沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法，首先在易發(fā)生沖擊地壓區(qū)域的已經(jīng)掘進(jìn)煤層巷道一個(gè)斷面的側(cè)幫向圍巖中施工三個(gè)水平觀測(cè)鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將應(yīng)力觀測(cè)裝置和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置分別安裝上述的鉆孔中，在采煤過程中，通過應(yīng)力顯示儀連續(xù)記錄得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的豎向位移量；通過位移顯示儀得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位移量；監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位移量的兩倍減去煤層的豎向位移量即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)容量；當(dāng)某一時(shí)刻的擴(kuò)容量大于零時(shí)，說明現(xiàn)有體積大于原始體積，發(fā)生了擴(kuò)容現(xiàn)象。本發(fā)明通過對(duì)多構(gòu)造、高應(yīng)力、大埋深條件下的沖擊煤層巷道擴(kuò)容過程的連續(xù)觀測(cè)，獲取沖擊煤層巷道擴(kuò)容量，為巷道的沖擊危險(xiǎn)性判斷提供定量依據(jù)。
【專利說明】沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤礦開采【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦礦井中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。災(zāi)害是以突然、急劇、 猛烈的形式釋放煤巖變形能，煤巖被拋出，造成支架損壞，巷道堵塞，并產(chǎn)生巨大的響聲 和巖體振動(dòng)。沖擊地壓是開采過程中誘發(fā)并伴有微震活動(dòng)和彈性能突然釋放的煤巖體結(jié)構(gòu) 的破壞過程。沖擊煤體的突然破壞伴隨體積快速擴(kuò)大，這種現(xiàn)象就是擴(kuò)容?！稁r石力學(xué)與工 程》學(xué)報(bào)2002年52期潘立友等人提出了"煤層沖擊地壓的擴(kuò)容理論"。該理論以沖擊媒體 破裂與失穩(wěn)過程的試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算研究為基礎(chǔ)，將煤體的破裂變形分為三個(gè)階段：彈 性階段、非線性階段與突變階段。用三個(gè)特征量描述了煤體擴(kuò)容變化的過程：體積壓縮、穩(wěn) 定擴(kuò)容及擴(kuò)容突變。建立了沖擊地壓的擴(kuò)容模型，擴(kuò)容理論解釋了沖擊地壓前兆信息的穩(wěn) 定性與突變性，是沖擊地壓前兆信息識(shí)別的理論基礎(chǔ)。所述的煤體擴(kuò)容是指采煤過程中煤 層深部某點(diǎn)的體積大于原始體積的現(xiàn)象。當(dāng)煤層深部某點(diǎn)有一個(gè)方向受壓收縮時(shí)，另外兩 個(gè)方向就表現(xiàn)擴(kuò)張，如果三個(gè)方向的變化之和相等，說明體積沒有變化；如果三個(gè)方向的變 化之和大于零，即前后與左右的變形大于上下的變形，則表現(xiàn)為體積大于原始體積，說明有 擴(kuò)容現(xiàn)象發(fā)生。
[0003] 經(jīng)研究，沖擊煤體巷道變形擴(kuò)容破壞是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，在初始階段，巷道表面出 現(xiàn)圍巖裂隙發(fā)育、小范圍破碎、支護(hù)體出現(xiàn)異常等顯現(xiàn)，然后破壞范圍伸向巷道深部區(qū)域， 在巷道深部出現(xiàn)不同程度擴(kuò)容顯現(xiàn)。
[0004] 目前，煤礦隨著開采深度增加、大斷面巷道開采技術(shù)的應(yīng)用、大采高開采機(jī)械化的 推廣應(yīng)用、巷道斷面的增加，使巷道承受到來自構(gòu)造、原始高應(yīng)力及動(dòng)壓的作用，出現(xiàn)不連 續(xù)的變形，造成局部沖擊顯現(xiàn)，破壞過程的擴(kuò)容效應(yīng)突出。特別是在深部煤層的采動(dòng)影響 下，巷道變形破壞出現(xiàn)反復(fù)加劇現(xiàn)象，破壞深度會(huì)較大，對(duì)沖擊地壓預(yù)警有更高要求。因此， 在煤礦巷道掘進(jìn)后，一般要對(duì)設(shè)計(jì)巷道的易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)煤層開采到 該區(qū)域時(shí)以便采取預(yù)警措施。
[0005] 因此，為了滿足多構(gòu)造、高應(yīng)力、大埋深條件下的沖擊煤層巷道的預(yù)警要求，需要 發(fā)明一種沖擊煤層巷道擴(kuò)容過程顯現(xiàn)的定量觀測(cè)確定方法。
[0006] 中國(guó)專利CN102914393公開了一種主動(dòng)承壓式可定位鉆孔應(yīng)力計(jì)及其使用方法， 它具有主動(dòng)承壓功能，能及時(shí)判定動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律，全程動(dòng)態(tài)定量監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力 變化情況，為沖擊危險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)防提供可靠的數(shù)據(jù)；并且可根據(jù)應(yīng)力計(jì)安裝方位，可對(duì)某個(gè)方 向的應(yīng)力變化進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，進(jìn)一步確定力的方向，便于對(duì)沖擊地壓有針對(duì)性的預(yù)防。但 是，這種應(yīng)力計(jì)還沒有用于監(jiān)測(cè)沖擊煤層巷道擴(kuò)容過程的先例。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了滿足多構(gòu)造、高應(yīng)力、大埋深條件下的沖擊煤層巷道的預(yù)警 要求，發(fā)明一種沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] -種沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法，步驟如下：
[0010] 第一步：在已經(jīng)掘進(jìn)出的煤層巷道中，選擇易發(fā)生沖擊地壓區(qū)域的一個(gè)斷面的側(cè) 幫向圍巖中施工三個(gè)水平觀測(cè)鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔深度應(yīng)大于8. 0m ;其中兩個(gè)相鄰的鉆 孔用于安裝位移觀測(cè)裝置，剩下的一個(gè)鉆孔用于安裝應(yīng)力觀測(cè)裝置；
[0011] 第二步：將應(yīng)力觀測(cè)裝置和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置分別安裝上述的鉆孔中；要求應(yīng)力 觀測(cè)裝置的受力方向?yàn)閳?jiān)直方向，兩個(gè)位移觀測(cè)裝置安裝在不同的深度上，即兩個(gè)位移觀 測(cè)裝置在鉆孔深度方向上錯(cuò)開一定距離；
[0012] 上述的應(yīng)力觀測(cè)裝置采用主動(dòng)承壓式可定位鉆孔應(yīng)力計(jì)；
[0013] 上述的位移觀測(cè)裝置的構(gòu)造是，它包括一根可插入鉆孔中的桿件，桿件的兩端分 別設(shè)有固定體，通過兩端的固定體使桿件兩端固定在鉆孔中，桿件的孔口段設(shè)有位移傳感 器；
[0014] 第三步：在鉆孔外布置應(yīng)力顯示儀和位移顯示儀，將應(yīng)力觀測(cè)裝置的應(yīng)變片與應(yīng) 力顯示儀接通；兩個(gè)位移顯示儀分別和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置的位移傳感器接通；
[0015] 第四步：對(duì)巷道擴(kuò)容破壞過程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)
[0016] 在采煤過程中，通過應(yīng)力顯示儀連續(xù)記錄觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的堅(jiān)向應(yīng)力大小，根據(jù)現(xiàn)有 的煤層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到煤層應(yīng)變值即監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位移量；通過位移顯示儀連續(xù)記 錄兩個(gè)孔的前后位移量，兩個(gè)孔的前后位移量相減即得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位移量；
[0017] 第五步：擴(kuò)容量的確定
[0018] 煤層深部某點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)六面體，六面體的變形分上下、左右、前后三個(gè)方向，由 于采煤過程中煤層上下方向的變形一般是壓縮變形，前后與左右的變形是拉伸擴(kuò)漲變形， 且前后與左右的變形量基本一致，所以計(jì)算三個(gè)方向的變化之和時(shí)，取監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后 位移量的2倍作為前后與左右的變形量之和，再減去同一時(shí)間記錄的監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位 移量即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)容量；當(dāng)某一時(shí)刻的擴(kuò)容量大于零時(shí)，說明現(xiàn)有體積大于原始體積，發(fā) 生了擴(kuò)容現(xiàn)象。
[0019] 本發(fā)明的積極效果是：通過對(duì)多構(gòu)造、高應(yīng)力、大埋深條件下的沖擊煤層巷道擴(kuò)容 過程的連續(xù)觀測(cè)，獲取沖擊煤層巷道擴(kuò)容量，為巷道的沖擊危險(xiǎn)性判斷提供定量依據(jù)，便于 對(duì)沖擊煤層巷道進(jìn)行準(zhǔn)確地沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0021] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明應(yīng)力觀測(cè)裝置安裝示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明位移觀測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。
[0024] 圖例說明，1-煤層巷道，2-應(yīng)力測(cè)試鉆孔，3-應(yīng)力觀測(cè)裝置，4-位移測(cè)試鉆孔， 5-孔底固定體，6-桿件，7-位移傳感器，8-孔口固定體，9-位移顯示儀，10-應(yīng)力顯示儀。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1-3所示，一種沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法，步驟如下：
[0026] -、在已經(jīng)掘進(jìn)出的煤層巷道1中，選擇易發(fā)生沖擊地壓區(qū)域的一個(gè)斷面的側(cè)幫 向圍巖中施工三個(gè)水平觀測(cè)鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔深度應(yīng)大于8. 0m ;其中兩個(gè)相鄰鉆孔作 為位移測(cè)試鉆孔4用于安裝位移觀測(cè)裝置，剩余的一個(gè)鉆孔作為應(yīng)力測(cè)試鉆孔2用于安裝 應(yīng)力觀測(cè)裝置3 ;
[0027] 二、將應(yīng)力觀測(cè)裝置3和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置分別安裝在上述的應(yīng)力測(cè)試鉆孔2中 和位移測(cè)試鉆孔4中；要求應(yīng)力觀測(cè)裝置3的受力方向?yàn)槿鐖D2所示的堅(jiān)直方向，兩個(gè)位移 觀測(cè)裝置安裝在相鄰鉆孔4不同的深度上，即兩個(gè)位移觀測(cè)裝置在鉆孔深度方向上錯(cuò)開一 定距離；
[0028] 上述的應(yīng)力觀測(cè)裝置3采用主動(dòng)承壓式可定位鉆孔應(yīng)力計(jì)。
[0029] 上述的位移觀測(cè)裝置的構(gòu)造是，它包括一根可插入位移測(cè)試鉆孔4中的桿件6,桿 件6的兩端分別設(shè)有孔底固定體5和孔口固定體8,通過孔底固定體5和孔口固定體8使桿 件6兩端固定在鉆孔4中，桿件6的孔口段設(shè)有位移傳感器7。
[0030] 三、在位移測(cè)試鉆孔4外布置位移顯示儀9,在應(yīng)力測(cè)試鉆孔2外布置應(yīng)力顯示儀 10,將應(yīng)力觀測(cè)裝置3的應(yīng)變片與應(yīng)力顯示儀10接通；位移顯示儀9和位移觀測(cè)裝置的位 移傳感器7接通。
[0031] 四、對(duì)巷道擴(kuò)容破壞過程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)
[0032] 在采煤過程中，通過應(yīng)力顯示儀10連續(xù)記錄觀測(cè)應(yīng)力測(cè)試鉆孔2的應(yīng)力大小，根 據(jù)現(xiàn)有的煤層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到煤層應(yīng)變值即測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位移量；同時(shí)通過位移顯示 儀9連續(xù)記錄兩個(gè)孔的前后位移量，兩個(gè)孔的前后位移量相減即得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位 移量2。
[0033] 五、擴(kuò)容量的計(jì)算
[〇〇34] 煤層深部某點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)六面體，六面體的變形分上下、左右、前后三個(gè)方向，由 于采煤過程中煤層上下方向的變形一般是壓縮變形，前后與左右的變形是拉伸擴(kuò)漲變形， 且前后與左右的變形量基本一致，所以計(jì)算三個(gè)方向的變化之和時(shí)，取監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后 位移量的2倍作為前后與左右的變形量之和，前后與左右的變形量之和再減去同一時(shí)間記 錄的監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位移量即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)容量；當(dāng)某一時(shí)刻的擴(kuò)容量大于零時(shí)，說明 現(xiàn)有體積大于原始體積，發(fā)生了擴(kuò)容現(xiàn)象。
【權(quán)利要求】
1. 一種沖擊煤體擴(kuò)容量的定量觀測(cè)確定方法，其特征在于，步驟如下： 第一步：在已經(jīng)掘進(jìn)出的煤層巷道中，選擇易發(fā)生沖擊地壓區(qū)域的一個(gè)斷面的側(cè)幫向 圍巖中施工三個(gè)水平觀測(cè)鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔深度應(yīng)大于8. Om ;其中兩個(gè)相鄰的鉆孔用 于安裝位移觀測(cè)裝置，剩下的一個(gè)鉆孔用于安裝應(yīng)力觀測(cè)裝置； 第二步：將應(yīng)力觀測(cè)裝置和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置分別安裝上述的鉆孔中；要求應(yīng)力觀測(cè) 裝置的受力方向?yàn)閳?jiān)直方向，兩個(gè)位移觀測(cè)裝置安裝在不同的深度上，即兩個(gè)位移觀測(cè)裝 置在鉆孔深度方向上錯(cuò)開一定距離； 上述的應(yīng)力觀測(cè)裝置采用主動(dòng)承壓式可定位鉆孔應(yīng)力計(jì)； 上述的位移觀測(cè)裝置的構(gòu)造是，它包括一根可插入鉆孔中的桿件，桿件的兩端分別設(shè) 有固定體，通過兩端的固定體使桿件兩端固定在鉆孔中，桿件的孔口段設(shè)有位移傳感器； 第三步：在鉆孔外布置應(yīng)力顯示儀和位移顯示儀，將應(yīng)力觀測(cè)裝置的應(yīng)變片與應(yīng)力顯 示儀接通；兩個(gè)位移顯示儀分別和兩個(gè)位移觀測(cè)裝置的位移傳感器接通； 第四步：對(duì)巷道擴(kuò)容破壞過程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè) 在采煤過程中，通過應(yīng)力顯示儀連續(xù)記錄觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的堅(jiān)向應(yīng)力大小，根據(jù)現(xiàn)有的煤 層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到煤層應(yīng)變值即監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位移量；通過位移顯示儀連續(xù)記錄兩 個(gè)孔的前后位移量，兩個(gè)孔的前后位移量相減即得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位移量； 第五步：擴(kuò)容量的確定 取監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的前后位移量的兩倍作為前后與左右的變形量之和，再減去同一時(shí)間記 錄的監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤層的堅(jiān)向位移量即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)容量；當(dāng)某一時(shí)刻的擴(kuò)容量大于零時(shí)，說明 現(xiàn)有體積大于原始體積，發(fā)生了擴(kuò)容現(xiàn)象。
【文檔編號(hào)】G01B21/00GK104101313SQ201410379987
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月4日
【發(fā)明者】潘立友, 陳理強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)