基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法和系统，包括：选定应力场探测区域，绘制波速异常系数ξ分布云图，基于区域煤层波速与应力关系，获取区域应力异常系数β分布；基于掘进计划确定不同位置迎头处β，记为β1；建立迎头前方考虑非掘进扰动应力异常集中的含瓦斯煤层力学模型，获得迎头前方最大扰动长度，记为l

【技术实现步骤摘要】
基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及煤与瓦斯突出矿井安全开采和瓦斯防治
，特别是指一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法及系统。

技术介绍

[0002]煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产的主要煤岩动力灾害之一。瓦斯防治主要通过瓦斯抽采或卸压增透抽采瓦斯、降低瓦斯压力的方法进行防治。但随着煤矿开采深度的增加，地应力对煤与瓦斯突出灾害发生的影响愈发严重，低瓦斯情况下发生煤与瓦斯突出的突出事故逐渐增多，严重影响煤矿安全生产和社会稳定。
[0003]煤与瓦斯突出危险预测对于瓦斯灾害防控至关重要。传统的煤与瓦斯突出危险预测主要通过施工超前钻孔，分析钻屑相关指标如钻屑瓦斯解吸指标K1、钻屑量S值和钻屑瓦斯解析量Δh2等指标进行预测，但上述方法、指标均属于点监测，且指标敏感性波动大，受人为因素影响较大，工程量大。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法及系统。所述技术方案如下：
[0005]一方面，提供了一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法，该方法包括：
[0006]S1、选定应力场探测区域，绘制所述区域的波速异常系数ξ分布云图，分析区域波速异常分布区，基于区域煤层波速与应力关系，获取区域应力异常系数β分布；
[0007]S2、基于掘进计划，确定不同位置迎头处β，记为β1；
[0008]S3、建立迎头前方考虑非掘进扰动应力异常集中的含瓦斯煤层力学模型，根据所述力学模型获得迎头前方最大扰动长度，记为l
max
，确定迎头前方l
max
范围内的最大β，记为β2；
[0009]S4、将所述β1、β2代入所述力学模型，计算对应的塑性区长度x
p
；
[0010]S5、将所述β1、β2、x
p
和日计划进尺L代入突出危险程度R值计算公式，确定迎头掘进至不同位置时发生突出灾害的危险等级；
[0011]S6、根据所述危险等级确定日最大安全进尺，调整进尺计划或采取防治措施。
[0012]可选地，所述S1，具体包括：
[0013]基于所述区域内监测到的微震数据，开展震动波层析成像反算，绘制波速异常系数ξ分布云图，根据所述ξ分布云图分析区域波速异常分布区；
[0014]通过对煤层标准式样单轴加载波速测试实验结果线性拟合得到区域煤层波速与应力关系κ，区域应力异常系数β＝κξ，获取区域应力异常系数β分布。
[0015]可选地，所述S3中的力学模型如下：
[0016]原岩应力区：
[0017][0018]式中，σ
x
为水平方向应力，MPa；σ
y
为垂直方向应力，MPa；q为煤体承受垂直上覆荷载；β2为迎头前方l
max
范围内最大β值；p0为初始瓦斯压力，MPa；α是有效应力系数；λ为侧压系数；
[0019]弹性区应力：
[0020][0021]式中，x为距迎头距离；B为待定系数；
[0022]塑性区应力：
[0023][0024]式中，f为顶底板与煤体的摩擦系数，其值为式中，f为顶底板与煤体的摩擦系数，其值为为煤层内摩擦角；c0为内聚力，
[0025]可选地，所述S4具体包括：
[0026]联立塑性区和弹性区在x
p
处的σ
x
和σ
y
，化简求解，得到x
p
计算公式如下：
[0027][0028]其中：
[0029][0030]令：将求解得到的x
p
分别代入弹性区和塑性区的σ
x
，联立化简，求解得到待定系数B为：
[0031][0032]可选地，所述S5，具体包括：
[0033]R值计算公式如下：
[0034][0035]式中：E为煤岩的弹性模量，MPa；μ为泊松比；s
b
为新增的比表面积，cm2/g；M为瓦斯气体分子质量，kg/kmol；η为瓦斯含量系数，m3/(t
·
MPa
0.5
)；R
g
为瓦斯气体常数，kJ/(kg
·
K)；p
x
为距离煤壁x处的瓦斯压力，MPa；p1为井下大气压力，MPa；ν
m
为标况下瓦斯的摩尔体积，m3/kmol；T为瓦斯膨胀前的温度，K；n为瓦斯气体多变指数；ρ为煤的密度t/m3；v为煤粉被抛出时所具有的速度，m/s，A＝(1+β2q/λ)；
[0036]将β1、β2、x
p
、日计划进尺L和常数参量代入R值计算公式，计算R值大小，确定掘进巷道迎头前方发生突出风险的危险等级，当R＜0.65时为弱危险等级，0.65≤R＜0.9时为中等危险等级，0.9≤R＜1时为较强危险等级，R≥1时为强危险等级。
[0037]另一方面，提供了一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测系统，所述系统包括：
[0038]获取模块，用于选定应力场探测区域，绘制所述区域的波速异常系数ξ分布云图，分析区域波速异常分布区，基于区域煤层波速与应力关系，获取区域应力异常系数β分布；
[0039]第一确定模块，用于基于掘进计划，确定不同位置迎头处β，记为β1；
[0040]建立模块，用于建立迎头前方考虑非掘进扰动应力异常集中的含瓦斯煤层力学模型，根据所述力学模型获得迎头前方最大扰动长度，记为l
max
，确定迎头前方l
max
范围内的最大β，记为β2；
[0041]计算模块，用于将所述β1、β2代入所述力学模型，计算对应的塑性区长度x
p
；
[0042]第二确定模块，用于将所述β1、β2、x
p
和日计划进尺L代入突出危险程度R值计算公式，确定迎头掘进至不同位置时发生突出灾害的危险等级；
[0043]调整模块，用于根据所述危险等级确定日最大安全进尺，调整进尺计划或采取防治措施。
[0044]可选地，所述获取模块，具体用于：
[0045]基于所述区域内监测到的微震数据，开展震动波层析成像反算，绘制波速异常系数ξ分布云图，根据所述ξ分布云图分析区域波速异常分布区；
[0046]通过对煤层标准式样单轴加载波速测试实验结果线性拟合得到区域煤层波速与应力关系κ，区域应力异常系数β＝κξ，获取区域应力异常系数β分布。
[0047]可选地，所述力学模型如下：
[0048]原岩应力区：
[0049][0050]式中，σ
x
为水平方向应力，MPa；σ
y
为垂直方向应力，MPa；q为煤体承受垂直上覆荷载；β2为迎头前方l
max
范围内最大β值；p0为初始瓦斯压力，MPa；α是有效应力系数；λ为侧压系数；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测方法，其特征在于，所述方法包括：S1、选定应力场探测区域，绘制所述区域的波速异常系数ξ分布云图，分析区域波速异常分布区，基于区域煤层波速与应力关系，获取区域应力异常系数β分布；S2、基于掘进计划，确定不同位置迎头处β，记为β1；S3、建立迎头前方考虑非掘进扰动应力异常集中的含瓦斯煤层力学模型，根据所述力学模型获得迎头前方最大扰动长度，记为l
max
，确定迎头前方l
max
范围内的最大β，记为β2；S4、将所述β1、β2代入所述力学模型，计算对应的塑性区长度x
p
；S5、将所述β1、β2、x
p
和日计划进尺L代入突出危险程度R值计算公式，确定迎头掘进至不同位置时发生突出灾害的危险等级；S6、根据所述危险等级确定日最大安全进尺，调整进尺计划或采取防治措施。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1，具体包括：基于所述区域内监测到的微震数据，开展震动波层析成像反算，绘制波速异常系数ξ分布云图，根据所述ξ分布云图分析区域波速异常分布区；通过对煤层标准式样单轴加载波速测试实验结果线性拟合得到区域煤层波速与应力关系κ，区域应力异常系数β＝κξ，获取区域应力异常系数β分布。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的力学模型如下：原岩应力区：式中，σ
x
为水平方向应力，MPa；σ
y
为垂直方向应力，MPa；q为煤体承受垂直上覆荷载；β2为迎头前方l
max
范围内最大β值；p0为初始瓦斯压力，MPa；α是有效应力系数；λ为侧压系数；弹性区应力：式中，x为距迎头距离；B为待定系数；塑性区应力：式中，f为顶底板与煤体的摩擦系数，其值为式中，f为顶底板与煤体的摩擦系数，其值为为煤层内摩擦角；c0为内聚力，4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S4具体包括：联立塑性区和弹性区在x
p
处的σ
x
和σ
y
，化简求解，得到x
p
计算公式如下：
其中：令：将求解得到的x
p
分别代入弹性区和塑性区的σ
x
，联立化简，求解得到待定系数B为：5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S5，具体包括：R值计算公式如下：式中：E为煤岩的弹性模量，MPa；μ为泊松比；s
b
为新增的比表面积，cm2/g；M为瓦斯气体分子质量，kg/kmol；η为瓦斯含量系数，m3/(t
·
MPa
0.5
)；R
g
为瓦斯气体常数，kJ/(kg
·
K)；p
x
为距离煤壁x处的瓦斯压力，MPa；p1为井下大气压力，MPa；ν
m
为标况下瓦斯的摩尔体积，m3/kmol；T为瓦斯膨胀前的温度，K；n为瓦斯气体多变指数；ρ为煤的密度t/m3；v为煤粉被抛出时所具有的速度，m/s，A＝(1+β2q/λ)；将β1、β2、x
p
、日计划进尺L和常数参量代入R值计算公式，计算R值大小，确定掘进巷道迎头前方发生突出风险的危险等级，当R＜0.65时为弱危险等级，0.65≤R＜0.9时为中等危险等级，0.9≤R＜1时为较强危险等级，R≥1时为强危险等级。6.一种基于应力场探测的煤巷掘进突出危险预测系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋大钊，赵英杰，邱黎明，何学秋，李振雷，朱熠，彭玉杰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：