1.本發(fā)明屬于采礦工程安全評價技術領域，具體涉及一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法。

背景技術：

2.采空區(qū)失穩(wěn)作為礦山安全重大安全風險之一，具有突發(fā)性、潛伏性和大規(guī)模破壞性等特點，嚴重威脅到礦山的安全生產和人員的生命安全。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，進而導致采空區(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。地下開采殘留的大量采場、硐室、巷道沒有及時處理，形成結構復雜的采空區(qū)，而且隨著開采深度的增加，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)測儀器，對尚未處理的采空區(qū)穩(wěn)定性和安全狀況進行預測，能夠對采空區(qū)潛在危險提前做出預判，采取措施防患于未然非常必要。微震監(jiān)測技術作為工程上監(jiān)測深部巖石變化最廣泛的手段之一，可以實時監(jiān)測巖體內部裂隙運動情況，其具有遠程監(jiān)測、全方位檢測、高精度等特點，根據微震事件的發(fā)生數量和能量可以識別巖層失穩(wěn)的前兆信息。

技術實現(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)定性預測方法，該方法通過試驗獲得采空區(qū)巖石試樣的最大剪應力和在不同圍壓條件下的巖石破壞峰值應力，通過試驗數據建立巖石破壞峰值應力與圍壓之間的關系模型，并結合考慮監(jiān)測微震事件數量對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，建立采空區(qū)穩(wěn)定性安全評價指標，從而實現(xiàn)對采空區(qū)巖石穩(wěn)定性做出提前預判。

4.本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

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

6.步驟1、對巷道采空區(qū)不同類型的巖石取樣，制備巖石試樣；

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

8.步驟3、建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系模型；

9.步驟4、布置巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測點并獲取監(jiān)測信息；

10.步驟5、建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s；

11.步驟6、進行巷道采空區(qū)安全分級預評價。

12.在步驟2中，試驗獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應力是對巖石試樣進行三軸壓縮試驗，即對巖石試樣進行帶圍壓裝置的霍普金森試驗，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力σc試驗數據。

13.在步驟3中，通過不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應力σc試驗數據，建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系式，σc＝aw2+bw+q，并通過σc和w的試驗數據擬合得到擬合常數a、b、q；

14.在步驟4中，在巷道采空區(qū)巷道長度方向每隔5m取一個斷面，在每個斷面圍巖上均勻布置五個微震監(jiān)測點，埋設微震傳感器和圍壓測量傳感器，對巷道采空區(qū)圍巖進行24小時連續(xù)不間斷監(jiān)測，獲取監(jiān)測信息，包括圍壓w和單位時間內的微震事件數δa；

15.在步驟5中，根據步驟4中所監(jiān)測獲得的圍壓w和單位時間內的微震事件數δa，建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s如下：

[0016][0017]

δa為測試單位周期內微震事件數，k為抗剪強度，即巖石最大剪應力與巖石破壞峰值應力之比。

[0018]

在步驟6中，根據巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s，確定巷道采空區(qū)安全分級預評價標準如下：

[0019][0020]

安全分級預評價標準與預警系統(tǒng)配合使用，根據評價的等級采取不同的預防、治理方案。

[0021]

與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

[0022]

本發(fā)明通過試驗獲得巷道采空區(qū)巖石試樣的最大剪應力和在不同圍壓條件下的巖石破壞峰值應力，通過試驗數據建立巖石破壞峰值應力與圍壓之間的關系模型，并結合考慮監(jiān)測微震事件數量對巷道采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，建立巷道采空區(qū)穩(wěn)定性安全評價指標，能夠對圍巖在不同圍壓條件下的峰值強度和微震事件數量進行預判，達到變形失穩(wěn)破壞的提前預警，實現(xiàn)對巷道采空區(qū)巖石穩(wěn)定性做出提前預判，根據評價的等級提前采取不同的預防、治理方案，提高巷道采空區(qū)的整體安全性。

附圖說明

[0023]

圖1為巷道采空區(qū)安全預評價方法流程圖；

[0024]

圖2為巷道采空區(qū)沿巷道測點布置示意圖；

[0025]

圖3為巷道采空區(qū)巷道斷面測點布置示意圖。

具體實施方式

[0026]

下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明：

[0027]

實施例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圍巖的累計損傷，導致大量裂隙貫穿，因此需要對巷道采空區(qū)1進行微震和圍壓監(jiān)測，以便提前預測巖爆和坍塌的危險。

[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)定性預測方法，其特征在于包括如下步驟：

[0030]

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

[0032]

步驟3，建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系模型；

[0033]

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

[0034]

步驟5，建立巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評價指標s；

[0035]

步驟6，進行巷道采空區(qū)1安全分級預評價。

[0036]

在步驟2中，試驗獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應力是對巖石試樣進行三軸壓縮試驗，即對巖石試樣進行帶圍壓裝置的霍普金森試驗，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力σc試驗數據。

[0037]

在步驟3中，通過不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應力σc試驗數據，建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系式，σc＝aw2+bw+q，并通過σc和w的試驗數據擬合得到擬合常數a、b、q；

[0038]

在步驟4中，在巷道采空區(qū)1巷道長度方向每隔5m取一個斷面2，在每個斷面2圍巖上均勻布置五個微震監(jiān)測點3，埋設微震傳感器和圍壓測量傳感器，對巷道采空區(qū)1圍巖進行24小時連續(xù)不間斷監(jiān)測，獲取監(jiān)測信息，包括圍壓w和單位時間內的微震事件數δa；

[0039]

在步驟5中，根據步驟4中所監(jiān)測的圍壓和單位時間內的微震事件數量，建立巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評價指標s如下式：

[0040][0041]

δa為測試單位周期內微震事件數，w為圍壓，a、b、q為擬合常數，k為抗剪強度，即巖石最大剪應力與巖石破壞峰值應力之比。

[0042]

在步驟6中，根據步驟5建立的巷道采空區(qū)1巷道穩(wěn)定性安全評價指標s，對巷道采空區(qū)1進行安全分級預評價，達到巷道采空區(qū)1穩(wěn)定性預測的目的，s越趨于1越容易發(fā)生破壞，具體預評價標準如下：

[0043][0044]

本實施例中，根據力學試驗，得到花崗巖在不同圍壓條件下的峰值應力，如表1所示：

[0045]

表1花崗巖在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應力

[0046][0047]

將試驗數據擬合后得到a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，微震監(jiān)測的微震事件數量為210，試驗測得花崗巖在圍壓為50mpa條件下的最大剪應力為329.13mpa，基于該條件下花崗巖發(fā)生破壞時的峰值應力為548.55mpa，峰值強度k為60％，根據評價指標可得s＝1.14，預測結果為極有可能發(fā)生巖爆，緊急撤離巷道采空區(qū)現(xiàn)場人員和設備。

[0048]

實施例2：

[0049]

根據室內試驗測得巷道巷道采空區(qū)1圍巖是花崗巖，巷道采空區(qū)1上方巖石質量較大，對巷道采空區(qū)1的壓力較大，在不對巷道采空區(qū)1進行其他處理的前提下，需要對其穩(wěn)定性進行監(jiān)測，防止巖石瞬間的能量釋放，造成地面塌陷等事故。

[0050]

本實施例的實施步驟與實施例1相同。

[0051]

本實施例的試驗數據、監(jiān)測計算和預測結果如下：

[0052]

微震監(jiān)測的微震事件數量為130，試驗測得花崗巖在圍壓為30mpa條件下的最大剪應力為203.99mpa，花崗巖a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，基于該條件下花崗巖發(fā)生破壞時的峰值應力為407.99mpa，峰值強度k為50％，根據評價指標可得s＝0.79，屬于巖石損傷孕育過程，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]

實施例3：

[0054]

巷道采空區(qū)1圍巖主要是灰?guī)r，巷道長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處進行其他開采爆破環(huán)節(jié)，因此需要對其圍巖穩(wěn)定進行監(jiān)測和預測，預防爆破對巷道采空區(qū)1造成累計損傷。

[0055]

本實施例的實施步驟與實施例1相同。

[0056]

本實施例的試驗數據、監(jiān)測計算和預測結果如下：

[0057]

本實施例中，根據力學試驗，得到灰?guī)r在不同圍壓條件下的峰值應力，如表2所示：

[0058]

表2灰?guī)r在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應力

[0059][0060]

微震監(jiān)測的微震事件數量為20，試驗測得灰?guī)r在圍壓為30mpa條件下的最大剪應力為69.86mpa，灰?guī)ra＝0.0464，b＝1.069，q＝42.6，基于該條件下灰?guī)r發(fā)生破壞時的峰值應力為116.43mpa，峰值強度k為60％，根據評價指標可得s＝0.51，圍巖屬于穩(wěn)定狀態(tài)，不需要安全預警。

[0061]

實施例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圍巖的支護能力較弱，為防止危險的發(fā)生，需要對圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測和預測。

[0063]

本實施例的實施步驟與實施例1相同。

[0064]

本實施例的試驗數據、監(jiān)測計算和預測結果如下：

[0065]

本實施例中，根據力學試驗，得到大理巖在不同圍壓條件下的峰值應力，如表3所示：

[0066]

表3大理巖在不同圍壓下發(fā)生破壞的峰值應力

[0067][0068]

微震監(jiān)測的微震事件數量為70，試驗測得大理巖在圍壓為30mpa條件下的最大剪應力為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)生破壞時的峰值應力為293.46mpa，峰值強度k為70％，根據評價指標可得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)中應做好支護工作。技術特征：

1.一種礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、對巷道采空區(qū)不同類型的巖石取樣，制備巖石試樣；步驟2、試驗獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應力；試驗獲取巷道采空區(qū)巖石的不同圍壓w條件下巖石破壞峰值應力σc；步驟3、建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系模型；步驟4、布置巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測點并獲取監(jiān)測信息；步驟5、建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s；步驟6、進行巷道采空區(qū)安全分級預評價。2.根據權利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，在步驟2中，試驗獲取巷道采空區(qū)巖石的最大剪應力是對巖石試樣進行三軸壓縮試驗，即對巖石試樣進行帶圍壓裝置的霍普金森試驗，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力σc
試驗數據。3.根據權利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，在步驟3中，通過不同圍壓條件下巖石試樣發(fā)生破壞的巖石破壞峰值應力σc試驗數據，建立巖石破壞峰值應力σc與圍壓w的關系式，σc＝aw2+bw+q，并通過σc和w的數據擬合得到擬合常數a、b、q。4.根據權利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，在步驟4中，在巷道采空區(qū)巷道長度方向每隔5m取一個斷面，每個斷面上設置五個巷道采空區(qū)圍巖微震監(jiān)測點，并獲取監(jiān)測信息，包括圍壓w和單位時間內的微震事件數δa。5.根據權利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，在步驟5中，根據步驟4中所監(jiān)測獲得的圍壓w和單位時間內的微震事件數δa，建立巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s如下：δa為測試單位周期內微震事件數，k為抗剪強度，即巖石最大剪應力與巖石破壞峰值應力之比。6.根據權利要求1所述的一種采空區(qū)穩(wěn)定性預測方法，其特征在于，在步驟6中，根據巷道采空區(qū)巷道穩(wěn)定性安全評價指標s，確定巷道采空區(qū)安全分級預評價標準如下：所述安全分級預評價標準與預警系統(tǒng)配合使用，根據評價的等級采取不同的預防、治理方案。

技術總結

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

技術研發(fā)人員：王潤 張忠海 王永增 吳怡璇 曹洋 胡振濤 潘博

受保護的技術使用者：鞍鋼集團礦業(yè)有限公司

技術研發(fā)日：2021.12.24

技術公布日：2022/4/26