[发明专利]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

权利要求书

1.一种利用冲击地压启动能量阈值预测冲击地压的方法，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U_e：

式(1)中：E_u和μ_u分别为煤样试件的卸载弹性模量和卸载泊松比，其值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U_d；

U_d＝U₁+U₂-U_e (4)

式(4)中，U₁为压力机输入的能量，U₂为压力机消耗的能量；U_e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＝U_e/U (5)

α＝U_d/U (6)

U＝U_e+U_d (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、将各种最小主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)计算出在各种最小主应力下的冲击地压启动能量点的弹性应变能，其值可作为各种最小主应力下的冲击地压启动能量阈值；

第5.3步、根据获得的各种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：

U_e′＝U_cσ₃^1.05473，R²＝0.98005 (9)

式(9)中，σ₃为最小主应力；U_e′——冲击地压启动能量阈值；U_c为单轴状态下极限能密度；

第六步、利用冲击地压启动能量阈值预测冲击地压的强度和范围；

第6.1步、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；

第6.2步、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；

第6.3步、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＜0.7时，此区域具有中等冲击危险性；当Kc≥0.7时，则该煤体单元煤体具有强冲击危险性。

2.如权利要求1所述的利用冲击地压启动能量阈值预测冲击地压的方法，其特征在于，所述的第二步具体包括：

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。