一种顶板型矿震临界工作面确定方法

本发明属于煤矿矿震与冲击地压，具体涉及一种顶板型矿震临界工作面确定方法。

背景技术：

1、顶板型矿震(以下简称矿震)和冲击地压已经成为煤炭深部开采中面临的主要灾害之一。

2、其中：

3、顶板型矿震是矿山开采过程中顶板岩层破断或滑移诱发的地震。

4、冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，顶板型矿震是冲击地压发生的重要原因。研究表明，对某个采区而言，存在一个工作面，该工作面开采过程中，顶板型矿震数量和能量均明显升高，这个工作面被称作顶板型临界工作面。

5、目前，对临界工作面的确定主要是基于传统的岩层控制关键层理论，着重考虑了岩层破断这一因素；而常用的微震监测法不具有先发性，需要积累大量矿震数据后才能确定临界工作面。

6、因此本发明提出一套理论确定顶板型矿震临界工作面的流程，基于矿震关键层理论，综合考虑岩层破断、能量释放和采空区尺寸等因素，可在开采前确定不同地质和开采条件下某一给定采区内顶板型矿震发生的临界工作面。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种顶板型矿震临界工作面确定方法，综合考虑了岩层破断、能量释放和采空区尺寸等因素，可预先确定采区内的顶板型矿震临界工作面，为矿震和冲击地压防治提供理论指导。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、一种顶板型矿震临界工作面确定方法，包括以下步骤：

4、步骤一：明确需要分析的采区，根据开采设计，确定采区内工作面的开采顺序、各工作面的倾向宽度和总工作面数目x；

5、步骤二：选取采区内具有代表性的钻孔柱状图，基于岩层控制关键层理论，确定煤层上方关键层层位分布，关键层数目记为k；

6、步骤三：确定采区内主矿震关键层层位，具体步骤如下：

7、a)令y＝0，e0＝0；

8、b)令y＝y+1，从煤层上方开始，计算第y层关键层的弯曲能量指数ey，计算公式如下：

9、

10、式中，ey为第y层关键层的弯曲能量指数，单位为j；rt-y为第y层关键层的抗拉强度，单位为pa；hy为第y层关键层的厚度，单位为m；qy为第y层关键层单位面积所承受的载荷，单位为pa；ey为第y层关键层的弹性模量，单位为pa；

11、c)判断第y层关键层下方是否存在自由空间；

12、如果存在自由空间，则进入下一步；

13、如果不存在自由空间，则给出结论：第y层关键层不是主矿震关键层，判断准则如下：

14、根据下式，当hz大于0时，表明第y层关键层下方存在自由空间；当hz小于或等于0时，表明第y层关键层下方不存在自由空间；

15、hz＝hc-hs×ξs ②

16、hc＝hm+hv ③

17、式中，hz为第y层关键层下方自由空间高度，单位为m；hc为工作面等效采出高度，单位为m；hm为工作面煤层高度，单位为m；hv为工作面开采后直接顶随垮高度，单位为m；hs为顶板岩层碎胀区高度，单位为m；ξs为顶板岩层残余碎胀系数；

18、d)判断第y层关键层弯曲能量指数ey是否大于第y-1层关键层弯曲能量指数ey-1；

19、如果ey大于或等于ey-1，则给出结论：第y层关键层是主矿震关键层，并且第y-1层关键层不是主矿震关键层；如果ey小于ey-1，则给出结论：第y层关键层不是主矿震关键层；

20、e)判断y是否小于k；

21、如果y小于k，则返回至(b)；如果y不小于k，则判别完毕，给出对应结果；

22、步骤四：令m＝0；

23、步骤五：令m＝m+1；

24、步骤六：判断第m个工作面开采后，主矿震关键层是否发生破断；

25、如果主矿震关键层发生破断，那么该破断过程中将产生大量的拉伸和剪切破坏，导致顶板型矿震频次和能量骤增，因此给出结论：第m个工作面是临界工作面；

26、如果主矿震关键层没有发生破断，则给出结论：第m个工作面不是临界工作面；

27、主矿震关键层发生破断的判断准则如下：主矿震关键层剩余悬露长度lkmis大于0且主矿震关键层下方剩余自由空间hkmis大于0；

28、其中：

29、

30、式中，lkmis为主矿震关键层剩余悬露长度，单位为m；lw为采空区宽度，单位为m；hcoal为煤层埋深，单位为m；hr为主矿震关键层埋深，单位为m；α为顶板岩层破断角，单位为°；hn为主矿震关键层的厚度，单位为m；rt-n为主矿震关键层的抗拉强度，单位为pa；qn为主矿震关键层单位面积所承受的载荷，单位为pa；

31、

32、hkmis＝hzy-ωmax ⑥

33、式中，ωmax为特定采空区条件下主矿震关键层最大挠度，单位为m；qn为主矿震关键层单位宽度所承受的载荷，单位为pa；lw为采空区宽度，单位为m；hcoal为煤层埋深，单位为m；hr为主矿震关键层埋深，单位为m；α为顶板岩层破断角，单位为°；e为主矿震关键层弹性模量，单位为pa；i为主矿震关键层惯性矩，单位为m4；qn为主矿震关键层单位长度所承受的载荷，单位为n/m；hkmis为主矿震关键层剩余自由空间，单位为m；hzy为第y层关键层下方自由空间高度，单位为m。

34、本发明取得的技术效果为：

35、本发明的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，综合考虑岩层破断、弯曲变形能和采空区范围等因素，可以对不同的地质和开采条件下采区内顶板型矿震临界工作面进行精准识别，为煤矿现场矿震和冲击地压防控目标工作面的确定提供理论指导。应用本方法后，根据煤层开采设计方案，即可在采区和工作面开采前确定顶板型矿震临界工作面，进而对灾害防治工程资源进行合理规划和优化配置。可大幅减少防治工程设计的盲目性，提高矿震和冲击地压防治的科学性和有效性。

36、本发明的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，判断第m个工作面是临界工作面或不是临界工作面，对不同的地质和开采条件下采区内顶板型矿震临界工作面进行识别的准确性高。

37、本发明的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，判断主矿震关键层剩余自由空间及关键层下方自由空间高度，给予更精确的指导。

38、本发明的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，可以在采区开采前精准确定临界工作面，进而指导开展灾害治理工程，使得煤矿矿震和冲击地压的防治工作更加突出重点，有的放矢。

技术特征：

1.一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤三具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤s3中不存在自由空间，则给出结论：第y层关键层不是主矿震关键层，判断准则如下：

4.根据权利要求2所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤s4中ey大于或等于ey-1，则给出结论：第y层关键层是主矿震关键层，并且第y-1层关键层不是主矿震关键层。

5.根据权利要求2所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤s4中ey小于ey-1，则给出结论：第y层关键层不是主矿震关键层。

6.根据权利要求2所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤s5中y小于k，则返回至所述步骤s2。

7.根据权利要求2所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤s5中y不小于k，则判别完毕，给出对应结果。

8.根据权利要求1所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤六中主矿震关键层发生破断，该破断过程中产生拉伸和剪切破坏，导致顶板型矿震频次和能量骤增，因此给出结论：第m个工作面是临界工作面；

9.根据权利要求1所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述主矿震关键层没有发生破断，则给出结论：第m个工作面不是临界工作面。

10.根据权利要求1所述的一种顶板型矿震临界工作面确定方法，其特征在于：所述步骤六中定义ωmax为特定采空区条件下主矿震关键层最大挠度，如下式所示：

技术总结本发明属于煤矿矿震与冲击地压技术领域，具体涉及一种顶板型矿震临界工作面确定方法，包括以下步骤：步骤一：明确采区，确定采区内工作面的开采顺序、各工作面的倾向宽度和总工作面数目x；步骤二：选取采区内具有代表性的钻孔柱状图，基于岩层控制关键层理论，确定煤层上方关键层层位分布，关键层数目记为k；步骤三：确定采区内主矿震关键层层位；步骤四：令m＝0；步骤五：令m＝m+1；步骤六：判断第m个工作面开采后，主矿震关键层发生破断或未发生破断。本发明综合考虑了岩层破断、能量释放和采空区尺寸等因素，可预先确定采区内的顶板型矿震临界工作面，为矿震和冲击地压防治提供理论指导。技术研发人员：曹晋荣,窦林名,何江,巩思园,韩泽鹏,柴彦江,田鑫元,卢方舟,李浩丙受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20