一种煤层底板突水识别方法与流程

1.本发明涉及勘探技术领域，尤其涉及一种煤层底板突水识别方法。


背景技术：

2.实现安全带压开采的关键在于认清矿山压力和水压力共同作用下底板隔水层的破坏特征，准确识别采动过程中底板突水通道的演化过程。目前针对底板破坏特征的研究方法主要分为理论分析、数值模拟、现场监测三大类。理论分析主要应用弹性力学薄板理论推导底板关键层破坏，但大多数将水压力考虑为具有一定长度的均布荷载，而这种假设的可靠性还有待商榷。数值模拟方面应用有限元方法，很难模拟底板导水通道裂隙萌生、扩展和贯通演化，无法完整地体现围岩渐进破坏过程，现场矿压、底板破坏等常规监测手段无法克服时间、空间的限制进行三维空间实时监测预警，更难以感知突水通道形成前煤岩体内部微破裂及其演化规律。此外，底板隔水层岩体的变形破坏过程受到煤和岩体的不均匀性、由开挖引起的地应力重分布、流固耦合等作用的影响，运用一种或两种方法进行研究难以全面地评价底板的破坏特征及演化规律。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：如何提供一种优势融合的煤层底板突水识别方法，以提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种煤层底板突水识别方法，其包括：
5.获取煤层深度和煤层底板的岩层参数；
6.基于半无限理论，建立所述煤层底板的受力简化模型，其中，所述煤层底板的上部受超前支撑压力和原岩应力，所述煤层底板受自身的底板重力，以及，所述煤层底板的下部受承压水压力；
7.基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量；
8.基于所述底板总应力分量和破坏准则对所述煤层底板的突水通道进行识别；
9.采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出所述突水通道的突水危险区。
10.可选的，获取煤层底板的岩层参数包括：获取所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数。
11.可选的，
12.基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量，包括：
13.基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤
层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量；
14.基于所述原岩应力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量；
15.基于所述承压水压力影响下的所述受力简化模型，计算所述承压水压力在所述煤层底板上引起的第三应力分量；
16.基于所述底板重力影响下的所述受力简化模型，根据拉梅常数、所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述底板重力在所述煤层底板上引起的第四应力分量；
17.基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量。
18.可选的，基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量，包括：
19.将塑性区和弹性区的所述超前支撑压力分别简化为三角形荷载；
20.根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，分别计算所述塑性区的三角形荷载和所述弹性区的三角形荷载在所述煤层底板上引起的应力分量；
21.根据所述塑性区的三角形荷载和所述弹性区的三角形荷载在所述煤层底板上引起的应力分量，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量。
22.可选的，基于所述原岩应力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量，包括：
23.将空区的所述原岩应力简化为均布矩形荷载；
24.根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量。
25.可选的，基于所述承压水压力影响下的所述受力简化模型，计算所述承压水压力在所述煤层底板上引起的第三应力分量，包括：
26.将所述承压水压力简化为半无限的均布荷载并获取所述承压水压力值；
27.根据岩体位移建立体应变方程以及建立所述岩体位移的平衡方程；
28.基于所述体应变方程和所述岩体位移的平衡方程，计算所述均布荷载在所述煤层底板上引起的第三应力分量。
29.可选的，基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量，包括：
30.根据弹性理论的应力叠加原理，基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量。
31.可选的，基于所述底板总应力分量和破坏准则对煤层底板突水通道进行识别，包括：
32.基于所述底板总应力分量和coulomb修正破坏准则对煤层底板突水通道进行识别。
33.可选的，所述煤层底板突水识别方法还包括：
34.对应力波传播过程进行数值模拟，并输出声发射图和应力云图；以及，
35.基于所述验证结果在巷道设置微震监测装置，以利用所述微震监测装置采集微震信号。
36.可选的，所述采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于所述验证结果结合微震监测确定出所述突水通道的突水危险区，包括：
37.根据所述声发射图和所述应力云图对识别结果进行验证；
38.在验证一致时，基于所述微震信号确定出所述突水通道的突水危险区。
39.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
40.应用本发明的煤层底板突水识别方法，基于半无限理论建立煤层底板的受力简化模型，基于该受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板的底板总应力分量，有利于提高识别煤层底板突水通道的可靠性。另外，通过采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区，可以有效融合基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法的优势，提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
附图说明
41.通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：
42.图1示出了本发明实施例提供的一种煤层底板突水识别方法的流程示意图；
43.图2示出了煤矿工作区的结构示意图；
44.图3示出了本发明实施例提供的在煤层底板和煤层的交界面建立的二维坐标系示意图；
45.图4示出了超前支撑压力下的煤层底板受力模型示意图；
46.图5示出了本发明实施例提供的承压水压力影响下的煤层底板受力模型示意图；
47.图6示出了本发明实施例提供的煤矿岩层的示意图；
48.图7(1)示出了本发明实施例提供的煤层底板的声发射示意图；图7(2)示出了煤层底板的声发射示意图中位于拉伸破坏区左侧剪切破坏区的局部放大图；图7(3)示出了煤层底板的声发射示意图中位于拉伸破坏区右侧剪切破坏区的局部放大图；
49.图8示出了用于实时监测煤层底板微破裂信息的微震监测系统；
50.图9(1)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时垂直应力等值线图；图9(2)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时水平应力等值线图；图9(3)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时剪切应力等值线图；
51.图10示出了本发明具体实施例提供的底板破坏图；
52.图11(1)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼10m时对应的应力状态示意图；图11(2)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼20m时对应的应力状态示意图；图11(3)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼30m时对应的应力状态示意图；图11(4)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼40m时对应的应力状态示意
图；
53.图12示出了本发明具体实施例提供的设置有微震监测装置的煤矿结构示意图；
54.图13示出了本发明具体实施例提供的微震事件密度示意图；
55.图14示出了本发明具体实施例提供的微震事件的事件标高与es/ep比值关系示意图；
56.图15示出了本发明实施例提供的一种优势融合的煤层底板突水识别方法示意图。
具体实施方式
57.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
58.针对底板破坏特征的研究方法主要分为理论分析、数值模拟、现场监测三大类。理论分析主要应用弹性力学薄板理论推导了底板关键层破坏，但大多数将水压力考虑为具有一定长度的均布荷载，而这种假设的可靠性还有待商榷。数值模拟方面应用有限元方法，很难模拟底板导水通道裂隙萌生、扩展和贯通演化，无法完整地体现围岩渐进破坏过程，现场矿压、底板破坏等常规监测手段无法克服时间、空间的限制进行三维空间实时监测预警，更难以感知突水通道形成前煤岩体内部微破裂及其演化规律。此外，底板隔水层岩体的变形破坏过程受到煤和岩体的不均匀性、由开挖引起的地应力重分布、流固耦合等作用的影响，运用一种或两种方法进行研究难以全面地评价底板的破坏特征及演化规律。
59.有鉴于此，本发明提供了一种煤层底板突水识别方法，基于半无限理论建立煤层底板的受力简化模型，基于该受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板的底板总应力分量，有利于提高识别煤层底板突水通道的可靠性。另外，通过采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区，可以有效融合基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法的优势，提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
60.实施例一
61.参见图1所示，图1示出了本发明实施例提供的一种煤层底板突水识别方法的流程示意图，其包括：
62.步骤s101：获取煤层深度和煤层底板的岩层参数；
63.步骤s102：基于半无限理论，建立煤层底板的受力简化模型，其中，煤层底板的上部受超前支撑压力和原岩应力，煤层底板受自身的底板重力，以及，煤层底板的下部受承压水压力；
64.步骤s103：基于所述受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板受到的底板总应力分量；
65.步骤s104：基于底板总应力分量和破坏准则对煤层底板的突水通道进行识别；
66.步骤s105：采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区。
67.参见图2所述，图2示出了煤矿工作区的结构示意图，图中黑色区域代表煤层，煤层
上部可以为煤层顶板，煤层与承压水层之间是煤层底板，煤层底板可以分为导水破坏带、保护层带和承压水导升带。
68.其中，煤层深度可为煤层距煤层顶板上表面的距离，用h表示，获取煤层底板的岩层参数可以包括：获取煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，来压步距可以用2l表示，弹性区长度可以用a表示，塑性区可以用b表示，底板厚度可以用h表示，岩体容重可以用γ表示，应力系数可以用n表示。
69.在本发明实施例中，可以设定煤层底板满足线弹性的本构模型，基于半无限理论对煤层底板的受力进行简化后，由弹性理论可以得到在边界上受法向分布力时，在煤层底板中平行于煤层底板平面的任意一点m的应力分量：
[0070][0071]
具体可参见图3所示，图3示出了本发明实施例提供的在煤层底板和煤层的交界面建立的二维坐标系示意图，其中，可以将煤层底板上部的压力简化为荷载q，荷载q是荷载微段ξ的函数，σ
x
为在x方向上点m处的应力分量，σy为在y方向上点m处的应力分量，τ
xy
为点m处的平面剪应力。
[0072]
步骤s103可以具体为：
[0073]
步骤s1031：基于超前支撑压力影响下的受力简化模型，根据煤层深度、煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算超前支撑压力在煤层底板上引起的第一应力分量。
[0074]
步骤s1032：基于原岩应力影响下的受力简化模型，根据煤层深度和岩体容重，计算原岩应力在煤层底板上引起的第二应力分量。
[0075]
步骤s1033：基于承压水压力影响下的受力简化模型，计算承压水压力在煤层底板上引起的第三应力分量。
[0076]
步骤s1034：基于底板重力影响下的受力简化模型，根据拉梅常数、煤层深度和岩体容重，计算底板重力在煤层底板上引起的第四应力分量。
[0077]
步骤s1035：基于第一应力分量、第二应力分量、第三应力分量和第四应力分量，获取煤层底板的底板总应力分量。
[0078]
其中，参见图4所示，图4示出了超前支撑压力下的煤层底板受力模型示意图，以初次来压步距中点作为原点，以平行于煤层底板且沿煤层和煤层底板交界处水平向右为x轴，以垂直于底板向下为z轴建立坐标系。
[0079]
步骤s1031可以具体为：
[0080]
将塑性区和弹性区的超前支撑压力分别简化为三角形荷载；
[0081]
根据煤层深度、煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容
重和应力系数，分别计算塑性区的三角形荷载和弹性区的三角形荷载在煤层底板上引起的应力分量；
[0082]
根据塑性区的三角形荷载和弹性区的三角形荷载在煤层底板上引起的应力分量，计算超前支撑压力在煤层底板上引起的第一应力分量。
[0083]
作为示例，参见图4所示，可以将位于工作区两侧的塑性区中的超前支撑压力分别简化为三角形荷载q1和q3，将位于工作区两侧的弹性区中的超前支撑压力分别简化为三角形荷载q2和q4，三角形荷载的最大值可以为nγh，θ为底板下任意点m与荷载边缘的连线和z轴方向的夹角。因此，由超前支撑压力在煤层底板上引起的第一应力分量可以为由三角形荷载q1、q2、q3和q4在煤层底板上引起的应力分量之和。
[0084]
具体的，由三角形荷载q1在煤层底板上引起的应力分量可以为：
[0085][0086]
其中，z为点m在z轴方向的坐标，σ
z1
为三角形荷载q1在点m处z方向上的应力分量，σ
x1
为三角形荷载q1在点m处x方向上的应力分量，τ
xz1
为三角形荷载q1在点m处的平面剪应力，
[0087]
由三角形荷载q2在煤层底板上引起的应力分量可以为用式(2-2)表示：
[0088][0089]
σ
z2
为三角形荷载q2在点m处z方向上的应力分量，σ
x2
为三角形荷载q2在点m处x方向上的应力分量，τ
xz2
为三角形荷载q2在点m处的平面剪应力，
[0090]
由三角形荷载q3在煤层底板上引起的应力分量可以用式(2-3)表示：
[0091][0092]
σ
z3
为三角形荷载q3在点m处z方向上的应力分量，σ
x3
为三角形荷载q3在点m处x方向上的应力分量，τ
xz3
为三角形荷载q3在点m处的平面剪应力，
[0093]
由三角形荷载q4在煤层底板上引起的应力分量可以用式(2-4)表示：
[0094][0095]
σ
z4
为三角形荷载q4在点m处z方向上的应力分量，σ
x4
为三角形荷载q4在点m处x方向上的应力分量，τ
xz4
为三角形荷载q4在点m处的平面剪应力，
[0096]
步骤s1032可以具体为：
[0097]
将空区的原岩应力简化为均布矩形荷载；
[0098]
根据煤层深度和岩体容重，计算底板重力在煤层底板上引起的第二应力分量。
[0099]
作为示例，可以将空区的原岩应力大小为γh的均布矩形荷载q5，因此，由原岩应力在煤层底板上引起的第二应力分量可以为：
[0100][0101]
其中，σ
z5
为均布矩形荷载q5在点m处z方向上的应力分量，σ
x5
为均布矩形荷载q5在点m处x方向上的应力分量，τ
xz5
为均布矩形荷载q5在点m处的平面剪应力，
[0102]
步骤s1033可以具体为：
[0103]
将承压水压力简化为半无限的均布荷载并获取承压水压力值；
[0104]
根据岩体位移建立体应变方程以及建立岩体位移的平衡方程；
[0105]
基于体应变方程和岩体位移的平衡方程，计算均布荷载在煤层底板上引起的第三应力分量。
[0106]
作为示例，参见图5所示，图5示出了本发明实施例提供的承压水压力影响下的煤层底板受力模型示意图。可以将承压水压力简化一无限宽广的均布荷载，即在xy平面无限延伸的均布荷载，该均布荷载的大小为p。在单独分析承压水压力对煤层底板产生的应力分量时，由于承压水只对煤层底板的承压水导升带产生影响，且初次来压期间工作面煤层底板产生的底鼓量相对于煤层底板的厚度而言较小，故可将煤岩交界处视为固定边界。因此，由均布荷载在煤层底板上引起的第三应力分量可以通过以下方法计算：
[0107]
由对称性得岩体位移：u
x
＝0，uy＝0，uz＝w(z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4-1)
[0108]
其中，ui(i＝x，y，z)表示岩体位移在i方向上的位移分量，w为自变量z的函数。
[0109]
根据岩体位移建立体应变方程：
[0110][0111]
建立岩体位移的平衡方程：
[0112][0113]
其中，g为剪切模量，λ为拉梅常数，fi为在i方向上的体力，在上式中为零。经过简化后可以得到w＝bz+a(4-4)，其中a、b为任意常数，基于式(4-2)和式(4-4)计算均布荷载在煤层底板上引起的第三应力分量，可以用式(4-5)表示为：
[0114][0115]
由边界条件[σ
zls
]
z＝h
＝-p，而在上式中σz为常量，可得σ
zls
＝-p，再将b解出代入式(4-5)求出a可以由[w]
z＝0
＝0求得。以压为正，得出承压水引起的煤层底板应力分量：σ
zls
＝p，τ
zxls
＝0。
[0116]
步骤s1034可以具体为，根据拉梅常数、煤层深度和岩体容重，计算底板重力在煤层底板上引起的第四应力分量，其中，底板重力在z方向上的应力分量σ
z6
为γ(h+z)，底板重力在x方向上的应力分量σ
x6
为λγ(h+z)。
[0117]
步骤s1035可以具体，根据以下表达式(5)计算总应力分量：
[0118][0119]
步骤s104可以具体为，基于底板总应力分量和coulomb修正破坏准则对煤层底板突水通道进行识别。具体的，煤层底板处存在拉应力，引入具有拉伸截断的coulomb修正破坏准则以便反映出岩石受拉应力破坏和剪应力破坏的特点，coulomb修正破坏准则可以表示为式(6)：
[0120][0121]
其中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，σ
t
为单轴抗拉强度，c为粘结力，为内摩擦角。σ1为最大主应力和σ3为最小主应力分别可以基于式(5)计算出的总应力分量通过以下
表达式得到：
[0122][0123][0124]
另外，可以运用加权平均法得出煤层底板的平均摩擦角和粘结力c，运用matlab给出不满足上式的σ3等值线图，即为底板破坏图。根据式(6)可以确定出煤层底板的应力分布规律以及最大应力，同时基于应力的等值线图，可以确定煤层底板的破坏深度以及破坏性质，从而识别出煤层底板的突水通道。
[0125]
步骤s104可以具体为：
[0126]
根据声发射图和应力云图对识别结果进行验证；
[0127]
在验证一致时，基于微震信号确定出突水通道的突水危险区。
[0128]
需要说明的是，在采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区之前，还可以包括：对应力波传播过程进行数值模拟，并输出声发射图和应力云图；以及，基于验证结果在巷道设置微震监测装置，以利用微震监测装置采集微震信号。
[0129]
参见图6所示，图6示出了本发明实施例提供的煤矿岩层的示意图。在本发明实施例中，可以对物理学性质相似的相邻岩层进行合并，建立煤矿工作面的开挖二维数值分析概化模型，以将其简化为平面应变问题。同时，设置边界条件并在奥灰岩层施加相应的水头，用于模拟承压水层水压，采用分布开挖模拟工作面推进。
[0130]
通过分析在动态开挖过程中煤层附近单元的剪应力及单元破坏情况，圈定底板拉伸破坏区域。另外，参见图7(1)至图7(3)所示，图7(1)示出了煤层底板的声发射示意图，图7(2)示出了煤层底板的声发射示意图中位于拉伸破坏区左侧剪切破坏区的局部放大图；图7(3)示出了煤层底板的声发射示意图中位于拉伸破坏区右侧剪切破坏区的局部放大图；通过数值模拟输出的声发射图分析底板破坏深度和破坏规律，还可以形象的反映出煤岩体发生拉剪破坏区分布，从而可以基于利用数值模拟得到的煤层底板破坏深度对识别出的煤层底板突水通道的相关参数进行验证。另外，根据应力云图还可以分析应力变化趋势。
[0131]
在验证一致时，可以将识别出的煤层底板突水通道作为重点区域，在重点区域设置微震监测装置，并利用微震监测装置采集微震信号，以进一步提高识别精度，准确确定出突水危险区。
[0132]
作为示例，参见图8所示，图8示出了用于实时监测煤层底板微破裂信息的微震监测系统，具体的，通过在巷道底板布置传感器接收煤岩体微破裂释放的微震信号，经电缆传输至paladin信号采集器，再经光纤传输将电信号转换为数字信号，储存在hyperion数据处理系统供现场人员进行数据分析及微震事件定位，可以通过互联网实施数据传输和交互。
[0133]
通过监测重点区域范围内煤岩体微破裂事件并对微震波形进行处理，可以宏观呈现出煤层底板微破裂时空分布特征，另外，通过结合微震事件矩阵级、微震事件密度等可以得到由微震事件反映的的底板破坏深度及破坏特征。
[0134]
作为另一示例，还可以统计微震事件p波与s波释放的能量比值(es/ep)的分布情
况，当es/ep》10时，微震事件由断层或剪切破坏诱导；当es/ep《3时，地震事件由非剪切类型破坏诱导；当3《es/ep《10时，微震事件由复合型破坏诱导，从而能够根据微震信号识别岩体破坏模式。
[0135]
在本发明实施例中，还可以进一步将利用微震监测装置获取到的底板破坏深度与利用数值模拟获取到的结果进行验证，以提高识别的精确度。
[0136]
另外，还可以将基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法获取到的底板破坏深度及破坏性质进行相互验证，并可以结合现场涌水量数据，验证结果的可信度，从而能够准确圈定出易形成突水通道的突水危险区，以有效的提供煤层底板加固方案。
[0137]
以上为本发明实施例提供的一种煤层底板突水识别方法，基于半无限理论建立煤层底板的受力简化模型，基于该受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板的底板总应力分量，有利于提高识别煤层底板突水通道的可靠性。另外，通过采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区，可以有效融合基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法的优势，提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
[0138]
具体实施例
[0139]
根据式(5)对承压水上开采煤层底板总应力分布进行理论计算，由董家河煤矿的地勘报告及相关资料可知，煤层深度355m，初步来压步距40m，弹性区长度15m，塑性区长度5m，底板厚度为30m，上覆岩土体平均容重24.5kn/m3，n取1.5。根据现场工程地质条件通过数学计算软件matlab得出煤层底板应力等值线图，具体请参见图9(1)至图9(3)所述，图9(1)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时垂直应力等值线图；图9(2)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时水平应力等值线图；图9(3)示出了本发明具体实施例提供的初次来压时剪切应力等值线图。
[0140]
煤层底板处存在拉应力，通过引入具有拉伸截断的coulomb修正破坏准则可以反映出煤层底板受拉应力破坏和剪应力破坏的特点。参见图10所示，图10示出了本发明具体实施例提供的底板破坏图，根据获取到的底板破坏图可以看出：破坏形式呈“倒马鞍形”，超前支撑压力下方煤层底板的破坏深度最大，达到11.0m。采空区下方1.7m以内的煤层底板发生的是拉伸破坏，使得煤层底板发生底鼓现象。采空区下方1.7m～3m发生剪切破坏，煤层底板下方5m至11m两侧形成剪切破坏圈，底板破坏深度增加，使得承压水容易从剪切破坏圈导升到底板端部，进而发生突水事故。
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结合数值模拟和微震监测再现底板煤岩体内部渐进破坏直至形成突水通道的演化过程及其应力分布特征：运用rfpa数值分析软件建立煤矿工作面开挖二维数值分析概化模型，模型长200m，高100m，模型共划分为400*200＝80000个单元，一个单元代表实际尺寸为边长0.5m的小正方形，具体可参见上述实施例一中的图6所示。边界条件为：两侧水平位移为0，可发生竖向位移，底板固定，上边界自由。荷载条件为上边界施加6.6mpa的竖向均布荷载，用于模拟上覆岩层的自重。将其简化为平面应变问题。为消除边界效应的影响，距右边界80m向左连续分步开挖，煤层厚度4m，一次采全高，第一步为上覆岩层自重应力计算过程，从第二步起，每步开挖10m，共计开挖4步。在奥灰岩层施加150m水头，用于模拟水压为
1.5mpa的承压水层。
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进一步地，分析在动态开挖过程中煤层附近单元的剪应力及单元破坏情况，具体可参见图11(1)至11(4)所示，图11(1)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼10m时对应的应力状态示意图；图11(2)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼20m时对应的应力状态示意图；图11(3)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼30m时对应的应力状态示意图；图11(4)示出了本发明具体实施例提供的工作面距开切眼40m时对应的应力状态示意图。随着工作面推进距离的增加(推进距离为0～30m时)，采空区的四个拐角及短边周围出现明显的应力集中，煤层底板只出现少量破坏深度较浅的裂缝，当工作面推进距离达到40m时，基本顶与直接顶之间出现离层且已经达到极限跨距发生断裂，初次来压形成。底板下方出现贯通裂缝并向下延伸，超前支撑效应显现。
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再通过数值模拟提供的声发射图分析底板破坏深度和破坏规律，声发射图可以形象的反映煤岩体发生拉剪破坏区分布，确定底板破坏深度。
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另一方面，构建用于对煤层底板微破裂信息实时监测的微震监测系统，在巷道底板布置传感器接收煤岩体微破裂释放的微震信号，经电缆传输至paladin信号采集器，再经光纤传输将电信号转换为数字信号，储存在hyperion数据处理系统供现场人员进行数据分析及事件定位，可以通过互联网实现数据传输和交互。
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以董家河煤矿典型工作面推进进度为例，选取2014年12月23日至2015年5月19日、点前距600m至1000m的底板微震事件进行分析，具体可参见图12所示，图12示出了本发明具体实施例提供的设置有微震监测装置的煤矿结构示意图。经统计，在这段时间内，微震系统在底板共监测到29个微震事件，其中在点前距600～1000m的范围内共有12个微震事件，均分布在承压含水层以上，初步判断截止到2015年5月19日并没有底板突水事件发生。
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参见图13所示，图13示出了本发明具体实施例提供的微震事件密度示意图，通过结合微震事件密度和矩阵级进行分析，在点前距726m左右微震事件较密集，表明该区域岩体微破裂聚集，有形成贯通裂缝的趋势。该区域内标高最低的微震事件矩震级较大，可以识别出该区域已经形成贯通裂缝。此外，通过esg软件提供的微震事件的定位信息得出该微震事件的标高为+221m，此处底板标高为+234m，取此微震事件与底板的标高之差为底板的最大破坏深度，得出破坏深度为13m。
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进一步，可以统计微震事件p波与s波释放的能量比值(es/ep)的分布情况，当es/ep≥10时，微震事件由断层或剪切破坏诱导；当es/ep≤3时，地震事件由非剪切类型破坏诱导；当3《es/ep《10时，微震事件由复合型破坏诱导。基于此，对点前距600m至1000m的底板微震事件的es/ep比值进行整理，可参见图14所示，图14示出了本发明具体实施例提供的微震事件的事件标高与es/ep比值关系示意图。标高在+230m～+250m范围内，大部分微震事件的es/ep≤3，这一范围内的煤层底板标高大约在+235m范围内，可以识别出煤层下5m的微震事件大部分是由拉伸破环诱导的，而在+205m～+220m范围内，微震事件es/ep≥10，可以识别出煤层下方15m以下的微震事件由剪切破坏诱导，其识别结果可以对基于岩层参数识别突水通道和基于数值模拟识别的方法进行验证。
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通过综合运用多方法优势融合识别底板破坏性质及破坏深度，需要进行的前期工作有：掌握矿区的典型特征，例如工程地质构造(断层、节理、岩性)、岩层物理力学参数、对水文地质条件进行勘察、布置微震传感器。其次，结合不同方法的优点，对底板破坏深度及
破坏特征进行分析。通过模型的简化，对开挖过程中初次来压时的底板总应力进行了求解，并对荷载的敏感性进行了分析，引入带有拉伸截断的coulomb修正破坏准则得出了底板的破坏深度及破坏性质，有利于提高识别的可靠性。通过结合数值模拟方法可以在模拟连续开挖的过程中，通过应力云图把握其应力变化趋势，结合声发射图对识别出的煤层底板突水通道进行验证，同时数值模拟的识别结果也可以作为微震事件定位精度的检验工具。而基于微震监测装置获取到的微震波形，可以探究微震活动的时空分布规律，还可通过微震事件的分布规律发现未被揭露的地质构造，以作为理论分析和数值模拟的补充。此外，还可以通过微震信息定位得到底板最大破坏深度，从而通过综合三种方法对识别出的底板破坏深度及破坏性质结果相互验证，进一步结合现场涌水量数据，可以提高识别精度，并有利于对底板突水灾害及时预警以及提供防治方案，具体可参见图15所示，图15示出了本发明实施例提供的一种优势融合的煤层底板突水识别方法示意图。
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虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。