一种冲击地压启动能量阈值确定方法及冲击地压预测方法技术

本发明专利技术公开了一种冲击地压启动能量阈值确定方法及冲击地压预测方法，包括以下步骤：第一、制备煤样试件；第2、对煤样试件进行三轴加载试验并监测煤样声发射事件，获得整体三轴压缩偏应力‑轴向应变曲线和煤样声发射事件演化曲线；第3、根据整体三轴压缩偏应力‑轴向应变曲线，计算获得弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线；第4、将煤样声发射事件演化曲线与弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线组合成声发射事件与能量耗散演化特征曲线；第5、根据声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定冲击地压启动能量阈值。本发明专利技术能够较好反映采动煤岩体能量值的分布状态，还能充分反映了深部煤岩体受力特征。

A Method for Determining Energy Threshold of Rockburst Starting and Predicting Rockburst

The invention discloses a method for determining the threshold value of starting energy of rock burst and a method for predicting rock burst, including the following steps: first, preparing coal sample; second, carrying out triaxial loading test on coal sample and monitoring the acoustic emission events of coal sample, obtaining the overall triaxial compression bias stress, axial strain curve and the evolution curve of acoustic emission events of coal sample; third, according to the overall triaxial compression; The curve of shrinkage deviation stress axial strain is calculated to obtain the evolutionary law curve of elastic energy ratio and dissipated energy ratio; 4. The evolutionary law curve of coal acoustic emission events and elastic energy ratio and dissipated energy ratio is combined to form the evolutionary characteristic curve of acoustic emission events and energy dissipation; 5. The initiation energy of rock burst is determined according to the evolutionary characteristic curve of acoustic emission events and energy dissipation. Threshold value. The invention can better reflect the distribution state of energy value of mining coal and rock mass, and can fully reflect the mechanical characteristics of deep coal and rock mass.

【技术实现步骤摘要】
一种冲击地压启动能量阈值确定方法及冲击地压预测方法
本专利技术涉及煤矿冲击地压，属于深部工作面煤层冲击地压启动能量阈值及确定方法领域，尤其涉及一种冲击地压启动能量阈值确定方法及冲击地压预测方法。
技术介绍
冲击地压是高应力下高储能煤岩体突然、急剧、猛烈破坏的一种矿山动力现象。近十年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，冲击地压发生的频率和强度逐渐增大，已成为制约我国煤矿安全生产的主要灾害之一。而准确高效的预测冲击地压是开展冲击地压防治工作的重要前提，这就要求建立一种反映煤体当前的受力状态的冲击地压预测指标。目前，能量指标能够用来预测或评价冲击地压的理论基础，是假设其触发条件与能量指标具有某种量化关系或规律性，因此将冲击地压能量启动条件的问题转化为寻找一种或多种适当的能量指标与触发冲击地压的某种参量(如驱动煤岩体材料内部裂纹持续扩展、贯通、汇聚的外部力或能量)建立量化关系。人们在防治冲击地压研究过程中已证实了上述假设的存在，如前苏联研究发现弹性应变潜能或弹性能密度(煤岩体材料内部裂纹汇聚成宏观裂纹时所存储的弹性应变能)与冲击地压存在密切关联，而问题在于如何构建能量指标或构建什么样的指标更适合表征冲击地压启动条件。由于回采巷道边界附近煤岩体已发生塑性破坏，在采动应力调整过程中，高应力向煤层深部转移，最大能量积聚的区域已发育至煤层深处。随着远离采掘空间，深处能量集中区煤岩体侧向约束力不断提高，处于双向受力甚至是三向受力状态。可见，用于评价深部采煤工作面冲击危险性的能量指标应能够反映煤体当前的受力状态，即是应力状态的函数。此外，从能量的角度评估煤体失稳破坏必须回答的两个问题，其一为煤岩体内部储能是否达到了自激失稳的条件，其二为变形破坏过程中能量是如何转换？能否有效反映上述两个问题是建立冲击地压能量阈值关键。为了解决上述的部分问题，中国专利CN201510378763.4，(申请号201510378763.4)公布了一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，此方法根据现场坚硬顶板和煤体的实际厚度制作相应比例的标准煤岩组合体试件，通过对煤岩组合体进行单轴压缩试验，获得煤岩体组合体应力应变曲线，由此计算煤岩组合体试件剩余能量释放，评估煤岩体冲击倾向性，进而实现对冲击地压危险性评估。该装置存在的缺点是：该专利提供的方法是依据单轴压缩试验结果，建立煤岩体冲击危险性评估指标，不能很好的反映深部煤岩体双向或三向受力状态；另外，专利提供的冲击危险性指标，通过评价煤岩体冲击倾向性实现对冲击地压的预测或预警，不能对冲击地压地压发生的位置与强度进行直接圈定。目前，为满足对煤矿冲击地压发生的位置与强度直接圈定的要求，建立一种反映煤体当前的受力状态的冲击地压预测指标具有非常重要的工程意义和理论价值，如何建立能够反映煤岩体受力状态的冲击地压预测能量阈值，是本领域技术人员一直想解决而仍未解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种能满足对煤矿冲击地压发生的位置与强度直接圈定要求的冲击地压启动能量阈值确定方法及冲击地压预测方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本专利技术提供的冲击地压启动能量阈值确定方法，其包括以下步骤：第一步：制备煤样试件；第二步、对煤样试件进行三轴加载试验并监测煤样声发射事件，获得整体三轴压缩偏应力-轴向应变曲线和煤样声发射事件演化曲线；具体过程为：第2.1步、采用压力机对所述煤样试件施加轴向应力和最小主应力，达到初始设定静水压力状态时，轴向应力和最小主应力相等；第2.2步、开启加载设备对煤样试件在各种最小主应力下进行常规三轴加载实验，获取煤样试件在各种最小主应力下的偏应力-轴向应变曲线，同时开启声发射设备，最小主应力保持不变，轴向载荷通过轴向位移施加直到试件破坏，加载速率为0.05mm/s，在此过程中获取各种最小主应力下的煤样声发射事件演化曲线。进一步地，所述步骤2.4中的多种最小主应力包括10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa。进一步地，所述压力机为RLJW-200型岩石伺服压力实验机，所述声发射设备为CAT-2声发射监测仪，所述CAT-2声发射监测仪的门槛值设置为46dB，采样频率为2.5MHz。第三步、根据所述的各种最小主应力下的三轴压缩偏应力-轴向应变曲线，计算获得各种最小主应力下的弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线；具体计算过程如下：第3.1步、计算三轴加载实验过程中，煤样试件所储存的弹性应变能Ue：式(1)中：Eu和μu分别为煤样试件的卸载弹性模量和卸载泊松比，其值可由三轴加卸载试验获得；σ1为轴向应力；σ3为最小主应力；第3.2步、根据三轴压缩偏应力-轴向应变曲线通过公式(2)和(3)积分获得压力机输入的能量U1和消耗的能量U2，其中，式(2)和(3)中：σ1为轴向应力；σ3为最小主应力；ε1为三轴最小主应力压缩状态下煤样轴向应变；ε3为三轴最小主应力压缩状态下煤样径向应变；第3.3步、计算受载煤体试件发生塑性变形或内部裂纹扩展、汇聚所耗散的耗散能Ud；Ud＝U1+U2-Ue(4)式(4)中，U1为压力机输入的能量，U2为压力机消耗的能量；Ue为弹性应变能；第3.4步、计算弹性能比率β和耗散能比率α，其中：β＝Ue/U(5)α＝Ud/U(6)U＝Ue+Ud(7)第3.5步、根据第3.4步得到的弹性能比率β和耗散能比率α值通过origin数据分析软件获得各个最小应力下的弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线；第四步、将所述的各个最小应力下的煤样声发射事件演化曲线与弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线通过origin数据分析软件获得每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线；第五步、根据所述声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定冲击地压启动能量阈值：具体包括：第5.1步、根据每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定每个最小主应力下对应煤体裂纹非稳定性扩展的起点，将该起点作为冲击地压启动能量点，第5.2步：将获得的冲击地压启动能量点对应的煤样峰值强度以及轴向载荷利用公式(8)计算出在各个最小主应力下的冲击地压启动能量点的弹性应变能，其值可作为各个最小主应力下的冲击地压启动能量阈值。第5.3步、根据获得的各个最小主应力下的冲击地压启动能量阈值，通过拟合方式得到冲击地压启动能量阈值与最小主应力σ3的关系式为：Ue′＝Ucσ31.05473，R2＝0.98005(9)式(9)中，σ3为最小主应力；Ue′——冲击地压启动能量阈值；Uc为单轴状态下极限能密度。利用本专利技术获得的冲击地压启动能量阈值预测冲击地压方法为：首先，获得深部矿井采掘活动过程中每个煤体单元煤体所积聚的弹性应变能；其次，计算获得的每个煤体单元煤体所积聚的弹性应变能与冲击地压启动能量阈值之比，比值为Kc，Kc指标反映了围压对冲击地压的控制作用，能对采动煤层深部煤体能量的积聚程度做出定量预测；最后，根据Kc值可对该煤体单元所处的应变型冲击地压发生区域与强度进行圈定，当Kc＜0.3时，则该煤体单元煤体所处的变形冲击地压发生区域与强度圈定不可能发生；当0.3≤Kc＜0.5时，此区域具有轻微冲击危险性；当0.5≤Kc＜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冲击地压启动能量阈值确定方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步：制备煤样试件；第二步、对煤样试件进行三轴加载试验并监测煤样声发射事件，获得整体三轴压缩偏应力‑轴向应变曲线和煤样声发射事件演化曲线；第三步、根据所述的各种最小主应力下的三轴压缩偏应力‑轴向应变曲线，计算获得各种最小主应力下的弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线；第四步、将所述的各个最小应力下的煤样声发射事件演化曲线与弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线通过origin数据分析软件获得每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线；第五步、根据所述声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定冲击地压启动能量阈值：具体包括：第5.1步、根据每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定每个最小主应力下对应煤体裂纹非稳定性扩展的起点，将该起点作为冲击地压启动能量点，第5.2步：将获得的冲击地压启动能量点对应的煤样峰值强度以及轴向载荷利用公式(8)计算出在各个最小主应力下的冲击地压启动能量点的弹性应变能，其值可作为各个最小主应力下的冲击地压启动能量阈值。

【技术特征摘要】
2018.10.22 CN 20181122945891.一种冲击地压启动能量阈值确定方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步：制备煤样试件；第二步、对煤样试件进行三轴加载试验并监测煤样声发射事件，获得整体三轴压缩偏应力-轴向应变曲线和煤样声发射事件演化曲线；第三步、根据所述的各种最小主应力下的三轴压缩偏应力-轴向应变曲线，计算获得各种最小主应力下的弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线；第四步、将所述的各个最小应力下的煤样声发射事件演化曲线与弹性能比率和耗散能比率演化规律曲线通过origin数据分析软件获得每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线；第五步、根据所述声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定冲击地压启动能量阈值：具体包括：第5.1步、根据每个最小主应力下对应的声发射事件与能量耗散演化特征曲线确定每个最小主应力下对应煤体裂纹非稳定性扩展的起点，将该起点作为冲击地压启动能量点，第5.2步：将获得的冲击地压启动能量点对应的煤样峰值强度以及轴向载荷利用公式(8)计算出在各个最小主应力下的冲击地压启动能量点的弹性应变能，其值可作为各个最小主应力下的冲击地压启动能量阈值。第5.3步、根据获得的各个最小主应力下的冲击地压启动能量阈值，通过拟合方式得到冲击地压启动能量阈值与最小主应力σ3的关系式为：Ue′＝Ucσ31.05473，R2＝0.98005(9)式(9)中，σ3为最小主应力；Ue′——冲击地压启动能量阈值；Uc为单轴状态下极限能密度。2.如权利要求1所述的冲击地压启动能量阈值确定方法，其特征在于，所述的步骤二具体包括：第2.1步、采用压力机对所述煤样试件施加轴向应力和最小主应力，达到初始设定静水压力状态时，轴向应力和最小主应力相等；第2.2步、开启加载设备对煤样试件在各种最小主应力下进行常规三轴加载实验，获取煤样试件在各种最小主应力下的偏应力-轴向应变曲线，同时开启声发射设备，最小主应力保持不变，轴向载荷通过轴向位移施加直到试件破...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，杨尚，宁建国，邱鹏奇，商和福，郝嘉伟，茹文凯，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37