基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法技术

本发明专利技术提供的一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，包括步骤：S1：建立巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型；S2：采集待判断巷道的参数，带入鼓胀量临界值的计算模型，计算得到待判断巷道冲击地压的鼓胀量临界值；S3：采集待判断巷道围岩的实际鼓胀量，将实际鼓胀量与计算得到的鼓胀量临界值进行比较，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警；本发明专利技术通过对最大弹性鼓胀量的计算可以表征巷道材料失稳型冲击地压的临界状态，将计算得到的最大弹性鼓胀量作为巷道冲击地压的预警判断的阈值，可以精确快速地对巷道冲击地压触发进行预警，可广泛应用于现场工程指导，避免或减少冲击事故的发生，保证矿井的安全生产。

【技术实现步骤摘要】
基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法
本专利技术涉及煤矿井下安全预测的
，具体涉及一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法。
技术介绍
冲击地压问题是困扰采矿与岩石工程界的一个突出问题，在我国随着采深增加和开采强度不断加大，煤矿冲击地压日趋严峻和复杂，因此研究冲击地压的发生机理，揭示其发生过程对我国煤矿安全高效生产具有重大意义。冲击矿压是一种复杂的矿山动力现象，各国学者先后提出了一系列冲击地压触发理论，主要包括强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、“三准则”理论、“三因素”理论、失稳理论及动静载荷叠加理论等，从不同角度对冲击地压的发生条件和过程进行了系统的描述和论证，取得了很多宝贵的成果。姜耀东等人提出了煤矿冲击地压的三种力学模型：材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。其中，材料失稳型冲击地压是指井巷或工作面周围岩体开挖过程中，煤岩体内应力集中达到一定程度后，煤岩材料内部裂纹不断扩展、贯通、汇聚，并导致一定范围内的煤岩体发生弹射、爆炸式的破坏而发生的冲击突出，其在矿井作业中比较常见。然而，由于冲击地压机理复杂、影响因素众多，到目前为止针对材料失稳型冲击地压的发生及防治机理认识仍然不够具体，对现场工程的指导有限，致使目前仍然冲击事故频发，严重威胁矿井的安全生产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，根据巷道围岩屈服力场的屈服函数呈类曲线分布的规律，通过对最大弹性鼓胀量的计算可以表征巷道材料失稳型冲击地压的临界状态，将计算得到的最大弹性鼓胀量作为巷道冲击地压的预警判断的阈值，可以精确快速地对巷道冲击地压触发进行预警，可广泛应用于现场工程指导，避免或减少冲击事故的发生，保证矿井的安全生产。本专利技术提供一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，包括步骤：S1：建立巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型；S2：采集待判断巷道煤体的参数，带入鼓胀量临界值的计算模型，计算得到待判断巷道冲击地压的鼓胀量临界值；S3：采集待判断巷道煤体的实际鼓胀量，将实际鼓胀量与计算得到的鼓胀量临界值进行比较，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警。进一步，所述巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型为：其中，U表示巷道冲击地压的鼓胀量临界值，Q表示压力系数，E表示弹性模量，L表示巷道高度。进一步，所述(1)式的建立具体包括：S11：分别建立巷道煤体壁面在y＝0和处的应力计算模型；S12：分别对巷道煤体壁面在y＝0和处的应力计算模型在水平方向上进行积分得到巷道煤体壁面在y＝0和处应变的计算模型，其中，积分自变量x的取值范围为[0，∞)；S13：分别对巷道煤体壁面在y＝0和处的应边计算模型在水平方向上进行积分得到巷道煤体壁面在y＝0和处位移的计算模型，其中，积分自变量x的取值范围为[0，∞)；S14：巷道煤体壁面在y＝0处位移的计算模型和巷道煤体壁面在处位移的计算模型相减，得到巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型；S15：将巷道煤体壁面在y＝0和处的应力相等作为巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型约束条件带入巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型，进行变换，得到(1)式。进一步，所述步骤S2中采集待判断巷道煤体的参数为巷道高度。进一步，所述巷道煤体壁面在y＝0处的应力计算模型为：其中，y＝0表示在竖直方向上高度为0处的巷道煤体壁面，σx|y＝0表示在竖直方向上高度为0处的巷道煤体壁面受到的应力，x表示巷道煤体壁面受到应力作用发生的水平方向上的位移；所述巷道煤体壁面在处的应力计算模型为：其中，表示在竖直方向上高度为处的巷道煤体壁面，表示在竖直方向上高度为处的巷道煤体壁面受到的应力，x表示巷道煤体壁面受到应力作用发生的水平方向上的位移。进一步，所述巷道煤体壁面在y＝0处应变的计算模型为：其中，εx|y＝0表示在竖直方向上高度为0处的巷道煤体壁面的应变，Q表示压力系数，E表示弹性模量，μ表示泊松比，σy表示巷道煤体壁面受到应力在竖直方向上的分力；所述巷道煤体壁面在处应变的计算模型为：其中，表示在竖直方向上高度为处的巷道煤体壁面的应变，Q表示压力系数，E表示弹性模量，μ表示泊松比，σy表示巷道煤体壁面受到应力在竖直方向上的分力。进一步，所述巷道煤体壁面在y＝0处位移的计算模型为：其中，ux|y＝0表示在竖直方向上高度为0处的巷道煤体壁面的位移；巷道煤体壁面在处位移的计算模型为：其中，表示在竖直方向上高度为处的巷道煤体壁面的位移。本专利技术的有益效果：本专利技术根据巷道围岩屈服力场的屈服函数呈类曲线分布的规律，通过对最大弹性鼓胀量的计算可以表征巷道冲击地压的临界状态，将计算得到的最大弹性鼓胀量作为巷道冲击地压的预警判断的阈值，可以精确快速地对巷道冲击地压触发进行预警，可广泛应用于现场工程指导，避免或减少冲击事故的发生，保证矿井的安全生产。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术的流程示意图；图2为半无限大板受力示意图；图3为在笛卡尔坐标系中内摩擦角屈服函数F等值线；图4为修正粘聚力C后，在笛卡尔坐标系中内摩擦角屈服函数F等值线；图5为修正粘聚力C后，在笛卡尔坐标系中内摩擦角屈服函数F等值线；图6为修正粘聚力C后，在笛卡尔坐标系中内摩擦角屈服函数F等值线；图7为修正粘聚力C后，在笛卡尔坐标系中内摩擦角屈服函数F等值线；图8为标准圆柱型煤样示意图；图9为应力达到其抗压强度大约60％时煤样示意图；图10为应力达到其抗压强度大约78％时煤样示意图；图11为应力达到峰值强度时煤样示意图；图12为以煤体为材料模型的平面正方形模型塑性应变计算结果示意图；图13为巷道开挖平面模型，模拟上覆20MPa压力下，巷道的塑性变形示意图；图14为煤矿冲击地压发生后煤壁一侧呈现出内凹的表面形状和冲出岩体的三角形的现场图Ⅰ；图15为煤矿冲击地压发生后煤壁一侧呈现出内凹的表面形状和冲出岩体的三角形的现场图Ⅱ。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，包括步骤：S1：建立巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型；S2：采集待判断巷道煤体的参数，带入鼓胀量临界值的计算模型，计算得到待判断巷道冲击地压的鼓胀量临界值；本申请所指的巷道冲击地压是指材料失稳型冲击地压，本申请所指的巷道为矩形巷道，后文不再赘述。S3：采集待判断巷道煤体的实际鼓胀量，将实际鼓胀量与计算得到的鼓胀量临界值进行比较，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警。实际鼓胀量越接近鼓胀量临界值则巷道冲击地压发生煤岩破裂的风险越大。材料失稳型冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于采动应力或顶板大面积悬顶突然破断或矿震诱发而产生突然剧烈破坏的动力现象，经常是煤柱或巷道围岩大面积的冲击突出而发生整体井巷结构失稳，如孤岛工作面的开采、煤柱的回收、坚硬顶板下的煤层开采等。需要说明的是，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警可以将鼓胀量临界值为基准，设定并计算预警阈值范围为[B1U，B2U]，U为鼓胀量临界值，B1为鼓胀量下限阈值系数，B2为鼓胀量上限阈值系数，0＜B1＜1＜B2；例如：计算得到的鼓胀量临界值为8.8cm，设定实际鼓胀量在[0.81U，1.61U本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，其特征在于：包括步骤：S1：建立巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型；S2：采集待判断巷道的参数，带入鼓胀量临界值的计算模型，计算得到待判断巷道冲击地压的鼓胀量临界值；S3：采集待判断巷道围岩的实际鼓胀量，将实际鼓胀量与计算得到的鼓胀量临界值进行比较，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警。

【技术特征摘要】
1.一种基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，其特征在于：包括步骤：S1：建立巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型；S2：采集待判断巷道的参数，带入鼓胀量临界值的计算模型，计算得到待判断巷道冲击地压的鼓胀量临界值；S3：采集待判断巷道围岩的实际鼓胀量，将实际鼓胀量与计算得到的鼓胀量临界值进行比较，根据比较结果对巷道冲击地压进行预警。2.根据权利要求1所述基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，其特征在于：所述巷道冲击地压的鼓胀量临界值的计算模型为：其中，U表示巷道冲击地压的鼓胀量临界值，Q表示压力系数，E表示弹性模量，L表示巷道高度。3.根据权利要求2所述基于鼓胀量临界状态的材料失稳型巷道冲击地压的预警方法，其特征在于：所述(1)式的建立具体包括：S11：分别建立巷道围岩壁面在y＝0和处的应力计算模型；S12：分别对巷道围岩壁面在y＝0和处的应力计算模型在水平方向上进行积分得到巷道围岩壁面在y＝0和处应变的计算模型，其中，积分自变量x的取值范围为[0，∞)；S13：分别对巷道围岩壁面在y＝0和处的应边计算模型在水平方向上进行积分得到巷道围岩壁面在y＝0和处位移的计算模型，其中，积分自变量x的取值范围为[0，∞)；S14：巷道围岩壁面在y＝0处位移的计算模型和巷道围岩壁面在处位移的计算模型相减，得到巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型；S15：将巷道围岩壁面在y＝0和处的应力相等作为巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型约束条件带入巷道冲击地压的鼓胀量的计算模型，进行变换，得到(1)式。4.根据权利要求1所述基于鼓胀量...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中光，郭江涛，孟小红，苟怡，赵光绪，张金豪，赵庆川，何青松，贺奎，张加易，郑芳菲，薛宗杰，常利铭，任高建，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50