一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，涉及煤岩冲击倾向性测试及冲击地压灾害防治技术领域。该方法的步骤包括：根据实际煤岩高度比例制备试件，加载试件获取应力应变曲线，计算获得顶板岩体回弹所释放的能量、煤体部分峰前积聚的能量和峰后释放的能量，计算得到考虑顶板反弹及损伤效应的冲击能量指标，判定煤岩组合体的冲击倾向性。该方法不需要计算顶板的弯曲能指数，提高了测试效率，同时避免了顶板和煤层冲击倾向性不一致的问题，提高了对煤岩层冲击倾向性评价的准确性，从而指导冲击地压的防治，保证安全生产。

An evaluation method of impact tendency of coal rock combination considering damage effect

【技术实现步骤摘要】
一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法
本专利技术涉及煤岩冲击倾向性测试及冲击地压灾害防治
，一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法。
技术介绍
冲击地压问题已成为岩石力学中的重点研究领域，而煤岩冲击倾向性评价属于冲击地压研究中的主要研究内容之一。冲击倾向性，是指煤岩体是否能够发生冲击地压的自然属性，可通过实验室测试鉴定，煤岩冲击倾向性也是评价煤矿冲击地压发生危险的重要依据。目前，常用的冲击倾向性指标包括弹性能量指数WET、冲击能量指数KE、动态破坏时间DT、单轴抗压强度σc等，但以上指标只以煤体作为研究对象。根据国家标准GB/T25217.1-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》第1部分：顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法，规定了判定顶板的冲击倾向性时，需要确定顶板的弯曲能量指数。然而实际上冲击地压发生是“煤体-围岩”系统的共同作用。在冲击地压发生时，一般以煤体破坏为主，顶板会以反弹形式作用于煤体，为煤体产生动力破坏提供能量。因此若忽略顶板的反弹作用，对煤岩层冲击倾向性的评价会低于实际值。专利文献1(CN105021457B)公开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，制备煤岩组合体试件；计算标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率；评估标准煤岩组合体试件倾向性。解决了煤岩的组合效应和组合体的尺寸效应对冲击倾向性的影响，以煤岩组合体剩余能量释放速率来评价煤层冲击倾向性，克服了单纯采用能量指标和破坏时间指标存在的片面性。现有的煤、岩冲击倾向性评价还存在，在考虑顶板反弹作用的冲击倾向性评价指标中，通常将顶板视为完全弹性体，忽略了顶板岩层的损伤效应，对煤岩层冲击倾向性评价会高于实际值。分别对煤层和岩层进行冲击倾向评价时，经常会出现顶板为强冲击倾向，煤层为弱/中冲击倾向性的矛盾情况。因此，为准确评价煤岩层冲击倾向性，需要对现有的煤岩组合体冲击倾向性评价方法做进一步的改进。
技术实现思路
为了提高煤岩组合体冲击倾向性评价的准确性，避免顶板和煤层冲击倾向性不一致的问题，并提升冲击倾向性测试的效率，本专利技术提供了一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，具体技术方案如下。一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，步骤包括：步骤A.根据实际煤岩高度比例制备多个煤岩组合试件；步骤B.加载煤岩组合试件，获取应力σ-应变ε曲线；步骤C.计算获得顶板岩体回弹所释放的能量ΦSR、煤体部分峰前积聚的能量μ1和峰后释放的能量μ2，其中式中，ε0为岩体部分释放弹性能后达到的应变值；ε1为岩体部分释放弹性能前达到的最大应变值；ε2为煤体破坏前能达到的最大应变值；ε3为煤体破坏后能达到的最大应变值；步骤D.计算得到考虑顶板反弹及损伤效应的冲击能量指标KED，其中步骤E.判定煤岩组合体的冲击倾向性，其中当KED＜2时，判定为无冲击倾向性，当2≤KED＜6时，判定为弱冲击倾向性，当KED≥6时，判定为强冲击倾向性。优选的是，步骤A中，实际煤岩高度比例中岩体高度取直接顶的高度，通过钻孔探测确定；所述煤岩组合试件整体为长方体或圆柱体标准试件，长方体试件的尺寸为长×宽×高＝50mm×50mm×100mm，圆柱体试件的尺寸为直径×高＝50mm×100mm；煤体部分和岩体部分的高度比例与实际煤岩高度比例相同。还优选的是，步骤B中，对煤岩组合试件进行单轴压缩试验，应变ε的测量可通过电测法、光测法或机械法确定，所述电测法利用应变片测量，在组合试件的各个侧面粘贴应变片，通过四面平均法消除表面微小缺陷，应变片连接静态应变仪或动态应变仪，记录组合试件的应变；所述光测法利用散斑摄像机测量，在组合试件的表面喷射散斑点，散斑摄像机记录试件的变形破坏过程，通过散斑摄像机记录的图片得到组合试件的应变；所述机械法利用拉线式位移传感器或千分表测量，在组合试件的煤岩分界处引伸辅助测量导杆，拉线式位移传感器或千分表与辅助测量导杆相连，确定组合试件的应变。本专利技术提供的一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法的有益效果是：(1)该方法利用顶板岩体回弹所释放的能量、煤体部分峰前积聚的能量和峰后释放的能量计算确定煤岩组合体冲击倾向性，考虑了顶板的反弹以及损伤效应，因此对煤岩层的冲击倾向性评价更加准确。(2)该方法不需要确定顶板的弯曲能量指数，节约冲击倾向性评价的测试时间，提高了冲击倾向性评价的效率；煤岩组合体合并进行测试，避免了顶板和煤层冲击倾向性不一致的情况，评价结果更加接近工程实际，对矿井冲击地压防治具有重要的指导意义和参考价值。附图说明图1是煤岩组合试件的示意图；图2是加载煤岩组合试件的示意图；图3是应力应变曲线示意图；图4是煤岩组合体冲击倾向性评价方法流程示意图；图中：1-煤体，2-岩体，3-应变片，4-试验机，5-静态应变仪具体实施方式结合图1至图4所示，对本专利技术提供的一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法的具体实施方式进行说明。现有的冲击倾向性评价方法在评价深部或具有坚硬顶板的煤岩冲击倾向性存在“弱化”问题，在试验室利用黄锈石、黄砂岩、红砂岩、灰砂岩和细花岗岩5种不同强度的岩石配合石膏试样来模拟煤岩组合进行单轴压缩试验，结合组合体的应力应变曲线，研究了常规冲击倾向性指标与顶板强度的关系，并分析了考虑顶板反弹及损伤效应的新指标与原有冲击能量指数区别，最后通过颗粒流数值软件验证了新指标的实用性。结果表明：(1)对于深部煤岩冲击倾向性的评价，除了考虑煤体自身的影响因素外，顶板的反弹、损伤也起到不可或缺的作用，对深部煤岩冲击倾向性评价的指标应考虑顶板的特性。(2)组合体的单轴抗压强度随顶板强度增加而增加，其变化规律可用二次函数表示；动态破坏时间随顶板强度的增加而减小，其变化规律符合指数函数关系；冲击能量指数随顶板强度的增加而增加，其变化规律符合一次函数关系。(3)忽略顶板反弹及损伤效应的冲击倾向性评价方法在评价具有坚硬顶板的煤岩体冲击倾向性时存在“弱化”问题。结合试验可以分析得到冲击地压发生时，顶板岩体和煤体一样也会受到挤压从而积聚能量，煤体在超过峰值荷载破坏时，顶板一般不会破坏，而是会以反弹的形式释放能量，这部分能量会施放给煤体，即在煤体积聚的能量中还应附加顶板释放的能量。而在实际情况中，顶板并非完全弹性体，积聚的弹性能并不会完全释放，顶板会存在损伤效应，产生裂隙等。因此需要考虑顶板损耗能量，顶板积聚的能量应该包括顶板释放的能量和顶板损耗的能量。现有的冲击倾向性评价方法中忽略了顶板损伤效应，因此存在评价指标“高估”、“低估”的问题；为了解决该问题本专利技术提供了一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法。实施例1考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，具体步骤包括：步骤A.根据实际煤岩高度比例制备多个煤岩组合试件。在步骤A中，结合实际煤岩高度比例中岩体高度取直接顶的高度，通过钻孔探测或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，其特征在于，步骤包括：/n步骤A.根据实际煤岩高度比例制备多个煤岩组合试件；/n步骤B.加载煤岩组合试件，获取应力σ-应变ε曲线；/n步骤C.计算获得顶板岩体回弹所释放的能量Φ

【技术特征摘要】
1.一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，其特征在于，步骤包括：
步骤A.根据实际煤岩高度比例制备多个煤岩组合试件；
步骤B.加载煤岩组合试件，获取应力σ-应变ε曲线；
步骤C.计算获得顶板岩体回弹所释放的能量ΦSR、煤体部分峰前积聚的能量μ1和峰后释放的能量μ2，其中



式中，ε0为岩体部分释放弹性能后达到的应变值；ε1为岩体部分释放弹性能前达到的最大应变值；ε2为煤体破坏前能达到的最大应变值；ε3为煤体破坏后能达到的最大应变值；
步骤D.计算得到考虑顶板反弹及损伤效应的冲击能量指标KED，其中



步骤E.判定煤岩组合体的冲击倾向性，其中当KED＜2时，判定为无冲击倾向性，当2≤KED＜6时，判定为弱冲击倾向性，当KED≥6时，判定为强冲击倾向性。


2.根据权利要求1所述的一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法，其特征在于，所述步骤A中，实际煤岩高度比例中岩体高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟耀，张东晓，赵同彬，谭云亮，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37