[发明专利]一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法及系统

说明书

本发明公开了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法及系统，方法步骤是：①在坚硬顶板处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验；②测量监测位置处岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单向抗剪强度；③计算岩体动力破坏所需消耗的最小能量U_fmin；④计算坚硬顶板的初始应力；⑤采用光纤光栅孔径变形计在线实时监测坚硬顶板的相对应力；⑥计算坚硬顶板的实时应力；⑦计算坚硬顶板的实时弹性能密度U₃；⑧通过比较U_fmin和U₃对坚硬顶板型冲击地压进行实时预警。系统包括光纤光栅孔径变形计、光纤光栅解调仪、计算机、不间断电源等。本发明实现了坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，可避免或减少坚硬顶板型冲击事故的发生，保证井下人员与设备的安全。

技术领域

本发明涉及冲击地压监测预警技术领域，更具体涉及一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，同时还涉及一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，适用于煤矿、金属矿、施工井的冲击地压(岩爆)监测预警。

背景技术

作为一种煤岩动力灾害形式，冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间释放而产生的突然、剧烈破坏的现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，具有很强的破坏性。随着煤炭资源开采深度的不断增加，冲击地压灾害日益加剧，已成为影响我国煤矿安全生产最为主要的灾害，严重威胁着井下人员和设备的安全。坚硬顶板型冲击地压是一种典型的冲击地压灾害，由于顶板坚硬难以及时垮落，大面积悬顶导致应力集中和能量聚集而引起冲击地压的发生，具有发生频次高、破坏范围广等特点。因此，建立有效的坚硬顶板型冲击地压预警技术，具有重要的工程实际意义。

坚硬顶板型冲击地压的发生机理是：随着工作面回采，坚硬顶板不易及时垮落，导致大量的弹性能在顶板中积聚，顶板一旦发生失稳断裂破坏，将瞬间释放巨大的弹性能，从而诱发煤体破裂，产生向外的抛射运动，最终引起冲击地压的发生。由坚硬顶板型冲击地压的发生机理可知，其根源在于坚硬顶板失稳断裂时释放的大量弹性能。因此，在坚硬顶板型冲击地压中，坚硬顶板为关键致灾部位，而坚硬顶板失稳断裂为主导因素。所以，监测预警坚硬顶板型冲击地压时，应重点监测预警坚硬顶板的断裂危险，当坚硬顶板存在断裂危险时，说明存在冲击地压发生的危险。目前，坚硬顶板型冲击地压的监测预警方法主要包括微震法、煤层应力法、电磁辐射法、钻屑法等，其分别监测微震信号、煤层应力增量、电磁辐射信号、钻屑量等物理量来间接分析煤岩体的应力状态、能量状态及稳定性，从而对冲击地压进行预警。然而，这些预警方法无法直接、准确监测坚硬顶板的应力状态及能量状态，所以预警精度较低。虽然发明专利CN 201910774013.7实现了顶板岩石实时应力的直接监测，但其判别顶板岩石是否破裂的判据是应力的大小，科学性不足，这是因为在岩石变形破坏及冲击地压发生过程中应力状态的变化是十分复杂的，具有一定程度的不确定性。同时，该发明专利监测的是普遍意义上的顶板岩石，并未明确监测坚硬顶板，针对性不足。由以上两点可知，发明专利CN 201910774013.7对于坚硬顶板型冲击地压的预警有效性有待提高。因此，如何实现坚硬顶板型冲击地压的高效预警，是当前本领域技术人员亟待解决的技术问题和难点。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，方法易行，操作简便，可对坚硬顶板型冲击地压灾害进行实时预警，保证了井下人员与设备的安全。

本发明的另一个目的是在于提供了一种坚硬顶板型冲击地压实时预警系统，结构简单，使用方便，采用不间断电源进行供电，可实现坚硬顶板型冲击地压的在线实时预警，避免因短暂停电而导致无法预警的情况，提升了该预警系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种坚硬顶板型冲击地压实时预警方法，其步骤是：

A、在位于坚硬顶板的监测位置处采用光纤光栅孔径变形计进行套芯应力解除试验：光纤光栅孔径变形计，是以光纤光栅为测量应变元件的应力传感器，防爆耐腐蚀、抗干扰性强、长期稳定性佳，其中，光纤光栅是一种通过光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅；