道的整体应力升高，产生应力增量，可采用数值模拟的方法对其引起的应力增量进行估算。根据31103工作面实际条件进行flac^3d建模，分别模拟不同煤柱宽度下工作面的应力分布情况。模拟结果如图5所示。

分析可得：当煤柱宽度取10～30m时，煤柱内产生应力增量最高；30～50m煤柱次之，5～10m煤柱再次之，煤柱宽度小于5m或大于50m时，所产生应力增量最低；据此根据煤柱宽度的不同将其划分为四个区间，区间内应力增量按照数值模拟结果取值，划分结果如表3所示。

三、巷道交叉的影响

31103工作面内巷道的交叉形式有“t”型和“x”型交叉两种。分别模拟开挖“t”型和“x”型交叉巷道，巷道开挖宽度取5m，其应力分布云图如图6和图7所示，应力分布曲线如图8所示。分析划分的应力增量区间如表3所示。

四、动载应力增量估算

根据关键层理论对31103工作面各关键层进行判别，结合现场工程经验及实测数据，对31103回采工作面各关键层破断时产生的动载应力增量进行估算，估算结果如表2所示。

表431103工作面关键层判别及动载应力增量估算

工作面不同的回采阶段，发生失稳破断的关键层层位不同：工作面初次来压阶段，与煤层距离较近的亚关键层1(老顶)发生破断；工作面初次“见方”以及多次“见方”前后，低位亚关键层发生破断，根据现场微震实测，震动主要集中于煤层上方200m范围内，可推断工作面“见方”期间的破断可发展至亚关键层4；工作面回采过程中，主关键层一般不发生直接破断，但随着其变形量增加而不断积聚能量，当超过煤岩体强度极限时，发生能量释放，形成远场矿震。据此确定的初次来压、初次“见方”、多次“见方”以及远场矿震形成的动载应力增量量化取值见表3。

步骤5：根据表2排查结果，31103工作面顶板有厚硬砂岩组互层，经计算得lst＝91.4，故选用非线性叠加的方式对影响范围重叠的区域进行叠加。

步骤6：根据表2排查结果，3-1煤具有强冲击倾向性，且单轴抗压强度＝20.32mpa，根据表1，确定工作面冲击发生的初始应力集中系数值λmin＝1，冲击发生的临界应力集中系数值λmax＝2σz/σ0＝2×20.32/(0.025×563)＝2.88。

步骤7：根据式(3)，对[λmin，λmax]区间内的应力集中系数值进行等分，最终将工作面冲击危险程度划分为无、弱、中、强四个等级，不同冲击危险等级的λi取值范围如表5所示。

表5应力增量归一化处理对照指标表

步骤8：根据增量叠加结果绘制31103工作面的巷道应力曲线曲线λi以及无、弱、中、强的等级判定线如图9所示。

步骤9：绘制工作面冲击危险区域分级分区划分图。

步骤10：工作面分区域监测与防治。

在进行了采掘工作面的冲击危险区域划分之后，对于不同的冲击地压危险区域可按冲击危险等级设计不同的监测预警体系、防治解危方案、防治管理体系，并根据《细则》要求，进行工作面的冲击地压防治工作。