CN117605536A - 一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法,包括以下步骤:S1布设离散应力测点:顺槽开拓阶段在煤壁侧布置离散应力监测测孔进行应力监测;S2布设主动光纤震动传感探头:在已开拓巷道布置主动光纤震动传感探头,接收未开拓巷道掘进过程中主动激发产生的震动波;S3布设被动光纤震动传感探头:在工作面推进前,在工作面附近巷道布置被动光纤震动传感探头;S4信息的采集与传输;S5工作面三维应力场反演:通过接收工作面推进过程中产生的微震信号与散点应力监测数据修正应力场反演结果,绘制工作面动态三维应力场;本申请实现了深部高应力工作面应力场准确反演并实现了对工作面应力场实时监测。
Description
技术领域
本申请涉及煤矿工作面应力场监测领域,尤其涉及一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法。
背景技术
经过多年开发,我国煤炭开采逐渐向深部延伸。随着深度的增加,深部矿区普遍赋存高应力。历经多次地质作用,深部巷道围岩普遍软弱破碎。高应力与围岩软弱破碎矛盾突出,致使深部煤炭资源开采时极易发生矿震频发与顶板灾害,严重阻碍煤炭资源开采与智能化推进。
通过对深部巷道工作面应力状态的测试,可以获得工作面的应力状态,及时调整支护强度和推进速度,以保证煤炭资源的安全高效开采。目前的应力测试方法主要包括水压致裂法、应力解除法和流变应力恢复法。而这些应力测试方法多以点测量为主,难以全面反映工作面的三维应力状态。
在顺槽巷道开拓及工作面推进过程中会人为(放炮)或自然(矿震)产生震动波,通过布置接收装置采集这些震动波,而不同围岩状态中的震动波传播速度存在差异,凭此可以对工作面煤壁状态进行反演。进一步通过对每个微震事件的震源机制进行分析,基于阻尼应力反演方法可以得到工作面的三维应力状态。虽然通过反演计算得到较为全面的工作面应力状态,但受现场地质环境与工程施作的影响,得到的应力场反演结果往往置信程度较低,难以对现场生产、支护提供较为有效的指导。
发明内容
为了解决上述问题,本申请实施例提供了一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法,可以准确指导工作面推进过程中的支护、推进速度,有效避免高应力环境下矿震频发与顶板灾害,保证深部高应力煤炭资源地安全高效生产,所述技术方案如下:
本申请提供一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法,包括以下步骤:
S1布设离散应力测点:顺槽开拓阶段在煤壁侧布置离散应力监测测孔进行应力监测;
S2布设主动光纤震动传感探头:在已开拓巷道布置主动光纤震动传感探头,接收未开拓巷道掘进过程中主动激发产生的震动波;
S3布设被动光纤震动传感探头:在工作面推进前,在工作面附近巷道布置被动光纤震动传感探头,接收工作面推进过程中自发产生的震动波;
S4信息的采集与传输:使用光纤连接线将离散应力监测测点与链接有主、被动光纤震动传感探头的光纤微震监测***连接至井下以太网交换机,并通过信号传输线连接至井上终端设备进行信息的储存;
S5工作面三维应力场反演:以离散应力测点所测得的应力值作为约束条件,利用采集的主动激发的微震数据对工作面应力场进行静态反演;通过接收工作面推进过程中产生的微震信号与散点应力监测数据变化修正应力场反演结果,绘制工作面动态三维应力场。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S1中离散应力测试采用流变应力恢复法,使用六向压力传感器对工作面应力绝对值进行监测。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S1中离散应力测点布置于顺槽巷道煤壁工作面一侧,测孔水平间距200m,测孔深度依次为0.75、0.5、0.25倍工作面宽度,测孔孔径不小于110mm;当遭遇特殊地质构造时,在特殊地质构造周围布置额外应力测点。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S2中,主动光纤震动传感探头间距10m,主动波激发点间距8m,采集未开拓巷道掘进时主动激发的微震波速数据。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,通过采集主动激发的微震波速数据对并以流变应力恢复法测得的工作面绝对应力值作为边界条件对工作面静态应力场进行反演分析,获得应力场初始应力分布情况。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,对震动接收点接收到的震动波形进行预处理及初至拾取,随后建立初始速度模型,反演三维速度体结果,以散点应力监测值作为边界条件对工作面开挖前三维静态应力状态进行反演分析。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S3中,随着工作面往前推进,被动光纤震动传感探头采集工作面顶板及围岩产生的微震数据。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,通过采集震动波射线路径时间与速度散点,构建网格并将射线绘制于网格内,绘制出射线分布密度图与波速分布云图。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S4中,六向压力传感器通过光纤传输线连接至光纤解调仪,随后连接至井下以太网交换机,主动光纤震动传感探头和被动光纤震动传感探头通过光纤连接线连接至复合微震调制解调仪器,并共同连接至以太网交换机,随后通过信号传输线与地面监测终端相连,实现应力、微震信号一体化监测与信号存贮。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,所述S5中工作面动态三维应力场反演方法为:基于波速分布云图,结合主动微震反演分析获得的结果获得工作面推进过程中的应力场变化情况,并通过离散应力测点所测得的绝对应力值修正应力场反演情况,最终获得工作面推进过程中工作面三维应力场动态反演结果。
本申请一些实施例提供的一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法带来的有益效果为:本申请通过震动波主动CT,并以离散应力测点所测得的应力绝对值作为边界条件,通过反演分析可以获得工作面静态三维应力状态。通过震动波被动CT采集工作面推进过程中产生的微震波速数据,结合离散应力测点数据,修正对工作面推进过程中的动态三维应力状态。本申请结合了离散测点与震动波反演分析的优势,在完整反映工作面应力场的基础上借由离散应力数据标定并修正反演结果,能够实现对工作面应力状态准确、全面、实时的应力状态监测,在此基础上,可以准确指导工作面推进过程中的支护、推进速度,有效避免高应力环境下矿震频发与顶板灾害,保证深部高应力煤炭资源地安全高效生产。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的深部煤矿工作面应力场反演分析方法流程图;
图2是本申请的首条顺槽掘进时离散应力测点布置图;
图3是本申请的流变应力恢复法扰动应力恢复曲线图;
图4是本申请的主动微震监测布置示意图;
图5是本申请的主动微震监测应力场反演分析流程图;
图6是本申请的被动微震监测布置示意图;
图7是本申请的被动微震监测应力场反演分析流程图;
图8是本申请的工作面应力、微震信号一体化监测***图;
图9是本申请的工作面动态三维应力场反演结果示意图及剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
除非另外定义,本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
本申请提供一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法,如图1所示,按施工时间顺序包括以下步骤:
S1布设离散应力测点:顺槽开拓阶段在煤壁侧布置离散应力监测测孔进行应力监测;
S2布设主动光纤震动传感探头:在已开拓巷道布置主动光纤震动传感探头,接收未开拓巷道掘进过程中主动激发产生的震动波;
S3布设被动光纤震动传感探头:在工作面推进前,在工作面附近巷道布置被动光纤震动传感探头,接收工作面推进过程中自发产生的震动波;
S4信息的采集与传输:使用光纤连接线将离散应力监测测点与链接有主、被动光纤震动传感探头的光纤微震监测***连接至井下以太网交换机,并通过信号传输线连接至井上终端设备进行信息的储存;
S5工作面三维应力场反演:以离散应力测点所测得的应力值作为约束条件,利用采集的主动激发的微震数据对工作面应力场进行静态反演;通过接收工作面推进过程中产生的微震信号与散点应力监测数据变化修正应力场反演结果,绘制工作面动态三维应力场。
本申请的深部煤矿工作面应力场反演分析方法,通过在顺槽开拓阶段布置离散应力测点与震动波主动CT监测设备,以离散点应力监测结果作为边界条件进行应力场反演获得工作面静态三维应力场;在工作面推进阶段,布置震动波被动CT监测设备,通过离散应力监测值修正获得动态三维应力场。本申请实现了深部高应力工作面应力场准确反演并实现了对工作面应力场实时监测。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,如图2所示,在首条顺槽开拓阶段,随着顺槽开拓在工作面一侧布置离散应力测点。
具体地,离散应力测试采用流变应力恢复法,测孔水平间距为200m,测孔深度依次为0.75、0.5、0.25倍工作面宽度,测孔孔径不小于110mm。六向应力传感器置于测孔深处,用于监测此处绝对应力变化。当遭遇特殊地质构造(例如,断层)时,需在其周围布置额外测孔并安装额外的六向应力传感器,以此来监测特殊地质构造周围的应力变化情况。
本申请的首条顺槽掘进时离散应力测点布置图如图2所示,图2中,1-1为工作面,1-2为工作面中的断层,1-3为首掘顺槽,1-4为开切眼,1-5为后掘顺槽,2-1为离散应力测孔,2-2为六向应力传感器,2-3为断层处补充离散应力测孔,2-4为断层处补充六向应力传感器。
在实际监测中可以得到测点围岩绝对应力值变化曲线,如图3所示为扰动应力测试曲线,图3中,3-3为应力恢复阶段,3-4为扰动增强阶段,3-5为屈服阶段,3-6为扰动应力峰值。在工作面尚未推进时,应力恢复曲线表现为先快后慢逐渐向绝对应力逼近。当工作面推进产生的扰动影响至传感器时,应力扰动曲线可分为应力恢复阶段、扰动增强阶段和屈服阶段,其中扰动增强与屈服阶段的分界点为扰动峰值点。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,如图4所示,所述震动波主动CT应力场反演分析中,在首掘顺槽布置主动微震接收设备,主动微震接收设备采用光纤震动传感探头,接收后掘顺槽掘进过程中放炮点产生的震动波。震动接收点间距10m,主动波激发点(放炮点)间距8m,采集未开拓巷道掘进时主动激发(放炮)的微震波速数据。
图4是本申请的主动微震监测布置示意图,图4中,4-1为主动光纤震动传感探头,4-2为震动波激发点,4-3为主动波路径。
在具体实例中,通过采集主动激发的微震波速数据对并以流变应力恢复法测得的工作面绝对应力值作为边界条件对工作面应力场进行反演分析,获得应力场初始应力分布情况,如图5所示,图5是本申请的主动微震监测应力场反演分析流程图,图5中5-1为波形预处理及初至拾取,5-2为建立初始速度模型,5-3为三维速度体反演结果。
具体地,对震动接收点接收到的震动波形进行预处理及初至拾取,随后建立初始速度模型,反演三维速度体结果,以散点应力监测值作为边界条件对工作面开挖前静态三维应力状态进行反演分析。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,如图6所示,震动波被动CT应力场反演分析中,被动光纤微震接收设备采用光纤震动传感探头,随着工作面往前推进,工作面顶板及围岩产生的微震数据被布置于工作面周围的被动光纤震动传感探头采集。具体地,被动光纤震动传感探头较为散乱得布置于工作面各个方向,进而从不同方向采集工作面开采过程中产生的微震信号。图6是本申请的被动微震监测布置示意图,图6中:6-1为被动光纤震动传感探头,6-2为微震发生点,6-3为被动波路径。
如图7所示,通过采集震动波射线路径时间与速度散点,构建网格并将射线绘制于网格内,绘制出射线分布密度图与波速分布云图。图7是本申请的被动微震监测应力场反演分析流程图;图7中,7-1为射线路径时间与速度散点,7-2为射线覆盖与网格划分,7-3为射线分布密度,7-4为波速分布云图。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,如图8所示,工作面应力、微震信号一体化监测***具体为:六向压力传感器通过光纤传输线连接至光纤解调仪,随后连接至井下以太网交换机。主动光纤震动传感探头和被动光纤震动传感探头通过光纤连接线连接至复合微震调制解调仪器,并共同连接至以太网交换机,随后通过信号传输线与地面监测终端相连,实现应力、微震信号一体化监测与信号存贮。
图8是本申请的工作面应力、微震信号一体化监测***图;图8中:8-1为应力传感器球形外壳,8-2为压力感应点,8-3为信号传输杆,8-4为光纤传输线,8-5为光纤解调仪,8-6为主动光纤震动传感探头,8-7为被动光纤震动传感探头,8-8为复合微震调制解调仪器,8-9为以太网交换机,8-10为信号传输线,8-11为信号采集终端。
例如,在一个实施例提供的所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,工作面动态三维应力场反演方法具体为:基于波速分布云图,结合主动震动波CT反演分析获得的结果获得工作面推进过程中的应力场变化情况,并通过离散应力测点所测得的绝对应力值修正应力场反演情况,最终获得工作面推进过程中较为准确的工作面三维应力场动态反演结果,工作面三维应力场动态反演结果如图9所示。
图9是本申请的工作面动态三维应力场反演结果示意图及剖面示意图,图9中:9-1为反演三维动态应力场,9-2为应力场纵向剖面图,9-3为应力场横向剖面图。应力场反演结果可以进行剖面分析,通过对横剖面与纵剖面进行分析,可以明确的显示剖面内的应力分布情况和应力值。由此可以实现对工作面应力状态准确、全面、实时的应力状态监测。在此基础上,可以准确指导工作面推进过程中的支护、推进速度,有效避免高应力环境下矿震频发与顶板灾害,保证深部高应力煤炭资源地安全高效生产。
尽管本申请的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本申请的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本申请并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1布设离散应力测点:顺槽开拓阶段在煤壁侧布置离散应力监测测孔进行应力监测;
S2布设主动光纤震动传感探头:在已开拓巷道布置主动光纤震动传感探头,接收未开拓巷道掘进过程中主动激发产生的震动波;
S3布设被动光纤震动传感探头:在工作面推进前,在工作面附近巷道布置被动光纤震动传感探头,接收工作面推进过程中自发产生的震动波;
S4信息的采集与传输:使用光纤连接线将离散应力监测测点与链接有主动光纤震动传感探头和被动光纤震动传感探头的光纤微震监测***连接至井下以太网交换机,并通过信号传输线连接至井上终端设备进行信息的储存;
S5工作面三维应力场反演:以离散应力测点所测得的应力值作为约束条件,利用采集的主动激发的微震数据对工作面应力场进行静态反演;通过接收工作面推进过程中产生的微震信号与散点应力监测数据变化修正应力场反演结果,绘制工作面动态三维应力场。
2.根据权利要求1所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,其特征在于,所述S1中离散应力测试采用流变应力恢复法,使用六向压力传感器对工作面应力绝对值进行监测。
3.根据权利要求2所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法中,其特征在于,所述S1中离散应力测点布置于顺槽巷道煤壁工作面一侧,测孔水平间距200m,测孔深度依次为0.75、0.5、0.25倍工作面宽度,测孔孔径不小于110mm;当遭遇特殊地质构造时,在特殊地质构造周围布置额外应力测点。
4.根据权利要求1所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,所述S2中,主动光纤震动传感探头间距10m,主动波激发点间距8m,采集未开拓巷道掘进时主动激发的微震波速数据。
5.根据权利要求4所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,通过采集主动激发的微震波速数据对并以流变应力恢复法测得的工作面绝对应力值作为边界条件对工作面静态应力场进行反演分析,获得应力场初始应力分布情况。
6.根据权利要求5所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,对震动接收点接收到的震动波形进行预处理及初至拾取,随后建立初始速度模型,反演三维速度体结果,以散点应力监测值作为边界条件对工作面开挖前三维静态应力状态进行反演分析。
7.根据权利要求1所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,所述S3中,随着工作面往前推进,被动光纤震动传感探头采集工作面顶板及围岩产生的微震数据。
8.根据权利要求7所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,通过采集震动波射线路径时间与速度散点,构建网格并将射线绘制于网格内,绘制出射线分布密度图与波速分布云图。
9.根据权利要求2所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,所述S4中,六向压力传感器通过光纤传输线连接至光纤解调仪,随后连接至井下以太网交换机,主动光纤震动传感探头和被动光纤震动传感探头通过光纤连接线连接至复合微震调制解调仪器,并共同连接至以太网交换机,随后通过信号传输线与地面监测终端相连,实现应力、微震信号一体化监测与信号存贮。
10.根据权利要求8所述深部煤矿工作面应力场反演分析方法,其特征在于,所述S5中工作面动态三维应力场反演方法为:基于波速分布云图,结合主动微震反演分析获得的结果获得工作面推进过程中的应力场变化情况,并通过离散应力测点所测得的绝对应力值修正应力场反演情况,最终获得工作面推进过程中工作面三维应力场动态反演结果。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110244354A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-09-17 | 东北大学 | 一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法 |
CN110552740A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-12-10 | 北京科技大学 | 煤岩动力灾害危险性区域-局部递进聚焦式探测预警方法 |
CN214836547U (zh) * | 2021-05-31 | 2021-11-23 | 徐州弘毅科技发展有限公司 | 煤矿井下工作面双震源一体化应力场监测*** |
CN116591777A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-15 | 中国矿业大学 | 多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置及方法 |
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2023
- 2023-11-15 CN CN202311519065.2A patent/CN117605536A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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