一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法

1.本发明属于矿井水害防治领域，特别提供一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板突水微震预警方法。


背景技术：

2.矿区/工作面开采过程中，由于上覆岩层不均匀沉降，在含水层附近发育封闭的离层空间并形成离层积水体。一旦隔水层破断，在积水离层和矿区/工作面之间形成突水通道，则发生离层突水。
3.目前煤矿微震预警在冲击地压领域的应用较多，关于矿井突水方面的预警方法，基本上是根据传统导水裂隙带范围内的含水层突水案例，通过数理统计和决策理论的分析方法，选取固定监测信号建立综合预警指标。例如，专利号为cn115130876a的发明中公开了一种深井采动底板突水危险性的判断方法及系统，首先基于半无限弹性体力学理论和mohr-coulomb屈服准则得到采动底板破坏深度、基于断裂力学原理和mises屈服准则得到承压水导升高度以及利用煤层距离承压水的距离减所述采动底板破坏深度和压水导升高度得到底板隔水关键带厚度；然后依据采动底板破坏深度、承压水导升高度和底板隔水关键带厚度，以及极限平衡理论，得到底板突水极限水压和突水系数；最后利用所述突水系数与预设值的比较，以及所述底板突水极限水压与预设值的比较，对采动底板突水危险性进行判断，整个过程避免了人为主观因素的影响，保证了评价结果的准确性。
4.然而，与传统矿井突水不同，离层突水的演化是工程采动和原位覆岩耦合的结果，不同工程地质条件下离层突水的演化机理不同，因此孕灾-致灾过程中采动覆岩各监测信号的响应特点差异较大；离层突水的预警需要充分考虑采动覆岩结构演化规律，分析离层突水致灾机理，进而选取适当的监测指标进行综合预警，而仅根据现有的顶板突水的预警方法难以实现对采动工作面离层突水的准确预警，导致工作面推进过程中对离层水的预警具有一定盲目性，无法有效保障开采安全性。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：本发明的目的在于提供一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板突水微震预警方法，用于解决采动工作面离层突水微震预警指标选取方法不明确，离层突水难以准确预警的问题。
6.技术方案：
7.一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，所述煤矿顶板离层突水微震预警方法包括以下步骤：
8.s1、收集矿区/工作面的地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带；突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层；
9.s2、建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析采动作用下突水离层带下位隔
水层和上位岩层破断规律，查明离层突水致灾机理；具体地：
10.通过现场勘察、取芯和室内试验，获取工作面突水离层带岩层工程地质条件，获取内容包括岩石基本物理力学参数、突水离层带空间厚度、距煤层距离、工作面长度和工作面宽度；
11.在岩层初始变形阶段，岩层仅发生弹性变形，满足弹性力学理论，下位隔水层受到的荷载视为均布荷载，并将其等效为集中力；基于弹性力学理论，计算得到下位隔水层的正应力和切应力，进而得出下位隔水层的岩石单元的主应力；
12.上位岩层不受离层积水压和下覆岩层支撑力的作用，计算得到上位岩层的正应力和切应力，进而得到上位岩层的岩石单元的主应力：
13.基于摩尔-库伦准则，结合下位隔水层的岩石单元的主应力和上位岩层的岩石单元的主应力，计算得到上位岩层和下位隔水层破坏的判据；
14.s3，使用步骤s2得到的上位岩层和下位隔水层破坏的判据，分析采动覆岩突水离层带下位隔水层和上位岩层的破断顺序，在此基础上筛选、处理、综合多个微震指标，建立微震综合预警指标，获取携泥砂突水微震前兆信息；
15.其中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据小于上位岩层破断判据，选取每日总能量te、平均每次能量百和大于103j微震日总次数σ作为参与微震预警的指标；如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据大于上位岩层破断判据，选取每日总次数tn、平均每次能量e和小于103j微震日总次数f2作为参与微震预警的指标；如果工作面回采期间上位岩层和下位隔水层的破断判据相等，选取每日总次数tn和每日总能量te作为参与微震预警的指标。
16.进一步地，步骤s1中，建立采动覆岩工程地质模型的过程包括以下步骤：
17.根据矿区/工作面水文地质资料、矿区/工作面综合地层柱状图和地层剖面图，明确各岩层层系、厚度、岩性、结构和埋深；划分工程地质岩组，识别出煤层、主要含隔水层和隔水层。
18.进一步地，步骤s1中，所述下位隔水层为包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩在内的低渗透性隔水岩层；上位岩层为充水含水层，岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩中的其中一种或者多种。
19.进一步地，步骤s2中，基于弹性力学，下位隔水层的正应力和切应力为：
[0020][0021]
进而得出岩石单元的主应力为：
[0022]
[0023]
其中
[0024]
式中，σ
1，x
、σ
1，y
和τ
1，xy
分别为下位隔水层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
1，1
和σ
1，3
分别为下位隔水层的最大和最小主应力；pw为离层空间的水压；γ1为下位隔水层的岩石重度；h1和l1分别为下位隔水层的岩层的厚度和长度；e＝λγh，λ为下部岩层对隔水关键层的支撑系数；x1和y1分别为下位隔水层的受力点在x，y方向的坐标值。
[0025]
进一步地，步骤s2中，上位岩层的正应力和切应力为：
[0026][0027]
进而得出岩石单元的主应力为：
[0028][0029]
其中
[0030]
式中，σ
2，x
、σ
2，y
和τ
2，xy
分别为上位岩层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
2，1
和σ
2，3
分别为上位岩层的最大和最小主应力；γ2为上位岩层的岩石重度；h2和l2分别为上位岩层的厚度和长度；x2和y2分别为上位岩层的受力点在x，y方向的坐标值。
[0031]
进一步地，步骤s2中，假设岩层剪切破坏，基于摩尔-库伦准则，上位岩层和下位隔水层破坏的判据为：
[0032]
σ
1-kσ3＝ec[0033]
其中，σ1和σ3分别为对应岩层的正应力和切应力；分别为对应岩层的正应力和切应力；c，分别为对应岩层的岩石内聚力和内摩擦角；
[0034]
采用如下比值关系作为岩层破坏的判别指标，当f1(x，y)＞1时，岩层破断：
[0035][0036]
对于下位隔水层，
[0037][0038]
对于上位岩层，
[0039][0040]
根据采动覆岩关系，岩层几何参数与工作面参数的关系如下：
[0041]
b＝l-h(cotβ1+cotβ2)
[0042]
其中，l为工作面推进距离、工作面斜长；b为突水离层带岩层走向揭露长度；β1，β2为岩层移动角。
[0043]
进一步地，步骤s2中，如果下位隔水层和上位岩层为不同岩性组成的复合层位，取每层岩层物理力学参数的平均值作为破断判据的计算参数。
[0044]
进一步地，步骤s3中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据小于上位岩层破断判据，微震综合预警指标如下：
[0045]
me1＝sta(te)
·
sta(e)
·
sta(f)
[0046]
其中，sta()表示对指标进行标准化处理；根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总能量te，平均每次能量e，大于103j微震日总次数f1的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，1000)，(0，10)，(0，30)。
[0047]
进一步地，步骤s3中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据大于上位岩层破断判据，选取每日总次数tn、平均每次能量e和小于103j微震日总次数f2作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0048][0049]
根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总次数tn和小于103j微震日总次数f2的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，100)，(0，30)。
[0050]
进一步地，步骤s3中，如果工作面回采期间上位岩层和下位隔水层的破断判据相等，选取每日总次数tn和每日总能量te作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0051]
me3＝sta(tn)
·
sta(te)。
[0052]
进一步地，步骤s3中，综合预警信号为：
[0053]
w＝《me
t-me0》；
[0054]
其中，《》为判别函数，有式中，me
t
表示t时刻微震综合预警指标，me0为微震预警阈值，w取1表示指标达到预警阈值，0表示指标未达到预警阈值。
[0055]
有益效果：
[0056]
本发明提供的一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板突水微震预警方法，与现有顶板
突水预警方法的区别在于，该方法充分考虑离层突水的演化机理，建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析工作面推进期间导水通道形成力学机理，在此基础上提供不同工程地质件下微震指标选取方法，建立综合微震预警指标，可为矿井实际生产期间及时避灾提供更有指导性的借鉴。
附图说明
[0057]
图1为本发明实施例提供的突水离层带纵向结构示意图；
[0058]
图2为本发明实施例提供的突水离层带岩层固支梁力学模型图；
[0059]
图3为本发明实施例提供的考虑岩层结构演化的煤矿顶板突水微震预警方法流程图；
[0060]
图4为本发明实施例提供的工作面微震预警信号随时间演化曲线示意图。
具体实施方式
[0061]
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0062]
本发明公开了一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，所述煤矿顶板离层突水微震预警方法包括以下步骤：
[0063]
s1、收集矿区/工作面的地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带；突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层。
[0064]
s2、建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析采动作用下突水离层带下位隔水层和上位岩层破断规律，查明离层突水致灾机理。
[0065]
s3，使用步骤s2得到的上位岩层和下位隔水层破坏的判据，分析采动覆岩突水离层带下位隔水层和上位岩层的破断顺序，在此基础上筛选、处理、综合多个微震指标，建立微震综合预警指标，获取携泥砂突水微震前兆信息。
[0066]
参见图3，所述煤矿顶板离层突水微震预警方法具体包括以下步骤：
[0067]
s1、收集矿区/工作面地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带。
[0068]
s11、收集矿区/工作面地质资料，包括勘探钻孔资料、水文地质资料等，根据开采煤层、岩性、含水层等信息，建立采动覆岩工程地质模型，识别出矿区/工作面采动覆岩的突水离层带。具体为：
[0069]
本实施例中，“采动覆岩工程地质模型”是指，明确煤层开采信息(包括煤层厚度、煤层埋深、矿区/工作面宽度)和突水离层带及近场顶板岩层空间赋存位置(距煤层距离)的覆岩简化模型。建立采动覆岩工程地质模型，首先需要根据矿区/工作面水文地质资料及矿区/工作面综合地层柱状图、地层剖面图，明确各岩层层系、厚度、岩性、结构、埋深，然后划分工程地质岩组，识别出煤层、主要含隔水层、隔水层。
[0070]
s12、本实施例中的“突水离层带”是指可以引发离层突水的复合层位，突水离层带需要满足两个基本条件：一是有上位岩层和下位隔水层的组合结构，这样采动过程上位岩层和下位隔水层不均匀沉降；且下位隔水层在弯曲变形过程中并未发育导通的裂隙，仍保
持一定隔水层，此时在上位岩层和下位隔水层之间可以形成暂时封闭的离层，为离层积水提供空间。二是闭合的离层空间恰好位于含水层的附近，一般上位岩层为含水层，则在离层发育过程中，储存在含水层的地下水持续汇集到封闭的离层空间中，形成离层积水体，即离层突水的直接水源。
[0071]
本实施例中的“突水离层带”是指满足以上两个条件的复合层位，具体包括上位岩层、下位隔水层以及在两者之间形成的积水离层，也就是说，突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层，如图1所示。示例性的，下位隔水层包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等低渗透性隔水岩层；上位岩层一般为充水含水层，岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩等。
[0072]
s2、建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析采动作用下突水离层带下位隔水层和上位岩层破断规律，查明离层突水致灾机理。
[0073]
s21、下位隔水层基本力学模型
[0074]
首先，在岩层初始变形阶段，因变形范围较小，故可假设岩层仅发生弹性变形，满足弹性力学理论。因上覆离层积水体的传压作用，下位隔水层受到的荷载可视为均布荷载，并进一步等效为集中力。力学模型如附图2所示。基于弹性力学，下位隔水层的正应力和切应力为：
[0075][0076]
进而得出岩石单元的主应力为：
[0077][0078]
其中
[0079]
式中，σ
1，x
、σ
1，y
和τ
1，xy
分别为下位隔水层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
1，1
和σ
1，3
分别为下位隔水层的最大和最小主应力；pw为离层空间的水压；γ1为下位隔水层的岩石重度；h1和l1分别为下位隔水层的岩层的厚度和长度；r＝λγh，λ为下部岩层对隔水关键层的支撑系数；x1和y1分别为下位隔水层的受力点在x，y方向的坐标值。
[0080]
s22、上位岩层基本力学模型
[0081]
由于积水离层位于上位岩层和下位隔水层之间，上位岩层不受离层积水压和下覆岩层支撑力的作用，因此上位岩层的的正应力和切应力为：
[0082][0083]
进而得出岩石单元的主应力为：
[0084][0085]
其中
[0086]
式中，σ
2，x
、σ
2，y
和τ
2，xy
分别为上位岩层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
2，1
和σ
2，3
分别为上位岩层的最大和最小主应力；γ2为上位岩层的岩石重度；h2和l2分别为上位岩层的厚度和长度；x2和y2分别为上位岩层的受力点在x，y方向的坐标值。
[0087]
s23、岩层破断判据
[0088]
假设岩层剪切破坏，基于摩尔-库伦准则，上位岩层和下位隔水层破坏的判据为：
[0089]
σ
1-kσ3＝rcꢀꢀꢀ
(5)
[0090]
其中，σ1和σ3分别为对应岩层的正应力和切应力，即前文中的σ
1，1
和σ
1，3
，或者σ
2，1
和σ
2，3
；c，分别为对应岩层的岩石内聚力和内摩擦角。
[0091]
采用如下比值关系作为岩层破坏的判别指标，当f1(x，y)＞1时，岩层破断：
[0092][0093]
同上，此处的b1和b2可根据不同的岩层选择前文中的b
1，1
和b
1，3
，或者b
2，1
和b
2，3
。例如，针对上位岩层，当f1(x，y)＞1时，岩层破断：
[0094][0095]
根据采动覆岩关系，岩层几何参数与工作面参数的关系如下：
[0096]
b＝l-h(cotβ1+cotβ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0097]
其中，l为工作面推进距离、工作面斜长；b为“突水离层带”岩层走向揭露长度；β1，β2为岩层移动角，根据现场监测，取值范围一般为70度至85度。
[0098]
s24、通过现场勘察、取芯、室内试验等方法，获取工作面突水离层带岩层工程地质条件，包括岩石基本物理力学参数、突水离层带空间厚度、距煤层距离、工作面长度和宽度。须特殊注明的是，如果下位隔水层和上位岩层为不同岩性组成的复合层位，则取每层岩层物理力学参数的平均值作为破断判据的计算参数。
[0099]
s3、使用s2中提供的破断判据，分析突水离层带上位岩层和下位隔水层破断规律，建立微震综合预警指标。
[0100]
发生突水之前，白垩系水位下降表示封闭离层形成并持续积水，水位降幅和下降速率对离层突水预报预警有着重要的指示意义。然而，突水之前的白垩系水位变化特征直接指示了离层积水(水源)发育情况，却不能直接反应突水通道(导水裂隙)发育情况。在水位下降(直接水源条件满足)的前提下，进一步分析采动覆岩微震信号(导水通道发育情况)，对离层突水的预警有着重要意义。选取每日总次数、每日总能量、每次平均能量、＞103j能量日发生次数、《103j能量日发生次数等5个基本参数作为微震预警指标。
[0101]
根据s1的说明，突水离层带下位隔水层以泥质软岩为主，上位岩层以砂砾岩为主，不同工程地质条件下采动覆岩突水离层带裂隙-结构演化规律不同，进一步导致各工作面临近突水期间不同微震指标的响应特征差异较大。因此，若要通过微震信号对工作面离层突水进行预警，首先使用s2提供的突水离层带破断判据，分析采动覆岩突水离层带下位隔水层和上位岩层的破断顺序，在此基础上有针对性得筛选、处理、综合多个微震指标，获取携泥砂突水微震前兆信息，为回采期间灾害预报预警提供参考。
[0102]
根据采动作用下上位岩层和下位隔水层不同破断顺序，选取基本微震指标和构建微震综合预警指标的方法如下：
[0103]
情况1.如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据小于上位岩层破断判据，选取每日总能量te、平均每次能量百和大于103j微震日总次数作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0104]
me1＝sta(te)
·
sta(e)
·
sta(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0105]
其中，sta()表示对指标进行标准化处理。
[0106]
一般情况下的数据标准化处理是针对一组已知数据，选取其最大值和最小值进行计算；然而，微震综合预警是基于采动工作面实时生成的微震数据进行计算，换言之，未开采区域的微震数据是未知的，因此无法合理界定获取最大值和最小值的样本容量。为统一全矿井(矿区)微震预警，根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总能量te，平均每次能量e，大于103j微震日总次数f1的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，1000)，(0，10)，(0，30)。
[0107]
情况2.如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据大于上位岩层破断判据，选取每日总次数tn、平均每次能量e和小于103j微震日总次数f2作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0108][0109]
根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总次数tn和小于103j微震日总次数f2的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，100)，(0，30)。
[0110]
情况3.如果工作面回采期间上位岩层和下位隔水层的破断判据相等，选取每日总次数tn和每日总能量te作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0111]
me3＝sta(tn)
·
sta(te)
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0112]
据此，得到综合预警信号：
[0113]
w＝《me
t-me0》
ꢀꢀꢀ
(13)
[0114]
其中，《》为判别函数，有式中，me
t
表示t时刻微震综合预警指标，me0为微震预警阈值，w取1表示指标达到预警阈值，0表示指标未达到预警阈值。
[0115]
实施例
[0116]
下文将结合附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中国的实施例及实施例中的特性可以相互组合。
[0117]
以鄂尔多斯盆地永陇矿区崔木煤矿为例，将以上煤矿工作面顶板离层突水多参量综合预警方法应用到的崔木煤矿某工作面。
[0118]
一、识别采动覆岩“突水离层带”岩层。
[0119]
本实施例以崔木煤矿某工作面为例，通过采取地层资料，获取综合地层条件，划分综合地层岩组，如表1所示。根据崔木煤矿工程水文地质条件，可将白垩系洛河组含水层底部粗砂岩视为“突水离层带”上位岩层，侏罗系安定组泥岩层为“突水离层带”下位隔水层。工作面宽度165m，走向长度800m，平均采高7m，工作面白垩系含水层水压为2mpa，根据现场监测，岩层破断角为80
°
。
[0120]
表1崔木煤矿21308工作面地层条件
[0121][0122]
二、突水离层带破断规律判别及基本预警指标选取
[0123]
将表2中参数代入式(6)，计算岩层几何中心处(1/2，0)处的f值，得到下位隔水层破断判据f1(1/2，0)＝5.4，而上位岩层破断判据f2(1/2，0)＝6.6＞f1(1/2，0)＝5.4。
[0124]
表2突水离层带破断判据计算参数
[0125][0126]
崔木煤矿21308工作面微震预警指标选取方法如下：
[0127]
根据以上对下位隔水层和上位岩层破断判据f的计算，判定21308工作面复合s32中的情况1，因此该工作面选取每日总能量te、平均每次能量e和大于103j微震日总次数f1作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：
[0128]
me＝sta(te)
·
sta(e)
·
sta(f)
[0129]
根据w＝《me
t-me0》，得到工作面微震预警信号如图4所示。可见，基于本发明提出的微震预警方法，工作面共出现两次w＝1，而在第二次预警之后工作出现突水，证明本发明可
为顶板离层突水预警提供参考。
[0130]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，所述煤矿顶板离层突水微震预警方法包括以下步骤：s1、收集矿区/工作面的地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带；突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层；s2、建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析采动作用下突水离层带下位隔水层和上位岩层破断规律，查明离层突水致灾机理；具体地：通过现场勘察、取芯和室内试验，获取工作面突水离层带岩层工程地质条件，获取内容包括岩石基本物理力学参数、突水离层带空间厚度、距煤层距离、工作面长度和工作面宽度；在岩层初始变形阶段，岩层仅发生弹性变形，满足弹性力学理论，下位隔水层受到的荷载视为均布荷载，并将其等效为集中力；基于弹性力学理论，计算得到下位隔水层的正应力和切应力，进而得出下位隔水层的岩石单元的主应力；上位岩层不受离层积水压和下覆岩层支撑力的作用，计算得到上位岩层的正应力和切应力，进而得到上位岩层的岩石单元的主应力：基于摩尔-库伦准则，结合下位隔水层的岩石单元的主应力和上位岩层的岩石单元的主应力，计算得到上位岩层和下位隔水层破坏的判据；s3，使用步骤s2得到的上位岩层和下位隔水层破坏的判据，分析采动覆岩突水离层带下位隔水层和上位岩层的破断顺序，在此基础上筛选、处理、综合多个微震指标，建立微震综合预警指标，获取携泥砂突水微震前兆信息；其中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据小于上位岩层破断判据，选取每日总能量te、平均每次能量e和大于103j微震日总次数f1作为参与微震预警的指标；如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据大于上位岩层破断判据，选取每日总次数tn、平均每次能量e和小于103j微震日总次数f2作为参与微震预警的指标；如果工作面回采期间上位岩层和下位隔水层的破断判据相等，选取每日总次数tn和每日总能量te作为参与微震预警的指标。2.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s1中，建立采动覆岩工程地质模型的过程包括以下步骤：根据矿区/工作面水文地质资料、矿区/工作面综合地层柱状图和地层剖面图，明确各岩层层系、厚度、岩性、结构和埋深；划分工程地质岩组，识别出煤层、主要含隔水层和隔水层。3.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s1中，所述下位隔水层为包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩在内的低渗透性隔水岩层；上位岩层为充水含水层，岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩中的其中一种或者多种。4.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s2中，基于弹性力学，下位隔水层的正应力和切应力为：
进而得出岩石单元的主应力为：其中式中，σ
1，x
、σ
1，y
和τ
1，xy
分别为下位隔水层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
1，1
和σ
1，3
分别为下位隔水层的最大和最小主应力；p
w
为离层空间的水压；γ1为下位隔水层的岩石重度；h1和l1分别为下位隔水层的岩层的厚度和长度；e＝λγh，λ为下部岩层对隔水关键层的支撑系数；x1和y1分别为下位隔水层的受力点在x，y方向的坐标值。5.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s2中，上位岩层的正应力和切应力为：进而得出岩石单元的主应力为：其中式中，σ
2，x
、σ
2，y
和τ
2，xy
分别为上位岩层在x，y方向的主应力以及x-y平面的切应力；σ
2，1
和σ
2，3
分别为上位岩层的最大和最小主应力；γ2为上位岩层的岩石重度；h2和l2分别为上位岩层的厚度和长度；x2和y2分别为上位岩层的受力点在x，y方向的坐标值。6.根据权利要求5所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特
征在于，步骤s2中，假设岩层剪切破坏，基于摩尔-库伦准则，上位岩层和下位隔水层破坏的判据为：σ
1-kσ3＝r
c
其中，σ1和σ3分别为对应岩层的正应力和切应力；分别为对应岩层的正应力和切应力；分别为对应岩层的岩石内聚力和内摩擦角；采用如下比值关系作为岩层破坏的判别指标，当f1(x，y)＞1时，岩层破断：对于下位隔水层，对于上位岩层，根据采动覆岩关系，岩层几何参数与工作面参数的关系如下：b＝l-h(cotβ1+cotβ2)其中，l为工作面推进距离、工作面斜长：b为突水离层带岩层走向揭露长度；β1，β2为岩层移动角。7.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s3中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据小于上位岩层破断判据，微震综合预警指标如下：me1＝sta(te)
·
sta(e)
·
sta(f)其中，sta()表示对指标进行标准化处理；根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总能量te，平均每次能量e，大于103j微震日总次数f1的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，1000)，(0，10)，(0，30)。8.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s3中，如果工作面回采期间下位隔水层的破断判据大于上位岩层破断判据，选取每日总次数tn、平均每次能量百和小于103j微震日总次数f2作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：根据已采工作面各微震指标的变化尺度，选取每日总次数tn和小于103j微震日总次数f2的标准化尺度(最小值，最大值)分别为(0，100)，(0，30)。
9.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s3中，如果工作面回采期间上位岩层和下位隔水层的破断判据相等，选取每日总次数tn和每日总能量te作为参与微震预警的指标，微震综合预警指标如下：me3＝sta(tn)
·
sta(te)。10.根据权利要求1所述的考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，其特征在于，步骤s3中，综合预警信号为：w＝<me
t-me0>；其中，<>为判别函数，有式中，me
t
表示t时刻微震综合预警指标，me0为微震预警阈值，w取1表示指标达到预警阈值，0表示指标未达到预警阈值。

技术总结
本发明公开了一种考虑岩层结构演化的煤矿顶板离层突水微震预警方法，包括：收集矿区/工作面的地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带；建立采动覆岩突水离层带结构力学模型，分析采动作用下突水离层带下位隔水层和上位岩层破断规律，查明离层突水致灾机理；分析采动覆岩突水离层带下位隔水层和上位岩层的破断顺序，在此基础上筛选、处理、综合多个微震指标，建立微震综合预警指标，获取携泥砂突水微震前兆信息。本发明能够解决采动工作面离层突水微震预警指标选取方法不明确，离层突水难以准确预警的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：刘梦楠 乔伟 孟祥胜 王启庆 程香港 谢俊霞 黄荣杰
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/23