1.本發(fā)明屬于采礦工程安全評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

2.采空區(qū)失穩(wěn)作為礦山安全重大安全風(fēng)險(xiǎn)之一，具有突發(fā)性、潛伏性和大規(guī)模破壞性等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)和人員的生命安全。特別是在附近頻繁的采礦爆破作用下更容易造成采空區(qū)圍巖的累積損傷，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)發(fā)生巖爆等失穩(wěn)現(xiàn)象，然而這些損傷往往是由微小的破裂萌生、發(fā)展、貫通等一系列微破壞共同使然的。地下開(kāi)采殘留的大量采場(chǎng)、硐室、巷道沒(méi)有及時(shí)處理，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的采空區(qū)，而且隨著開(kāi)采深度的增加，采空區(qū)坍塌的隱患逐步增大。目前處理采空區(qū)的方法極為有限，存在的隱患眾多。因此，基于不同手段的監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)尚未處理的采空區(qū)穩(wěn)定性和安全狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)潛在危險(xiǎn)提前做出預(yù)判，采取措施防患于未然非常必要。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為工程上監(jiān)測(cè)深部巖石變化最廣泛的手段之一，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部裂隙運(yùn)動(dòng)情況，其具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、全方位檢測(cè)、高精度等特點(diǎn)，根據(jù)微震事件的發(fā)生數(shù)量和能量可以識(shí)別巖層失穩(wěn)的前兆信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明的目的在于提供一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，該方法通過(guò)試驗(yàn)獲得采空區(qū)巖石試樣的最大剪應(yīng)力和在不同圍壓條件下的巖石破壞峰值應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立巖石破壞峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系模型，并結(jié)合考慮監(jiān)測(cè)微震事件數(shù)量對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，建立采空區(qū)穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)巖石穩(wěn)定性做出提前預(yù)判。

4.本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

5.本發(fā)明的一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

6.步驟1、對(duì)巷道采空區(qū)不同類型的巖石取樣，制備巖石試樣；

7.步驟2、試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應(yīng)力；試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的不同圍壓w條件下巖石破壞峰值應(yīng)力σc；

8.步驟3、建立巖石破壞峰值應(yīng)力σc與圍壓w的關(guān)系模型；

9.步驟4、布置巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)并獲取監(jiān)測(cè)信息；

10.步驟5、建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s；

11.步驟6、進(jìn)行巷道采空區(qū)安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)。

12.在步驟2中，試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應(yīng)力是對(duì)巖石試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，即對(duì)巖石試樣進(jìn)行帶圍壓裝置的霍普金森試驗(yàn)，得到不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σc試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

13.在步驟3中，通過(guò)不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σc試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立巖石破壞峰值應(yīng)力σc與圍壓w的關(guān)系式，σc＝aw2+bw+q，并通過(guò)σc和w的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到擬合常數(shù)a、b、q；

14.在步驟4中，在巷道采空區(qū)巷道長(zhǎng)度方向每隔5m取一個(gè)斷面，在每個(gè)斷面圍巖上均勻布置五個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)微震傳感器和圍壓測(cè)量傳感器，對(duì)巷道采空區(qū)圍巖進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)信息，包括圍壓w和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)δa；

15.在步驟5中，根據(jù)步驟4中所監(jiān)測(cè)獲得的圍壓w和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)δa，建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s如下：

[0016][0017]

δa為測(cè)試單位周期內(nèi)微震事件數(shù)，k為抗剪強(qiáng)度，即巖石最大剪應(yīng)力與巖石破壞峰值應(yīng)力之比。

[0018]

在步驟6中，根據(jù)巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s，確定巷道采空區(qū)安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

[0019][0020]

安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與預(yù)警系統(tǒng)配合使用，根據(jù)評(píng)價(jià)的等級(jí)采取不同的預(yù)防、治理方案。

[0021]

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

[0022]

本發(fā)明通過(guò)試驗(yàn)獲得巷道采空區(qū)巖石試樣的最大剪應(yīng)力和在不同圍壓條件下的巖石破壞峰值應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立巖石破壞峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系模型，并結(jié)合考慮監(jiān)測(cè)微震事件數(shù)量對(duì)巷道采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，建立巷道采空區(qū)穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠?qū)鷰r在不同圍壓條件下的峰值強(qiáng)度和微震事件數(shù)量進(jìn)行預(yù)判，達(dá)到變形失穩(wěn)破壞的提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道采空區(qū)巖石穩(wěn)定性做出提前預(yù)判，根據(jù)評(píng)價(jià)的等級(jí)提前采取不同的預(yù)防、治理方案，提高巷道采空區(qū)的整體安全性。

附圖說(shuō)明

[0023]

圖1為巷道采空區(qū)安全預(yù)評(píng)價(jià)方法流程圖；

[0024]

圖2為巷道采空區(qū)沿巷道測(cè)點(diǎn)布置示意圖；

[0025]

圖3為巷道采空區(qū)巷道斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

具體實(shí)施方式

[0026]

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

[0027]

實(shí)施例1：

[0028]

某地下礦山巷道巷道采空區(qū)1埋深-300m，圍巖是花崗巖，但由于回采爆破造成巷道采空區(qū)1圍巖的累計(jì)損傷，導(dǎo)致大量裂隙貫穿，因此需要對(duì)巷道采空區(qū)1進(jìn)行微震和圍壓監(jiān)測(cè)，以便提前預(yù)測(cè)巖爆和坍塌的危險(xiǎn)。

[0029]

如圖1-圖3所示，本發(fā)明的一種礦山巷道采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟：

[0030]

步驟1，對(duì)巷道采空區(qū)1不同類型的巖石取樣，制備巖石試樣；

[0031]

步驟2，獲取巷道采空區(qū)1巖石的最大剪應(yīng)力；獲取巷道采空區(qū)1巖石的巖石破壞峰值應(yīng)力σc；

[0032]

步驟3，建立巖石破壞峰值應(yīng)力σc與圍壓w的關(guān)系模型；

[0033]

步驟4，布置巷道采空區(qū)1圍巖微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)3并獲取微震監(jiān)測(cè)信息；

[0034]

步驟5，建立巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s；

[0035]

步驟6，進(jìn)行巷道采空區(qū)1安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)。

[0036]

在步驟2中，試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應(yīng)力是對(duì)巖石試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，即對(duì)巖石試樣進(jìn)行帶圍壓裝置的霍普金森試驗(yàn)，得到不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σc試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[0037]

在步驟3中，通過(guò)不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σc試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立巖石破壞峰值應(yīng)力σc與圍壓w的關(guān)系式，σc＝aw2+bw+q，并通過(guò)σc和w的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到擬合常數(shù)a、b、q；

[0038]

在步驟4中，在巷道采空區(qū)1巷道長(zhǎng)度方向每隔5m取一個(gè)斷面2，在每個(gè)斷面2圍巖上均勻布置五個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，埋設(shè)微震傳感器和圍壓測(cè)量傳感器，對(duì)巷道采空區(qū)1圍巖進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)信息，包括圍壓w和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)δa；

[0039]

在步驟5中，根據(jù)步驟4中所監(jiān)測(cè)的圍壓和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)量，建立巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s如下式：

[0040][0041]

δa為測(cè)試單位周期內(nèi)微震事件數(shù)，w為圍壓，a、b、q為擬合常數(shù)，k為抗剪強(qiáng)度，即巖石最大剪應(yīng)力與巖石破壞峰值應(yīng)力之比。

[0042]

在步驟6中，根據(jù)步驟5建立的巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s，對(duì)巷道采空區(qū)1進(jìn)行安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)，達(dá)到巷道采空區(qū)1穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的目的，s越趨于1越容易發(fā)生破壞，具體預(yù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

[0043][0044]

本實(shí)施例中，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)，得到花崗巖在不同圍壓條件下的峰值應(yīng)力，如表1所示：

[0045]

表1花崗巖在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應(yīng)力

[0046][0047]

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后得到a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，微震監(jiān)測(cè)的微震事件數(shù)量為210，試驗(yàn)測(cè)得花崗巖在圍壓為50mpa條件下的最大剪應(yīng)力為329.13mpa，基于該條件下花崗巖發(fā)生破壞時(shí)的峰值應(yīng)力為548.55mpa，峰值強(qiáng)度k為60％，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可得s＝1.14，預(yù)測(cè)結(jié)果為極有可能發(fā)生巖爆，緊急撤離巷道采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備。

[0048]

實(shí)施例2：

[0049]

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得巷道巷道采空區(qū)1圍巖是花崗巖，巷道采空區(qū)1上方巖石質(zhì)量較大，對(duì)巷道采空區(qū)1的壓力較大，在不對(duì)巷道采空區(qū)1進(jìn)行其他處理的前提下，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止巖石瞬間的能量釋放，造成地面塌陷等事故。

[0050]

本實(shí)施例的實(shí)施步驟與實(shí)施例1相同。

[0051]

本實(shí)施例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

[0052]

微震監(jiān)測(cè)的微震事件數(shù)量為130，試驗(yàn)測(cè)得花崗巖在圍壓為30mpa條件下的最大剪應(yīng)力為203.99mpa，花崗巖a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，基于該條件下花崗巖發(fā)生破壞時(shí)的峰值應(yīng)力為407.99mpa，峰值強(qiáng)度k為50％，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可得s＝0.79，屬于巖石損傷孕育過(guò)程，圍巖屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)，需要安全提醒，圍巖存在大變形或裂隙。

[0053]

實(shí)施例3：

[0054]

巷道采空區(qū)1圍巖主要是灰?guī)r，巷道長(zhǎng)120m，圍壓所處平均值為30mpa，巷道埋深較淺，由于在巷道采空區(qū)1附近200m處進(jìn)行其他開(kāi)采爆破環(huán)節(jié)，因此需要對(duì)其圍巖穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，預(yù)防爆破對(duì)巷道采空區(qū)1造成累計(jì)損傷。

[0055]

本實(shí)施例的實(shí)施步驟與實(shí)施例1相同。

[0056]

本實(shí)施例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

[0057]

本實(shí)施例中，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)，得到灰?guī)r在不同圍壓條件下的峰值應(yīng)力，如表2所示：

[0058]

表2灰?guī)r在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應(yīng)力

[0059][0060]

微震監(jiān)測(cè)的微震事件數(shù)量為20，試驗(yàn)測(cè)得灰?guī)r在圍壓為30mpa條件下的最大剪應(yīng)力為69.86mpa，灰?guī)ra＝0.0464，b＝1.069，q＝42.6，基于該條件下灰?guī)r發(fā)生破壞時(shí)的峰值應(yīng)力為116.43mpa，峰值強(qiáng)度k為60％，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可得s＝0.51，圍巖屬于穩(wěn)定狀態(tài)，不需要安全預(yù)警。

[0061]

實(shí)施例4：

[0062]

巷道采空區(qū)1圍巖為大理巖，巷道形狀為三心拱，埋深200m，巷道采空區(qū)1圍巖的支護(hù)能力較弱，為防止危險(xiǎn)的發(fā)生，需要對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

[0063]

本實(shí)施例的實(shí)施步驟與實(shí)施例1相同。

[0064]

本實(shí)施例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

[0065]

本實(shí)施例中，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)，得到大理巖在不同圍壓條件下的峰值應(yīng)力，如表3所示：

[0066]

表3大理巖在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應(yīng)力

[0067][0068]

微震監(jiān)測(cè)的微震事件數(shù)量為70，試驗(yàn)測(cè)得大理巖在圍壓為30mpa條件下的最大剪應(yīng)力為205.42mpa，大理巖a＝-0.0435，b＝6.767，q＝129.6，基于該條件下大理巖發(fā)生破壞時(shí)的峰值應(yīng)力為293.46mpa，峰值強(qiáng)度k為70％，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可得s＝0.83，圍巖屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)，屬于密集活躍期，施工作業(yè)中應(yīng)做好支護(hù)工作。技術(shù)特征：

1.一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、對(duì)巷道采空區(qū)不同類型的巖石取樣，制備巖石試樣；步驟2、試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應(yīng)力；試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的不同圍壓w條件下巖石破壞峰值應(yīng)力σ

c

；步驟3、建立巖石破壞峰值應(yīng)力σ

c

與圍壓w的關(guān)系模型；步驟4、布置巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)并獲取監(jiān)測(cè)信息；步驟5、建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s；步驟6、進(jìn)行巷道采空區(qū)安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在步驟2中，試驗(yàn)獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應(yīng)力是對(duì)巖石試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，即對(duì)巖石試樣進(jìn)行帶圍壓裝置的霍普金森試驗(yàn)，得到不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σ

c

試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在步驟3中，通過(guò)不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應(yīng)力σ

c

試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立巖石破壞峰值應(yīng)力σ

c

與圍壓w的關(guān)系式，σ

c

＝aw2+bw+q，并通過(guò)σ

c

和w的數(shù)據(jù)擬合得到擬合常數(shù)a、b、q。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在步驟4中，在巷道采空區(qū)巷道長(zhǎng)度方向每隔5m取一個(gè)斷面，每個(gè)斷面上設(shè)置五個(gè)巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并獲取監(jiān)測(cè)信息，包括圍壓w和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)δa。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在步驟5中，根據(jù)步驟4中所監(jiān)測(cè)獲得的圍壓w和單位時(shí)間內(nèi)的微震事件數(shù)δa，建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s如下：δa為測(cè)試單位周期內(nèi)微震事件數(shù)，k為抗剪強(qiáng)度，即巖石最大剪應(yīng)力與巖石破壞峰值應(yīng)力之比。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在步驟6中，根據(jù)巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)指標(biāo)s，確定巷道采空區(qū)安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：所述安全分級(jí)預(yù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與預(yù)警系統(tǒng)配合使用，根據(jù)評(píng)價(jià)的等級(jí)采取不同的預(yù)防、治理方案。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：1)取樣制備巖石試樣；2)試驗(yàn)獲取巖石試樣的最大剪應(yīng)力和不同圍壓w條件下巖石破壞峰值應(yīng)力σ

技術(shù)研發(fā)人員：王潤(rùn) 張忠海 王永增 吳怡璇 曹洋 胡振濤 潘博

受保護(hù)的技術(shù)使用者：鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.12.24

技術(shù)公布日：2022/4/26