1.一种典型冲击地压矿井的冲击地压危险性预测方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤一:收集目标矿井数据,测试物理力学参数,并建立煤岩动力系统模型,通过构建矿井的地质动力环境体系判定典型冲击地压矿井;
步骤二:确定煤岩动力系统的能量特征;
步骤三:计算煤岩动力系统总能量及基础能量;
步骤四:计算煤岩动力系统释放能量,结合步骤三所求结果推导计算典型冲击地压矿井的临界深度;
步骤五:通过临界深度预测典型冲击地压矿井的冲击地压危险性;
所述步骤一中的数据及参数包括应力集中系数、由微震监测系统监测到的煤岩动力系统的释放能量、泊松比、弹性模量、煤岩体的容重、煤岩体的埋藏深度、抗拉强度、抗压强度;
所述步骤二中用煤岩动力系统的能量密度来反映能量特征,具体为:(1)自重应力场下煤岩动力系统的能量特征
式中:EZ为自重应力场下煤岩动力系统能量密度,J/m3,μ为泊松比;E为弹性模量,Pa;γ为煤岩体的容重,N/m3;H为煤岩体的埋藏深度,m;
(2)构造应力场下煤岩动力系统的能量特征
式中:EG为构造应力场下煤岩动力系统能量密度,J/m3;μ为泊松比;E为弹性模量,Pa;γ为煤岩体的容重,N/m3;H为煤岩体的埋藏深度,m;k1、k2、k3为应力集中系数;
所述步骤三中煤岩动力系统能量分别为:(1)自重应力场条件下煤岩动力系统的能量
(2)构造应力场条件下煤岩动力系统的能量
所述步骤四中煤岩动力系统释放能量为:
式中:v0为破碎煤岩体抛出的平均初速度,m/s;ρ为破碎后被抛出的煤岩体的平均密度,kg/m3;σc为煤体单轴抗压强度,MPa;
典型冲击地压矿井开始发生冲击地压时,释放能量为构造应力场能量与基础能量的差值,即:UG-UZ=US=ΔU
结合步骤三的计算结果推导出典型冲击地压矿井的临界深度为:
2.根据权利要求1所述的一种典型冲击地压矿井的冲击地压危险性预测方法,其特征在于:所述步骤一中构建矿井的地质动力环境体系判定典型冲击地压矿井的方法,具体包括以下步骤:(1)构建由目标矿井的构造凹地地貌条件、断块构造垂直运动条件、断块构造水平运动条件、断裂构造影响范围、构造应力、煤层开采深度、上覆坚硬岩层条件、本区及邻区冲击地压判据条件八个因素构成的地质动力环境评价体系;
(2)将地质动力环境评价指标体系中各项评价指标值ai划分为四个等级,根据每项评价指标对矿井地质动力环境的影响程度逐一评判,对矿井地质动力环境无影响的评价指标ai的评价指数为0、影响程度弱时ai的评价指数为1、中等影响时ai的评价指数为2、有强烈影响时ai的评价指数为3;具体为:①井田构造凹地地貌特征:
其中,C—构造凹地的反差强度;
Δh—构造凹地最高与最低高程的差值,km;
Δl—构造凹地的宽度,km;
A、B—权重系数;山地地貌:A=0.25,B=0.75,丘陵地貌:A=0.5,B=0.5,平原地貌:A=0.75,B=0.25;
当C≥0.75时,评价指数a1为3;当0.5≤C0.75时,评价指数a1为2;当0.25≤C<0.5时,评价指数a1为1;当C<0.25时,评价指数a1为0;
②断块构造垂直运动条件:
目标矿井的断块垂直运动速度为V1,当垂直运动速率V1≥8mm/yr时,评价指数a2为3;当垂直运动速率V1>5mm/yr时,评价指数a2为2;当垂直运动速率V1<-3mm/yr时,评价指数a2为1;当垂直运动速率-3mm/yr≤V1≤5mm/yr时,评价指数a2为0;
③断块构造水平运动条件:
目标矿井的断块垂直运动速度为V2,当水平运动速率V2>10mm/yr时,评价指数a3为3;当垂直运动速率5mm/yr≤V2≤10mm/yr时,评价指数a3为2;当垂直运动速率2mm/yr≤V2<5mm/yr时,评价指数a3为1;当垂直运动速率V2<2mm/yr时,评价指数a3为0;
④断裂构造影响范围条件
b=±(K·10h)
式中:b—断裂构造影响范围宽度,km,当断裂影响范围边界在井田边界外时,b取正值,当断裂影响范围边界跨入井田边界内部时,b取负值;
K—活动性系数(K=1,2,3),断裂活动性强时K=3、断裂活动性中等时K=2、断裂活动性弱时K=1;
h—断裂垂直落差,m;
当b≤0.5时,评价指数a4为3,当0.5<b≤2时,评价指数a4为2,当2<b≤5时,评价指数a4为1,当b>5时,评价指数a4为0;
⑤构造应力条件
构造应力对冲击地压危险性评价指标用应力集中系数K表示,当K>2时,评价指数a5为3,当1.2<K≤2时,评价指数a5为2,当0.8<K≤1.2时,评价指数a5为1,当K≤0.8时,评价指数a5为0;
⑥开采深度条件
当开采深度h>800m时,评价指数a6为3,当600m<h≤800m时,评价指数a6为2,当400m<h≤600m时,评价指数a6为1,当开采深度h≤400m时,评价指数a6为0;
⑦上覆坚硬岩层条件
覆坚硬厚岩层距煤层距离为d,当覆坚硬厚岩层距煤层距离d≤20m,评价指数a7为3;当覆坚硬厚岩层距煤层距离20m<d≤50m,评价指数a7为2;当覆坚硬厚岩层距煤层距离50m<d≤100m,评价指数a7为1;当覆坚硬厚岩层距煤层距离d>100m,评价指数a7为0;
⑧本区及邻区判据的评价
本区及邻区同一煤层冲击地压发生次数为n,当n≥3时,评价指数a8为3,当2≤n<3时,评价指数a8为2,当n=1时,评价指数a8为1,当n=0时,评价指数a8为0;
(3)将步骤(2)中得的到各项评价指标值ai进行加和得到综合评价指数 (4)将步骤(3)中综合评价指数进行归一化处理,得到目标矿井地质动力环境综合评价指标值 (5)根据步骤(4)中的标矿井地质动力环境综合评价指标值N划分目标矿井的类型,具体为:当0.5<N≤1时,将目标矿井定义为典型冲击地压矿井,其中0.5<N≤0.75时,目标矿井为具有中等冲击地压的地质动力环境,0.75<N≤1时,目标矿井为具有强冲击地压的地质动力环境;当0.25<N≤0.5时,将目标矿井定义为非典型冲击地压矿井,目标矿井为具有弱冲击地压的地质动力环境;当0≤N≤0.25时,将目标矿井定义为无冲击地压矿井,目标矿井为具有无冲击地压的地质动力环境。
3.根据权利要求1所述的一种典型冲击地压矿井的冲击地压危险性预测方法,其特征在于:根据临界深度预测冲击地压危险性,当开采深度达到临界深度时,继续开采将会有冲击地压发生的危险。