本發(fā)明涉及煤礦安全，具體為一種組合斷層下的區(qū)域性危險等級劃分及解決辦法。

背景技術(shù)：

1、我國煤礦井工礦產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的85％以上，而斷層作為以復(fù)雜組合形式普遍存在于井工礦的一種地質(zhì)構(gòu)造，常與采掘活動發(fā)生相互作用從而誘發(fā)破壞規(guī)模更大的沖擊地壓。因此在實際的采掘工作中，工作面兩端平巷的超前位置需要加強爆破卸壓以保證采掘活動的安全進(jìn)行。

2、在多斷層礦井生產(chǎn)安全規(guī)劃時靜態(tài)地用單一斷層體系對多斷層的危害性進(jìn)行評判，普遍存在沒有動態(tài)地考慮斷層與斷層之間、斷層構(gòu)造應(yīng)力與超前支承應(yīng)力之間的組耦合性等問題；多斷層礦井生產(chǎn)中，斷層與斷層之間的組合情況復(fù)雜、斷層構(gòu)造應(yīng)力和超前支承應(yīng)力之間的耦合因素多樣，難以正確建立“斷層構(gòu)造—超前支承應(yīng)力”沖擊危險防沖體系；在組合斷層礦井生產(chǎn)作業(yè)中，組合斷層所導(dǎo)致的沖擊礦壓所釋放的能量和破壞的范圍不定，而相對應(yīng)的工作面兩端平巷超前卸壓方案卻趨于機(jī)械化的定距、定量設(shè)計，難以正確控制平巷超前的卸壓強度、范圍和成本之間的矛盾。

3、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種組合斷層下的區(qū)域性危險等級劃分及解決辦法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種組合斷層下的區(qū)域性危險等級劃分及解決辦法，具體步驟包括：

4、s1.構(gòu)建組合斷層與工作面的剖面圖和平面圖，采集斷層與工作面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括每個斷層的落差、無構(gòu)造區(qū)域的原巖應(yīng)力、斷層周圍垂直地應(yīng)力、水平地應(yīng)力、煤層覆巖平均容重、煤層埋深、煤層厚度、煤巖層應(yīng)力集中系數(shù)、圍巖的殘余應(yīng)力、煤體塑性區(qū)內(nèi)微小單元的摩擦系數(shù)、煤體內(nèi)摩擦角和煤體的側(cè)壓系數(shù)；

5、s2.根據(jù)組合斷層與工作面的剖面圖和平面圖、垂直地應(yīng)力、水平地應(yīng)力，獲取組合斷層中斷層的計算傾角和平面網(wǎng)格矩陣，根據(jù)組合斷層中斷層的計算傾角和平面網(wǎng)格矩陣，獲取斷層的地應(yīng)力增量矩陣，根據(jù)斷層的地應(yīng)力增量矩陣，獲取各個斷層的影響范圍，根據(jù)各個斷層的影響范圍，判斷斷層的組合關(guān)系，并獲取組合斷層；

6、s3.根據(jù)組合斷層包含的斷層和地應(yīng)力增量矩陣，獲取組合斷層的地應(yīng)力增量矩陣，根據(jù)組合斷層的地應(yīng)力增量矩陣，獲取組合斷層的地應(yīng)力影響范圍和組合斷層的地應(yīng)力峰值影響范圍；

7、s4.根據(jù)每個斷層的落差和組合斷層，獲取每個組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍、落差峰值影響范圍，根據(jù)組合斷層的有效落差，根據(jù)組合斷層的有效落差，獲取每個組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍、落差峰值影響范圍；

8、s5.根據(jù)組合斷層地應(yīng)力影響范圍、地應(yīng)力峰值影響范圍、組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍及落差峰值影響范圍，獲取組合斷層構(gòu)造的影響范圍、峰值影響范圍；

9、s6.將煤層覆巖平均容重、煤層埋深、煤層厚度、煤巖層應(yīng)力集中系數(shù)、圍巖的殘余應(yīng)力、塑性區(qū)內(nèi)微小單元的摩擦系數(shù)和煤體內(nèi)摩擦角進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成塑性區(qū)范圍，將煤體的側(cè)壓系數(shù)、煤層厚度、應(yīng)力集中系數(shù)和塑性區(qū)內(nèi)微小單元的摩擦系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成彈性區(qū)范圍；

10、s7.將工作面分為工作面對向階段和背離階段，并根據(jù)組合斷層構(gòu)造的影響范圍、組合斷層構(gòu)造的峰值影響范圍、塑性區(qū)范圍和彈性區(qū)范圍，分別判斷組合斷層超前區(qū)域性的危險等級，并根據(jù)該危險等級，執(zhí)行對應(yīng)措施。

11、進(jìn)一步地，沿著工作面平巷作上下范圍為斷層長度的垂直剖面圖，得到斷層剖面線，在斷層剖面線中找到4個斜率變化較大的折點，統(tǒng)計夾角及長度，其計算公式為：

12、

13、其中，li為斷層長度，θi為第i個斷層的計算傾角，i為斷層的索引，i的取值范圍為[1,i]，i為貫穿工作面的斷層個數(shù)，θi1、θi2、θi3和θi4分別為斷層剖面線與水平線的第一、第二、第三、第四折點夾角，hi1、hi2、hi3和hi4分別為垂直剖面圖中斷層剖面線的第一、第二、第三、第四折線長度；

14、在斷層剖面圖上，以工作面水平中點為圓心、以實際的i個斷層相對剖面關(guān)系、以工作面推進(jìn)方向為x軸的正半軸方向，建立笛卡爾坐標(biāo)系xoy，以動點m表示相對于斷層的任意點；

15、建立6個大小均相同且對應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)系的平面網(wǎng)格矩陣，平面網(wǎng)格矩陣的行數(shù)和列數(shù)均為m，平面網(wǎng)格矩陣包括距離矩陣和角度矩陣，將該6個平面網(wǎng)格矩陣的元素與笛卡爾坐標(biāo)系平面對應(yīng)；

16、其中，6個平面網(wǎng)格矩陣的元素為：

17、

18、其中，矩陣元素amm的位置為(m，m)；

19、平面網(wǎng)格矩陣的元素位置與笛卡爾坐標(biāo)系中坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系為：

20、

21、其中，(x,y)m為笛卡爾坐標(biāo)系中m點的坐標(biāo)，x和y分別為m點在笛卡爾坐標(biāo)系中的橫、縱坐標(biāo)，為平面網(wǎng)格矩陣的元素位置，和分別為m點在平面網(wǎng)格矩陣中的橫、縱坐標(biāo)，m的大小為斷層長度li中的最大值的兩倍，m＝2max(l1,l2,...,li)；

22、li1、li2、li3分別為在笛卡爾坐標(biāo)系中，動點m(x，y)分別到斷層點di1、di2、di3的距離，利用li1、li2、li3，獲取距離矩陣；

23、αi1、αi2、αi3分別為在笛卡爾坐標(biāo)系中，動點m(x，y)分別到斷層點di1、di2、di3的連線與x軸正方向所夾角度，利用αi1、αi2、αi3，獲取角度矩陣；

24、di1、di2、di3分別為第i個斷層在剖面圖中的上端點、中點和下端點。

25、進(jìn)一步地，計算第i個斷層地應(yīng)力增量矩陣，依據(jù)的公式如下：

26、vσi＝max(vσxi|,|vσyi|,|vσxyi|)

27、vσxi＝-σi(ai-bi-1)

28、vσyi＝-σi(1-ai-bi)

29、vσxyi＝-σici

30、

31、

32、其中，vσi為第i個斷層的地應(yīng)力增量矩陣，vσxi為在第i個斷層上，沿著x方向的應(yīng)力增量，vσyi為在第i個斷層上，沿著y方向的應(yīng)力增量，vσxyi為在第i個斷層上，剪切應(yīng)力的增量，σi為忽略剪切應(yīng)力的第i個斷層的模擬傾角,ai為動點m到斷層點di3的距離與動點m到斷層點di1和di2的距離之間的比例參數(shù)，bi為與動點m到斷層點di3的距離和相應(yīng)角度的比例參數(shù)，ci為動點m到斷層點di2之間的距離和角度的比例參數(shù)，σhi為第i個斷層的水平地應(yīng)力，σvi為第i個斷層的垂直地應(yīng)力。

33、進(jìn)一步地，根據(jù)第i個斷層地應(yīng)力增量矩陣，獲取各個斷層的影響范圍，具體的步驟如下：

34、根據(jù)第i個斷層地應(yīng)力增量矩陣vσi，獲取i個斷層影響下的工作面水平的應(yīng)力增量曲線，并根據(jù)應(yīng)力增量曲線，獲取各個斷層的影響范圍，依據(jù)的公式如下：

35、xi＝(xi1+xi2)/2

36、其中，xi為第i個斷層的影響范圍，xi1和xi2分別為第i個斷層兩側(cè)的影響范圍，定義為第i個斷層兩側(cè)到應(yīng)力增量達(dá)到原巖應(yīng)力σ0時的兩個臨界距離，σ0指未受外力作用時巖石本身所承受的應(yīng)力；

37、根據(jù)第i個斷層的影響范圍xi和斷層的相對位置，判斷i個斷層的組合關(guān)系，具體的過程如下：

38、滿足：

39、ldtc<(xa+xb)

40、xa＝(xa1+xa2)/2

41、xb＝(xb1+xb2)/2

42、ldtc＝min(ldtc1,ldtc2,ldtc3,ldtc4,ldtc5)

43、xa為斷層a的影響范圍，xb為斷層b的影響范圍，xa1和xa2為斷層a兩側(cè)到應(yīng)力增量達(dá)到原巖應(yīng)力σ0時的兩個臨界距離，xb1和xb2為斷層b兩側(cè)到應(yīng)力增量達(dá)到原巖應(yīng)力σ0時的兩個臨界距離，ldtc1、ldtc2、ldtc3、ldtc4、ldtc5為推進(jìn)線被兩斷層面所夾的線段長度，ldtc為其中的最小值；

44、斷層a和斷層b的距離ldtc小于兩個斷層的影響范圍之和，那么該斷層a和斷層b為組合斷層；

45、將所有斷層進(jìn)行組合判斷，即可得到斷層的組合關(guān)系，得到j(luò)個組合斷層。

46、進(jìn)一步地，獲取第j個組合斷層的地應(yīng)力增量矩陣：

47、vφj＝max(vσxa+vσxb|,|vσya+vσyb|,vσxya+vσxyb|)

48、其中，vφj為第j個組合斷層的地應(yīng)力增量矩陣，a∈[1,i]∩b∈[1,i]∩a≠b，vσxa、vσya、vσxya分別為在第a個斷層上，沿著x方向的應(yīng)力增量、沿著y方向的應(yīng)力增量、剪切應(yīng)力的增量，vσxb、vσyb、vσxyb分別為在第b個斷層上，沿著x方向的應(yīng)力增量、沿著y方向的應(yīng)力增量、剪切應(yīng)力的增量；

49、根據(jù)第j個組合斷層的地應(yīng)力增量矩陣vφj，獲取第j個組合斷層影響下的工作面水平的應(yīng)力增量曲線，根據(jù)組合斷層影響下的工作面水平的應(yīng)力增量曲線，獲取第j個組合斷層的地應(yīng)力影響范圍和峰值影響范圍的公式如下：

50、x1，j＝max(xj1,xj2)

51、x，2j＝max(xj3,xj4)

52、其中，x1，j為第j個組合斷層的地應(yīng)力影響范圍，x，2j為第j個組合斷層的地應(yīng)力峰值影響范圍，xj1和xj2分別為第j個組合斷層兩側(cè)的影響范圍，其定義為組合斷層到應(yīng)力增量達(dá)到原巖應(yīng)力σ0時的兩個臨界距離，xj3和xj4分別為第j個組合斷層兩側(cè)的峰值范圍，其定義為組合斷層到應(yīng)力增量達(dá)到原巖應(yīng)力的10σ0時的兩個臨界距離。

53、進(jìn)一步地，根據(jù)每個斷層的落差和j個組合斷層，獲取每個組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍、落差峰值影響范圍，具體過程如下：

54、獲取第j個組合斷層的有效落差，計算公式如下：

55、

56、其中，llcj為第j個組合斷層的有效落差，lci為第i個斷層的落差，ldtc-min、ldtc-max分別為組合斷層內(nèi)斷層之間的最小和最大距離；

57、根據(jù)第j個組合斷層的有效落差，獲取第j個組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍、落差峰值影響范圍的公式如下：

58、

59、其中，y1j為第j個組合斷層的落差影響范圍，y2j為第j個組合斷層的落差峰值影響范圍；

60、根據(jù)第j個組合斷層地應(yīng)力影響范圍x1，j、地應(yīng)力峰值影響范圍x，2j、組合斷層構(gòu)造的落差影響范圍y1j及落差峰值影響范圍y2j，獲取第j個組合斷層構(gòu)造的影響范圍、峰值影響范圍，依據(jù)的公式如下：

61、z1j＝max(x1，j,y1j)

62、z2j＝max(x2，j,y2j)

63、其中，z1j為第j個組合斷層的組合斷層構(gòu)造影響范圍，z2j為第j個組合斷層的組合斷層構(gòu)造峰值影響范圍。

64、進(jìn)一步地，步驟s6中，獲取塑性區(qū)范圍和彈性區(qū)范圍的具體公式如下：

65、

66、其中，xet為塑性區(qū)范圍，xpt為彈性區(qū)范圍，kγh為塑性區(qū)內(nèi)xet處應(yīng)力峰值，h為煤層埋深、γ為煤層覆巖平均容重，k為應(yīng)力集中系數(shù)，σr為圍巖的殘余應(yīng)力，為煤體內(nèi)摩擦角，f為塑性區(qū)內(nèi)微小單元的摩擦系數(shù)，p為煤層厚度，λ為煤體的側(cè)壓系數(shù)。

67、進(jìn)一步地，步驟s7中，獲取組合斷層超前區(qū)域性的危險等級，并根據(jù)該危險等級，執(zhí)行對應(yīng)措施的具體過程如下：

68、將組合斷層超前區(qū)域性分為2個階段：工作面對向階段和工作面背離階段；

69、工作面對向階段：

70、將第j個組合斷層構(gòu)造的影響范圍z1j、塑性區(qū)范圍xet和彈性區(qū)范圍xpt進(jìn)行加和，將塑性區(qū)范圍xet和第j個組合斷層構(gòu)造的峰值影響范圍z2j進(jìn)行加和，加和后的數(shù)值均和d+進(jìn)行比較：

71、當(dāng)d+>z1j+xet+xpt，說明組合斷層超前區(qū)域性為一般危險區(qū)域，則需要頂板爆破和煤體爆破；

72、當(dāng)xet+z2j<d+≤z1j+xet+xpt，說明組合斷層超前區(qū)域性為中等危險區(qū)域，則需要頂板爆破、煤體爆破和大直徑鉆孔卸壓；

73、當(dāng)0≤d+≤xet+z2j，說明組合斷層超前區(qū)域性為危險區(qū)域，則需要頂板爆破、煤體爆破、大直徑鉆孔卸壓，另外還需要頂板、大直徑加密處理；

74、工作面背離階段：

75、將第j個組合斷層構(gòu)造的影響范圍z1j、塑性區(qū)范圍xet和彈性區(qū)范圍xpt進(jìn)行加和，將塑性區(qū)范圍xet和第j個組合斷層構(gòu)造的峰值影響范圍z2j進(jìn)行加和，加和后的數(shù)值均和d-進(jìn)行比較：

76、當(dāng)d-≤xet+z2j，說明組合斷層超前區(qū)域性為危險區(qū)域，則需要頂板爆破、煤體爆破、大直徑鉆孔卸壓，另外還需要頂板、大直徑加密處理；

77、當(dāng)xet+z2j<d-≤z1j+xet+xpt，說明組合斷層超前區(qū)域性為中等危險區(qū)域，則需要頂板爆破、煤體爆破、大直徑鉆孔卸壓；

78、d->z1j+xet+xpt，說明組合斷層超前區(qū)域性為一般危險區(qū)域，則需要頂板爆破和煤體爆破；

79、d+表示工作面對向斷層組掘進(jìn)時，距離斷層組中最近的斷層的距離，d-表示工作面背離斷層組掘進(jìn)時，距離斷層組中最近的斷層的距離。

80、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

81、本發(fā)明通過構(gòu)建組合斷層與工作面的剖面圖和平面圖，采集斷層與工作面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)組合斷層與工作面的剖面圖和平面圖、無構(gòu)造區(qū)域的原巖應(yīng)力、斷層周圍垂直地應(yīng)力和水平地應(yīng)力，獲取斷層地應(yīng)力增量矩陣和組合斷層,根據(jù)組合斷層、地應(yīng)力增量矩陣和每個斷層的落差，獲取每個組合斷層構(gòu)造的影響范圍、峰值影響范圍，根據(jù)煤層覆巖平均容重、煤層埋深和厚度、應(yīng)力集中系數(shù)、圍巖的殘余應(yīng)力、塑性區(qū)內(nèi)微小單元的摩擦系數(shù)、煤體內(nèi)摩擦角和煤體的側(cè)壓系數(shù)，獲取塑性區(qū)范圍和彈性區(qū)范圍，根據(jù)組合斷層構(gòu)造影響范圍及斷層構(gòu)造峰值范圍、塑性區(qū)范圍和彈性區(qū)范圍，獲取組合斷層超前區(qū)域性的危險等級，并根據(jù)該危險等級，執(zhí)行對應(yīng)措施。因此，構(gòu)建組合斷層與工作面的剖面圖和平面圖，動態(tài)考慮斷層之間的相互作用以及與超前支承應(yīng)力的耦合關(guān)系，提供了更全面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，這種動態(tài)分析有助于更精確地評估潛在的沖擊礦壓風(fēng)險，建立了“斷層構(gòu)造—超前支承應(yīng)力”沖擊危險防治體系，正確控制了平巷超前的卸壓強度、范圍和成本之間的矛盾。