一种矿山采空区稳定性预测方法与流程

1.本发明属于采矿工程安全评价技术领域，具体涉及一种矿山采空区稳定性预测方法。


背景技术：

2.采空区失稳作为矿山安全重大安全风险之一，具有突发性、潜伏性和大规模破坏性等特点，严重威胁到矿山的安全生产和人员的生命安全。特别是在附近频繁的采矿爆破作用下更容易造成采空区围岩的累积损伤，进而导致采空区发生岩爆等失稳现象，然而这些损伤往往是由微小的破裂萌生、发展、贯通等一系列微破坏共同使然的。地下开采残留的大量采场、硐室、巷道没有及时处理，形成结构复杂的采空区，而且随着开采深度的增加，采空区坍塌的隐患逐步增大。目前处理采空区的方法极为有限，存在的隐患众多。因此，基于不同手段的监测仪器，对尚未处理的采空区稳定性和安全状况进行预测，能够对采空区潜在危险提前做出预判，采取措施防患于未然非常必要。微震监测技术作为工程上监测深部岩石变化最广泛的手段之一，可以实时监测岩体内部裂隙运动情况，其具有远程监测、全方位检测、高精度等特点，根据微震事件的发生数量和能量可以识别岩层失稳的前兆信息。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种矿山采空区稳定性预测方法，该方法通过试验获得采空区岩石试样的最大剪应力和在不同围压条件下的岩石破坏峰值应力，通过试验数据建立岩石破坏峰值应力与围压之间的关系模型，并结合考虑监测微震事件数量对采空区稳定性的影响，建立采空区稳定性安全评价指标，从而实现对采空区岩石稳定性做出提前预判。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.本发明的一种矿山采空区稳定性预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.步骤1、对巷道采空区不同类型的岩石取样，制备岩石试样；
7.步骤2、试验获取巷道采空区岩石的最大剪应力；试验获取巷道采空区岩石的不同围压w条件下岩石破坏峰值应力σc；
8.步骤3、建立岩石破坏峰值应力σc与围压w的关系模型；
9.步骤4、布置巷道采空区围岩微震监测点并获取监测信息；
10.步骤5、建立巷道采空区巷道稳定性安全评价指标s；
11.步骤6、进行巷道采空区安全分级预评价。
12.在步骤2中，试验获取巷道采空区岩石的最大剪应力是对岩石试样进行三轴压缩试验，即对岩石试样进行带围压装置的霍普金森试验，得到不同围压条件下岩石试样发生破坏的岩石破坏峰值应力σc试验数据。
13.在步骤3中，通过不同围压条件下岩石试样发生破坏的岩石破坏峰值应力σc试验数据，建立岩石破坏峰值应力σc与围压w的关系式，σc＝aw2 bw q，并通过σc和w的试验数据拟合得到拟合常数a、b、q；
14.在步骤4中，在巷道采空区巷道长度方向每隔5m取一个断面，在每个断面围岩上均匀布置五个微震监测点，埋设微震传感器和围压测量传感器，对巷道采空区围岩进行24小时连续不间断监测，获取监测信息，包括围压w和单位时间内的微震事件数δa；
15.在步骤5中，根据步骤4中所监测获得的围压w和单位时间内的微震事件数δa，建立巷道采空区巷道稳定性安全评价指标s如下：
[0016][0017]
δa为测试单位周期内微震事件数，k为抗剪强度，即岩石最大剪应力与岩石破坏峰值应力之比。
[0018]
在步骤6中，根据巷道采空区巷道稳定性安全评价指标s，确定巷道采空区安全分级预评价标准如下：
[0019][0020]
安全分级预评价标准与预警系统配合使用，根据评价的等级采取不同的预防、治理方案。
[0021]
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
[0022]
本发明通过试验获得巷道采空区岩石试样的最大剪应力和在不同围压条件下的岩石破坏峰值应力，通过试验数据建立岩石破坏峰值应力与围压之间的关系模型，并结合考虑监测微震事件数量对巷道采空区稳定性的影响，建立巷道采空区稳定性安全评价指标，能够对围岩在不同围压条件下的峰值强度和微震事件数量进行预判，达到变形失稳破坏的提前预警，实现对巷道采空区岩石稳定性做出提前预判，根据评价的等级提前采取不同的预防、治理方案，提高巷道采空区的整体安全性。
附图说明
[0023]
图1为巷道采空区安全预评价方法流程图；
[0024]
图2为巷道采空区沿巷道测点布置示意图；
[0025]
图3为巷道采空区巷道断面测点布置示意图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
[0027]
实施例1：
[0028]
某地下矿山巷道巷道采空区1埋深-300m，围岩是花岗岩，但由于回采爆破造成巷道采空区1围岩的累计损伤，导致大量裂隙贯穿，因此需要对巷道采空区1进行微震和围压监测，以便提前预测岩爆和坍塌的危险。
[0029]
如图1-图3所示，本发明的一种矿山巷道采空区稳定性预测方法，其特征在于包括如下步骤：
[0030]
步骤1，对巷道采空区1不同类型的岩石取样，制备岩石试样；
[0031]
步骤2，获取巷道采空区1岩石的最大剪应力；获取巷道采空区1岩石的岩石破坏峰值应力σc；
[0032]
步骤3，建立岩石破坏峰值应力σc与围压w的关系模型；
[0033]
步骤4，布置巷道采空区1围岩微震监测点3并获取微震监测信息；
[0034]
步骤5，建立巷道采空区1巷道稳定性安全评价指标s；
[0035]
步骤6，进行巷道采空区1安全分级预评价。
[0036]
在步骤2中，试验获取巷道采空区岩石的最大剪应力是对岩石试样进行三轴压缩试验，即对岩石试样进行带围压装置的霍普金森试验，得到不同围压条件下岩石试样发生破坏的岩石破坏峰值应力σc试验数据。
[0037]
在步骤3中，通过不同围压条件下岩石试样发生破坏的岩石破坏峰值应力σc试验数据，建立岩石破坏峰值应力σc与围压w的关系式，σc＝aw2 bw q，并通过σc和w的试验数据拟合得到拟合常数a、b、q；
[0038]
在步骤4中，在巷道采空区1巷道长度方向每隔5m取一个断面2，在每个断面2围岩上均匀布置五个微震监测点3，埋设微震传感器和围压测量传感器，对巷道采空区1围岩进行24小时连续不间断监测，获取监测信息，包括围压w和单位时间内的微震事件数δa；
[0039]
在步骤5中，根据步骤4中所监测的围压和单位时间内的微震事件数量，建立巷道采空区1巷道稳定性安全评价指标s如下式：
[0040][0041]
δa为测试单位周期内微震事件数，w为围压，a、b、q为拟合常数，k为抗剪强度，即岩石最大剪应力与岩石破坏峰值应力之比。
[0042]
在步骤6中，根据步骤5建立的巷道采空区1巷道稳定性安全评价指标s，对巷道采空区1进行安全分级预评价，达到巷道采空区1稳定性预测的目的，s越趋于1越容易发生破坏，具体预评价标准如下：
[0043][0044]
本实施例中，根据力学试验，得到花岗岩在不同围压条件下的峰值应力，如表1所示：
[0045]
表1花岗岩在不同围压下发生破坏的峰值应力
[0046][0047]
将试验数据拟合后得到a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，微震监测的微震事件数量为210，试验测得花岗岩在围压为50mpa条件下的最大剪应力为329.13mpa，基于该条件下花岗岩发生破坏时的峰值应力为548.55mpa，峰值强度k为60％，根据评价指标可得s＝1.14，预测结果为极有可能发生岩爆，紧急撤离巷道采空区现场人员和设备。
[0048]
实施例2：
[0049]
根据室内试验测得巷道巷道采空区1围岩是花岗岩，巷道采空区1上方岩石质量较大，对巷道采空区1的压力较大，在不对巷道采空区1进行其他处理的前提下，需要对其稳定性进行监测，防止岩石瞬间的能量释放，造成地面塌陷等事故。
[0050]
本实施例的实施步骤与实施例1相同。
[0051]
本实施例的试验数据、监测计算和预测结果如下：
[0052]
微震监测的微震事件数量为130，试验测得花岗岩在围压为30mpa条件下的最大剪应力为203.99mpa，花岗岩a＝-0.0181，b＝8.476，q＝170，基于该条件下花岗岩发生破坏时的峰值应力为407.99mpa，峰值强度k为50％，根据评价指标可得s＝0.79，属于岩石损伤孕育过程，围岩属于亚稳定状态，需要安全提醒，围岩存在大变形或裂隙。
[0053]
实施例3：
[0054]
巷道采空区1围岩主要是灰岩，巷道长120m，围压所处平均值为30mpa，巷道埋深较浅，由于在巷道采空区1附近200m处进行其他开采爆破环节，因此需要对其围岩稳定进行监测和预测，预防爆破对巷道采空区1造成累计损伤。
[0055]
本实施例的实施步骤与实施例1相同。
[0056]
本实施例的试验数据、监测计算和预测结果如下：
[0057]
本实施例中，根据力学试验，得到灰岩在不同围压条件下的峰值应力，如表2所示：
[0058]
表2灰岩在不同围压下发生破坏的峰值应力
[0059][0060]
微震监测的微震事件数量为20，试验测得灰岩在围压为30mpa条件下的最大剪应力为69.86mpa，灰岩a＝0.0464，b＝1.069，q＝42.6，基于该条件下灰岩发生破坏时的峰值应力为116.43mpa，峰值强度k为60％，根据评价指标可得s＝0.51，围岩属于稳定状态，不需要安全预警。
[0061]
实施例4：
[0062]
巷道采空区1围岩为大理岩，巷道形状为三心拱，埋深200m，巷道采空区1围岩的支护能力较弱，为防止危险的发生，需要对围岩稳定性进行监测和预测。
[0063]
本实施例的实施步骤与实施例1相同。
[0064]
本实施例的试验数据、监测计算和预测结果如下：
[0065]
本实施例中，根据力学试验，得到大理岩在不同围压条件下的峰值应力，如表3所示：
[0066]
表3大理岩在不同围压下发生破坏的峰值应力
[0067][0068]
微震监测的微震事件数量为70，试验测得大理岩在围压为30mpa条件下的最大剪应力为205.42mpa，大理岩a＝-0.0435，b＝6.767，q＝129.6，基于该条件下大理岩发生破坏时的峰值应力为293.46mpa，峰值强度k为70％，根据评价指标可得s＝0.83，围岩属于亚稳定状态，属于密集活跃期，施工作业中应做好支护工作。