【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地下工程动力灾害监测预警，尤其涉及一种煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法。
技术介绍
1、随开采深度增加，煤矿等地下工程受高应力环境影响，动力灾害成因复杂性增加，灾害发生频次和强度显著加强，造成巨大人员伤亡和财产损失，为开展动力灾害监测预警带来严峻的挑战。因此，准确高效的应力监测方法为全面了解灾害孕育过程、开展深部动力灾害有效防治并保障安全生产具有重要作用。
2、研究表明，地下工程动力灾害主要受地质结构、应力环境和岩体属性三个因素影响，在探明地质结构与岩体属性基础上，应力环境的全面综合感知可有效实现灾害的可靠性监测。目前地下工程应力场的可视化呈现技术主要由数值模拟、震动波ct反演、液压支架监测和应力监测等，数值模拟可实现全矿井大尺度应力场计算，震动波ct技术可利用震动波速场反演计算得到采区应力场，液压支架可实现对采场围岩应力结果直接显示，应力传感器能监测巷道围岩局部典型位置应力。
3、但上述不同方法对应力场反演的范围不同，不同尺度应力场对相同区域应力表征结果存在差异，且大尺度应力场反演往往会导致局部地质构造被概化，小尺度应力场无法全面反映不同作业阶段应力场力源演化过程。上述分析结果表明，现有地下工程采掘区域应力场结果受不同尺度监测结果影响较大，对应力监测数据分析不足，无法实现对动力灾害演化的有效把控。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，既能够解决大尺度应力场反演往所导致局部地质构造被概化的问题，又
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：
3、一种煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，包括：步骤(1)，建立矿井精细数值模型，利用地应力测试得到矿井煤岩体所受应力分量，模拟得到矿井尺度应力场σk(x,y,z)；步骤(2)，基于采掘区域布置的至少8个不共面微震传感器，利用围岩震动波波速场反演结果计算得到采区和采掘工作面尺度应力场σc(x,y,z)；步骤(3)，在超前回采工作面约20m、间隔约20m，或掘进工作面后方间隔约20m，总长度不少于200m范围内布置电震矢量监测仪，根据监测的矢量电磁辐射特征信号计算得到巷道围岩尺度应力场σg(x,y,z)；步骤(4)，在巷道壁面布置应力监测系统，采集巷道典型位置局部点的应力σh；步骤(5)，综合步骤(1)～(4)不同尺度应力场模拟或测试结果，计算得到矿井多尺度融合应力场；步骤(6)，根据多尺度融合应力场分布特征，判识和精准划分采掘区域围岩应力集中区。
4、示例性地，在步骤(1)中，所述模拟得到矿井尺度应力场σk(x,y,z)，包括：s11，根据工程地质资料，建立矿井精细化模型，结合地应力测试得到的各应力分量大小，数值模拟计算得到矿井模拟应力场；s12，利用多元线性回归方法，将实测应力分量作为自变量，计算应力分量作为因变量，不断修正数值模型的挤压与剪切边界，直至数值模拟结果与实测结果误差满足实际工程需求，据此得到矿井尺度应力场σk(x,y,z)。
5、示例性地，在步骤(2)中，所述得到采区与采掘工作面尺度应力场σc(x,y,z)，包括：s21，利用现场爆破获得采掘区域围岩初始速度v；s22，统计一定时间间隔t内监测区域微震事件，使所述间隔t内煤岩体破裂产生的微震射线实现采掘区域全覆盖，利用aic准则精确拾取有效震动波信号p波到时，则利用单纯形-双差联合定位方法实现煤岩破裂震源高精度定位；s23，基于步骤s21和步骤s22所得到的采掘区域围岩初始速度v与各微震事件绝对到时、震源位置及微震传感器空间布设坐标信息，利用sirt算法对监测区域煤岩体震动波速进行不断迭代解算，直至时间残差满足工程需求，计算得到震动波速场vc(x,y,z)，迭代过程如下：
6、
7、式中，与为不同迭代次数后的慢度向量，n为方程数量，m为参数数量，lij为第j个震源中第i条射线的距离；s24，基于震动波速与应力函数关系计算得到采区与采掘工作面尺度应力场σc(x，y,z)，表达式如下：
8、
9、式中，λ和a为矿井常数值。
10、示例性地，在步骤(3)中，所述得到巷道围岩尺度应力场σm(x,y，z)，包括：s31，统计分析巷道围岩不低于10个测点大于7天电磁辐射频次平均值nd与强度平均值ed；s32，统计分析与电磁辐射测点相同位置相同时间范围内应力传感器所测围岩平均应力值σh；s33，根据电磁辐射信号特征参数与围岩应力的正相关关系，建立围岩应力σh分别与电磁辐射频次nd与强度ed的函数关系，如下所示：
11、
12、其中，kdp为电磁辐射频次与应力相关系数，kdn为电磁辐射强度与应力相关系数，kdp、kdn、α和ζ为涉及煤岩体弹性模量与应变的参量，据此得到电磁辐射频次对巷道围岩表征应力场为σp(x，y，z)，电磁辐射强度对巷道围岩表征应力场为σn(x，y,z)，s34，根据电磁辐射频次与强度分别对煤岩体应力表征效能，得到巷道围岩应力场σm(x,y，z)，表达式如下：
13、σm(x,y,z)＝l1σp(x,y,z)+l2σn(x,y,z)
14、其中，l1和l2分别为电磁辐射频次与强度在σm(x,y,z)中的权重。
15、示例性地，在步骤(4)中，所述应力监测系统包括三向应力传感器，并且根据所述三向应力传感器的正应力值、钻孔方位角及倾角求解出待测区域三维应力σ1、σ2、σ3的大小及方向。
16、示例性地，在步骤(5)中，所述得到矿井多尺度融合应力场包括：s71，针对不同尺度应力场数据离散间距的差异，利用克里金方法对不同尺度应力场数据进行网格化处理，以实现不同尺度数据网格统一；s72，以巷道围岩尺度应力场σm(x,y,z)数据为校正基准，对矿井尺度应力场σk(x，y，z)和采区与采掘工作面尺度应力场σc(x,y,z)进行回归分析校准不同尺度应力场基准差，降低数据重复区域及边界区域出现的局部梯度应力变化，令σk(x，y,z)为σa，σc(x,y,z)为σb，σm(x，y，z)为σd，回归方程如下所示：
17、
18、其中，β0、β1，…，βn为回归方程参数，利用最小二乘法估计得到，σεa和σεb为不同尺度应力场之间的随机误差项；s73，在步骤s71统一网格和步骤s72统一基准差基础上，以减少“小尺度、高精度”数据损失为准则，对不同尺度应力场数据进行加权计算，得到多尺度融合应力场σo(x,y,z)。
19、示例性地，在步骤s73中，分别令矿井尺度应力场σk(x,y,z)权重为k1，采区和采掘工作面尺度应力场σc(x，y,z)权重为k2，巷道围岩尺度应力场σm(x,y,z)权重为k3，且满足k3＞k2＞k1，据此，不同尺度融合应力场σo(x，y，z)计算式表达为如下形式：
20、σo(x，y，z)＝k1σk(x,y,z)+k2σc(x,本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述模拟得到矿井尺度应力场σk(x,y,z)，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述得到采区与采掘工作面尺度应力场σc(x,y,z)，包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述得到巷道围岩尺度应力场σm(x,y,z)，包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述应力监测系统包括三向应力传感器，并且根据所述三向应力传感器的正应力值、钻孔方位角及倾角求解出待测区域三维应力σ1、σ2、σ3的大小及方向。
6.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述得到矿井多尺度融合应力场包括以下步骤：
7.
8.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述判识和精准划分采掘区域围岩应力集中区包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤S62中，所述不同等级应力集中区的划分包括：
...【技术特征摘要】
1.一种煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述模拟得到矿井尺度应力场σk(x,y,z)，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述得到采区与采掘工作面尺度应力场σc(x,y,z)，包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述得到巷道围岩尺度应力场σm(x,y,z)，包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的煤矿多尺度应力场联合监测与耦合分析方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述应力监测系统包括三向应力传感器，并且根据所述三向应力传感器的正应力值、钻孔方位角及倾角求解出待测区域三维应力σ1、σ2、σ3的大...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋大钊，王恩元，何学秋，李忠辉，李楠，刘晓斐，沈荣喜，李振雷，申峰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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