一种冲击地压巷道液压支架的防冲效能评价方法与流程

1.本发明涉及巷道支护技术领域，具体地涉及一种冲击地压巷道液压支架的防冲效能评价方法。


背景技术：

2.巷道支架是煤矿采煤工作面超前支护安全的重要保障装备之一，主要形式包括液压支架、u型钢棚支架、架棚支护等形式，不同类型的支护设备的安全效能大相径庭。统计发现，进入深部开采后，煤矿冲击地压90％以上发生在巷道中。深部冲击地压巷道通常具有静压大变形与冲击大变形显现现象，不合理的巷道支架支护参数将造成“支架与围岩”支护系统的过度损伤变形失稳，导致动力灾害发生。
3.近年来，根据《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》(煤安监技装〔2019〕21号)规定，“综采放顶煤工作面或具有中等及以上冲击危险区域的采煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于120米，超前支护优先采用液压支架。煤巷掘进工作面后方具有中等及以上冲击危险的区域应当再采用可缩支架加强支护”。目前，评价巷道液压支架的防冲安全效能的方法均属于定性评价。因此，如何定量评价巷道液压支架的防冲安全效能是冲击地压巷道支护装备选型的重要基础，也是科学实现冲击地压防治及巷道支防护安全的重要内容。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种冲击地压巷道液压支架的防冲效能评价方法，其通过综合考虑冲击地压巷道围岩移近收敛特征和待评价液压支架的受载变形响应特征，来实现对待评价液压支架的定量评价。
5.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种液压支架的评价方法，所述评价方法包括：根据巷道的系统方程、所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系、回采影响区巷道的等效地应力及所述等效地应力下的破碎区对软化区的第一边界应力同巷道空间所需的第一支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系，确定所述等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线；获取待评价液压支架的受载变形响应特征曲线，其中，所述受载变形响应特征曲线的起始点的横坐标为所述待评价液压支架的初支时机；确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标以及所述围岩-支架互馈平衡曲线与所述受载变形响应特征曲线的特定交点的横坐标，其中，所述特定交点的横坐标最小；以及根据所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值以及所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值，对所述待评价液压支架进行评价。
6.优选地，所述确定所述等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线包括：根据所述巷道的系统方程，确定与所述等效地应力相对应的所述第一边界应力；以及根据所述第一边界应力、所述第一边界应力同所述第一支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系及所述
巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系，确定所述围岩-支架互馈平衡曲线。
7.优选地，所述对所述待评价液压支架进行评价包括：在所述最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值大于第一预设比值且所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值大于第二预设比值的情况下，确定所述待评价液压支架的支护强度合格且让压量合格。
8.优选地，所述评价方法还包括：根据所述最大支护强度、临界破碎区半径与巷道空间所需的第二支护强度之间的函数关系、所述巷道的系统方程、所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系及所述临界等效地应力下的破碎区对软化区的第二边界应力同巷道空间所需的第二支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系，确定所述临界等效地应力及所述临界等效地应力下的临界围岩-支架互馈平衡曲线；确定所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与纵坐标；根据所述围岩的软化区内的煤岩的损伤变量与破碎区内的煤岩的损伤变量、破碎区半径、软化区半径、最危险微震震级、最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离、所述巷道空间的当量半径、所述临界等效地应力、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标及所述锚固支护的耗能量，确定所述待评价液压支架所需吸收的剩余冲能；根据所述立柱的最大收缩量、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标及所述初支时机，确定所述待评价液压支架的吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率；以及根据所述吸收效率与所述吸能器的最大吸能量的乘积同所述剩余冲能与相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距的乘积的比值，对所述待评价液压支架进行评价。
9.优选地，确定所述临界等效地应力包括：根据所述最大支护强度p
sum_max
＝n*f
max
/(l0*b)及所述临界破碎区半径与所述第二支护强度p
sum
之间的函数关系确定所述临界破碎区半径ρ
dcr
，其中，ρ0为所述巷道空间的当量半径，α、β、q均为常量，n为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的列数，l0为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的间距，b为巷道空间的宽度，以及f
max
为所述待评价液压支架的最大工作阻力；根据所述第二边界应力同所述第二支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系、所述临界破碎区半径及所述最大支护强度，确定所述第二边界应力；以及根据所述巷道的系统方程及所述第二边界应力，确定所述临界等效地应力。
10.优选地，确定所述临界等效地应力下的临界围岩-支架互馈平衡曲线包括：根据所述巷道的系统方程，确定与所述临界等效地应力对应的所述第二边界应力；以及根据所述第二边界应力、所述第二边界应力同所述第二支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系及所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系，确定所述临界围岩-支架互馈平衡曲线。
11.优选地，所述确定所述待评价液压支架所需吸收的剩余冲能包括：根据所述软化区内的煤岩的损伤变量、所述破碎区内的煤岩的损伤变量、所述巷道空间的当量半径、所述破碎区半径及所述软化区半径，确定所述围岩的阻力区的总耗能量，其中，所述阻力区包括所述破碎区与所述软化区；根据所述最危险微震震级、所述最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离、所述软化区半径、所述巷道空间的当量半径及所述阻力区内的煤岩的平均
密度，确定所述阻力区冲击产生的动能；根据所述等效地应力、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标及所述围岩的弹性区的能量释放率，确定所述弹性区的释放能量；以及将所述弹性区的释放能量与所述阻力区冲击产生的动能之和减去所述阻力区的总耗能量与所述锚固支护的耗能量两者之和，以得到所述剩余冲能。
12.优选地，所述确定所述待评价液压支架的吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率包括：在所述立柱的最大收缩量小于或等于所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与所述初支时机的差值的情况下，所述吸收效率为γ＝(l
absorb-[(u
′
scr-u0)-l
max
])/l
absorb
，其中，u
′
scr
为所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标，u0为所述初支时机，l
max
为所述立柱的最大收缩量，l
absorb
为所述吸能器的吸收能量；或者在所述立柱的最大收缩量大于所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与所述初支时机的差值的情况下，所述吸收效率为γ＝100％。
[0013]
优选地，所述对所述待评价液压支架进行评价包括：在所述吸收效率与所述吸能器的最大吸能量的乘积同所述剩余冲能与相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距的乘积的比值大于第三预设比值的情况下，确定所述待评价液压支架的吸能量合格。
[0014]
优选地，所述评价方法还包括：确定所述回采影响区巷道的等效地应力，其中，所述确定所述回采影响区巷道的等效地应力包括：根据原岩地应力p0、煤岩的单轴抗压强度σc及下式，确定非回采影响区巷道的围岩中的采动应力峰值pm；以及根据所述采动应力峰值pm、巷道围岩的卸压效能系数w
drill
、所述回采影响区巷道的采动应力集中系数λm、所述煤岩的单轴抗压强度σc及下式，确定所述回采影响区巷道的等效地应力p1，
[0015][0016]
通过上述技术方案，本发明创造性地确定等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线与待评价液压支架的受载变形响应特征曲线，并通过所获取的两个曲线确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点与横坐标最小的特定交点，然后，根据所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值以及所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值，分别对所述待评价液压支架进行评价，由此，本发明通过综合考虑冲击地压巷道围岩移近收敛特征和待评价液压支架的受载变形响应特征，来实现对待评价液压支架的定量评价。
[0017]
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0018]
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
[0019]
图1是大能量矿震扰动下巷道冲击地压能量的传递过程的示意图；
[0020]
图2a是本发明一实施例提供的液压支架的评价方法的流程图；
[0021]
图2b是本发明一实施例提供的液压支架的评价方法的流程图；
[0022]
图3是本发明一实施例提供的确定所述等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线的流程图；
[0023]
图4是本发明一实施例提供的等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线；
[0024]
图5是本发明一实施例提供的等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线与液压支架的受载变形响应特征曲线；以及
[0025]
图6是本发明一实施例提供的临界等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线与液压支架的受载变形响应特征曲线。
具体实施方式
[0026]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0027]
纵观冲击致灾的整个物理过程，虽然冲击地压往往在毫秒级至秒级的瞬间完成，但其仍然可分为冲击启动点前的孕育阶段和冲击启动点后的破坏阶段，因而，冲击地压防治也就主要集中在了冲击启动前以静载荷治理为主的“防”和冲击启动后、以冲击动载荷治理为主的“治”两个方面。因此，巷道支架防冲效能的科学评价自然要从高应力静载荷与冲击动载荷两个方面进行评价，定量地给出支架的防冲安全效能评价结果。
[0028]
巷道包括围岩和围岩形成的巷道空间(当量半径为ρ0)，如图1所示。其中，巷道的围岩包括弹性区、软化区(半径为ρ
p
)和破碎区(半径为ρd)，如图1所示。下文将以一个示例性巷道为例进行说明，但不限于该示例性巷道。在介绍本发明的各个实施例的具体内容之前，先对所述示例性巷道的基本情况进行简要描述。
[0029]
某矿513工作面巷道断面为近圆形，煤层回采巷道空间的跨度(即巷道空间的宽度)为5.2m，高度为3.8m。
[0030]
根据513工作面回采巷道围岩的主要岩石力学参数，确定巷道空间的当量半径ρ0＝2.59m；所述岩石物理力学参数可包括单轴抗压强度σc＝12.82mpa、弹性模量e＝2940mpa、煤岩的冲击倾向性指数k＝1.86、残余降模量λ2＝15、残余强度系数ξ＝0.24、泊松比υ＝0.25。假设巷道围岩卸压只改变采动应力分布大小，忽略多防冲工艺间的耦合效果，513工作面待防冲支架设计巷道及其围岩的主要参量，详见表1。
[0031]
表1待评价支架所在巷道及其围岩主要物理力学参数
[0032][0033]
图2a是本发明一实施例提供的液压支架的评价方法的流程图。如图2a所示，所述评价方法可包括步骤s201-s204。
[0034]
在执行步骤s201之前，所述评价方法还可包括：确定所述回采影响区巷道的等效地应力。
[0035]
其中，非回采影响区巷道是指无回采影响下的巷道，所述回采影响区巷道是指回采影响下的巷道，所述非回采影响区巷道与所述回采影响区巷道指同一巷道。可通过现有的任何方法或者下述方法确定回采影响区巷道的等效地应力p1。
[0036]
其中，所述确定所述回采影响区巷道的等效地应力可包括以下两个步骤。
[0037]
首先，根据原岩地应力p0、煤岩的单轴抗压强度σc及下式(1-1)，确定非回采影响区巷道的围岩中的采动应力峰值pm，
[0038][0039]
然后，根据所述采动应力峰值pm、围岩卸压效能系数w
drill
、所述回采影响区巷道的采动应力集中系数λm、所述煤岩的单轴抗压强度σc及下式(1-2)，确定所述等效地应力(即回采影响区巷道的等效地应力p1)，
[0040][0041]
具体地，可通过p0＝42.27mpa、σc＝12.82mpa(如表1所示)及上式(1-1)确定非回采影响区巷道的围岩中的采动应力峰值pm。最后，结合pm＝66.61mpa、w
drill
＝0.6057、λm＝1.85、σc＝12.82mpa及上式(1-2)，确定回采影响区巷道的等效地应力p1(如，p1＝47.62mpa)。
[0042]
步骤s201，根据巷道的系统方程、所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系、回采影响区巷道的等效地应力及所述等效地应力下的破碎区对软化区的第一边界应力同巷道空间所需的第一支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系，确定所述等效地
应力下的围岩-支架互馈平衡曲线。
[0043]
对于步骤s201，所述确定所述等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线包括可包括以下步骤s301-s302，如图3所示。
[0044]
步骤s301，根据所述巷道的系统方程，确定与所述等效地应力对应的所述第一边界应力。
[0045]
所述巷道的系统方程如下所示：
[0046][0047]
其中，m为中间变量，其中，m为中间变量，为围岩内摩擦角；p
d-p
为破碎区对软化区的边界应力(mpa)(其可等于第一边界应力)；p为巷道所处的地应力(其可等于等效地应力p1)(mpa)；ρd为破碎区半径(m)，ρ
p
为软化区半径(m)，k为常数。上式(2)表明随等效地应力的变化，破碎区对软化区的边界应力发生变化。由此，可根据上式(2)及所述等效地应力p1，确定相应的第一边界应力。
[0048]
步骤s302，根据所述第一边界应力、所述第一边界应力同所述第一支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系及所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系，确定所述围岩-支架互馈平衡曲线。
[0049]
其中，所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系为：
[0050][0051]
其中，ua为所述巷道的围岩的位移(m)；σc为单轴抗压强度；ρd为围岩的破碎区半径(m)；ρ0为巷道空间的当量半径(m)；λ1为煤岩软化降模量(mpa)；e为煤岩弹性模量(gpa)；以及ξ为残余强度系数。
[0052]
首先，确定下式(4)所示的所述第一边界应力同所述巷道空间所需的第一支护强度p
sum
与破碎区半径ρd两者之间的函数关系：
[0053][0054]
其中，ρ0为所述巷道空间的当量半径；p
sum
为巷道内的支护设备的总支护强度(mpa)；q为中间变量，为巷道内的支护设备的总支护强度(mpa)；q为中间变量，为破碎区围岩内摩擦角。上式(4)表明随破碎区对软化区的边界应力的变化，巷道空间所需的支护强度发生变化。
[0055]
然后，联立公式(2)-(4)，可得到当量半径ρ0的巷道空间所需的第一支护强度p
sum
与所述巷道的围岩的位移ua之间的函数关系(未列出)(即，所述围岩-支架互馈平衡曲线，
如图4所示的p1对应的曲线)。p1对应的曲线表明在地应力p1与第一支护强度p
sum
的共同作用下，半径为ρd的破碎区与半径为ρ
p
的软化区处于平衡状态。
[0056]
步骤s202，获取待评价液压支架的受载变形响应特征曲线。
[0057]
其中，所述受载变形响应特征曲线的起始点的横坐标为所述待评价液压支架的初支时机。
[0058]
具体地，可通过室内试验或数值计算的方式测试所述待评价液压支架的特性参数，以获取相应的受载变形响应特征曲线。例如，所述室内试验具体为：通过力传感器测量所述待评价液压支架在受压变形的情况下提供的力f
work
，并将测量的力转换为所述待评价液压支架提供的应力p
sum
＝n*f
work
/(l0*b)，n为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的列数；l0为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的间距；b为巷道空间的宽度；同时，通过位移传感器测量所述待评价液压支架的立柱的收缩量，所述待评价液压支架提供的应力随所述立柱的收缩量的变化曲线即为所述受载变形响应特征曲线。
[0059]
然而，若将所获取受载变形响应特征曲线绘制在图4所示的坐标系中，需要确定所述受载变形响应特征曲线的起始点的横坐标。具体地，根据工程施工支架的实际情况，确定支护时机t0(u0＝0.05m)，如图5所示。例如，从巷道开挖到支护施工的周期内，通过巷道十字花法进行围岩移近量u0的现场测量确定。由于初支时机所对应的应力为0，故所述起始点的坐标为(u0＝0.05m,p0＝0mpa)。也就是说，可获得如图5所示的所述受载变形响应特征曲线c。
[0060]
另外，还可确定所述待评价液压支架的最大工作阻力f
max
所对应的巷道空间所需的最大支护强度p
sum_max
＝1.20mpa，确定所述支架的立柱的(支设初始状态的)最大收缩量l
max
＝900mm，确定所述支架的吸能器的吸能量e
max
＝2mj，支设间距(即，相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距)l0＝5m。
[0061]
步骤s203，确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标以及所述围岩-支架互馈平衡曲线与所述受载变形响应特征曲线的特定交点的横坐标。
[0062]
其中，所述特定交点的横坐标最小。
[0063]
在通过步骤s201获取所述等效地应力p1下的围岩-支架互馈平衡曲线的情况下，可确定该平衡曲线的极值点(即失稳点s0(u
scr
＝0.59m,p
scr
＝0.75mpa))，并将所述极值点的纵坐标p
scr
＝0.75mpa确定为所述失稳点的纵坐标。
[0064]
在通过步骤s201获取所述等效地应力p1下的围岩-支架互馈平衡曲线以及通过步骤s202获取所述受载变形响应特征曲线c的情况下，可继续求取前述两个曲线的交点n1、n2，如图5所示；取其中横坐标最小的交点n1(u1＝0.34m,p1＝0.98mpa)，该交点的横坐标为u1＝0.34m，如图5所示。
[0065]
步骤s204，根据所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值以及所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值，对所述待评价液压支架进行评价。
[0066]
对于步骤s204，所述对所述待评价液压支架进行评价可包括：在所述最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值大于第一预设比值且所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值大于第二预设比值的情况
下，确定所述待评价液压支架的支护强度合格且让压量合格。
[0067]
具体地，首先，可确定(所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的)所述最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值(即支护强度的防冲安全系数)
[0068]
然后，可确定所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值(即立柱适应围岩大变形的让压量富余系数)
[0069]
最后，比较ns与第一预设比值(例如，1)，若ns大于1，则确定所述待评价液压支架的支护强度合格；比较n
l
与第二预设比值(例如，1)，若n
l
大于1，则确定所述待评价液压支架的让压量合格。
[0070]
当远场出现随机扰动应力时，扰动应力叠加到地应力p上，将极有可能引起支护强度充分作用的情况下冲击地压启动，这时就需要从冲击地压释放能量的角度出发，对支架吸能能力安全系数进行定量评价，确定当前支护时机下支架防冲效能的能量安全系数。
[0071]
如图2b所示，除了上述步骤s201-s204之外，所述评价方法还可包括步骤s205-s209。
[0072]
步骤s205，根据所述最大支护强度、临界破碎区半径与巷道空间所需的第二支护强度之间的函数关系、所述巷道的系统方程、所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系及所述临界等效地应力下的破碎区对软化区的第二边界应力同巷道空间所需的第二支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系，确定所述临界等效地应力及所述临界等效地应力下的临界围岩-支架互馈平衡曲线。
[0073]
对于步骤s205，其中确定所述临界等效地应力可包括：根据所述最大支护强度p
sum_max
＝n*f
max
/(l0*b)及所述临界破碎区半径与所述第二支护强度p
sum
之间的函数关系确定临界破碎区半径ρ
dcr
，其中，ρ0为所述巷道空间的当量半径；q为中间变量，间变量，为破碎区围岩内摩擦角，σc为单轴抗压强度；λ1为煤岩软化降模量(mpa)；λ2为残余降模量(mpa)；e为煤岩弹性模量(gpa)；以及ξ为残余强度系数；根据所述第二边界应力同所述第二支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系、所述临界破碎区半径及所述最大支护强度，确定所述第二边界应力；以及根据所述巷道的系统方程及所述第二边界应力，确定所述临界等效地应力。其中，n为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的列数，l0为沿巷道轴向的所述待评价液压支架的间距，b为巷道空间的宽度，以及f
max
为所述待评价液压支架的最大工作阻力。
[0074]
具体地，首先，将所述最大支护强度p
sum_max
＝n*f
max
/(l0*b)(即临界应力条件)代入
中，以确定ρ
dcr
。其次，将所述最大支护强度p
sum_max
＝n*f
max
/(l0*b)与所述临界破碎区半径ρ
dcr
代入公式(4)，可确定所述第二边界应力p
d-p
。最后，将所述第二边界应力p
d-p
代入公式(2)，可确定所述临界等效地应力p
cr
。
[0075]
对于步骤s205，其中确定所述临界等效地应力下的临界围岩-支架互馈平衡曲线包括：根据所述巷道的系统方程，确定与所述临界等效地应力对应的所述第二边界应力；以及根据所述第二边界应力、所述第二边界应力同所述第二支护强度与临界破碎区半径两者之间的函数关系及所述巷道的围岩的位移与临界破碎区半径之间的函数关系，确定所述临界围岩-支架互馈平衡曲线。
[0076]
与上述确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的过程类似。具体地，可将所述临界等效地应力p
cr
代入公式(2)，以确定相应的第二边界应力；然后，结合所述第二边界应力并联立(3)-(4)，可得到当量半径ρ0的巷道空间所需的第二支护强度p
sum
与所述巷道的围岩的位移ua之间的函数关系(未列出)(即，所述临界围岩-支架互馈平衡曲线，如图6所示的p
cr
对应的曲线)。p
cr
对应的曲线表明在地应力p
cr
与第二支护强度p
sum
的共同作用下，半径为ρd的破碎区与半径为ρ
p
的软化区处于平衡状态。
[0077]
上述确定所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的过程是确定与上述受载变形响应特征曲线相切的平衡曲线的过程。
[0078]
步骤s206，确定所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与纵坐标。
[0079]
将所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的极值点确定为失稳点s
ˊ0(u
ˊ
scr
，p
sum_max
)。
[0080]
步骤s207，根据所述围岩的软化区内的煤岩的损伤变量与破碎区内的煤岩的损伤变量、破碎区半径、软化区半径、最危险微震震级、最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离、所述巷道空间的当量半径、所述临界等效地应力、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标及所述锚固支护的耗能量，确定所述待评价液压支架所需吸收的剩余冲能。
[0081]
对于步骤s207，如图6所示，所述确定所述待评价液压支架所需吸收的剩余冲能可包括步骤s601-s604。
[0082]
在执行步骤s601之前，所述确定方法还可包括：根据所述巷道的系统方程、所述等效地应力、扰动响应失稳判据、所述围岩的弹性区内的煤岩的损伤变量、所述软化区内的煤岩的损伤变量及所述破碎区内的煤岩的损伤变量，确定所述破碎区半径与所述软化区半径。
[0083]
具体地，根据等式(2)所示的巷道的系统方程、所述等效地应力、等式(5)所示的扰动响应失稳判据、等式(6)所示的从上至下列出的所述弹性区内的煤岩的损伤变量d0、所述软化区内的煤岩的损伤变量d1及所述破碎区内的煤岩的损伤变量d2，可确定所述破碎区半径ρd与所述软化区半径ρ
p
。
[0084]
[0085][0086]
其中，ρ为巷道的围岩半径(m)；γ为中间变量，γ＝λ2/e+(1-ξ)λ2/λ1+ξ。
[0087]
通过公式(6)可得到
[0088]
或者，可根据现有方式确定上述各个半径(例如，所述破碎区半径与所述软化区半径)。
[0089]
步骤s601，根据所述软化区内的煤岩的损伤变量、所述破碎区内的煤岩的损伤变量、所述巷道空间的当量半径、所述破碎区半径及所述软化区半径，确定所述围岩的阻力区的总耗能量。
[0090]
其中，所述阻力区包括所述破碎区与所述软化区。
[0091]
具体地，可根据软化区内的煤岩的损伤变量d1与破碎区内的煤岩的损伤变量d2、所述巷道空间的当量半径ρ0、破碎区半径ρd与软化区半径ρ
p
及下式(7)(即煤岩动力破坏的最小能量原理)，确定所述围岩的阻力区的总耗能量e
rock
：
[0092][0093]
其中，σc为煤岩的单轴抗压强度；ξ为残余强度系数；λ2为残余降模量；λ1为煤岩软化降模量。
[0094]
在本实施例中，可确定所述围岩的阻力区的总耗能量e
rock
。本步骤可定量估算冲击启动时围岩阻力区的空间范围，由此可准确估算围岩耗散能量，从而可极大地提高巷道的稳定性。
[0095]
步骤s602，根据所述最危险微震震级、所述最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离、所述软化区半径、所述巷道空间的当量半径及所述阻力区内的煤岩的平均密度，确定所述阻力区冲击产生的动能。
[0096]
对于步骤s602，所述确定所述阻力区冲击产生的动能可包括：根据最危险微震震级、最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离、所述软化区半径及所述巷道空间的当量半径，确定冲击地压发生时所述阻力区内的煤岩的冲击运动速度；根据所述软化区半径、所述巷道空间的当量半径及所述阻力区内的煤岩的平均密度，确定所述阻力区内的煤岩的质量；以及根据所述冲击运动速度及所述阻力区内的煤岩的质量，确定所述阻力区冲击产生的动能。
[0097]
具体地，查找待设计巷道临近工作面的最危险的历史冲击事件(同一震中距下等效冲击事件能量中的最大值)，记录最危险微震震级为ml
max
及最危险微震震源到所述巷道的破坏点的距离l0。
[0098]
然后，根据软化区半径与巷道空间的当量半径，确定阻力区厚度l1＝ρ
p-ρ0。并且根据下式(8)计算得到冲击地压发生时软化区外边界处的围岩质点的振动峰值速度v
′
，
[0099]
lg[(l
0-l1)v
′
]＝3.95+0.57ml
max
，
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0100]
在得到振动峰值速度v
′
的情况下，阻力区内的煤岩的冲击运动速度v＝2v
′
。
[0101]
接着，根据所述软化区半径ρ
p
、所述巷道空间的当量半径ρ0、所述阻力区内的煤岩的平均密度ρc及确定单位长度巷道内的围岩的阻力区内的煤岩的质量m。
[0102]
最后，根据所述冲击运动速度v、所述阻力区内的煤岩的质量m及确定所述阻力区冲击产生的动能ec。
[0103]
利用微震监测系统所监测到的远场最危险诱冲震源能量e
max
＝7.7
×
107j，根据微震震级与能量关系换算得到微震震级ml
max
≈2.27级。最危险诱冲震源到巷道围岩极限平衡区处的距离为l
0-l1＝32m，采用关系式lg[(l
0-l1)v
′
]＝3.95+0.57ml
max
，计算得到诱冲能量到达巷道极限平衡区处，软化区煤岩外边界的围岩质点振动峰值速度v
′
≈0.55m/s。取巷道软化区范围冲击运动速度为v＝2v
′
＝1.10m/s；取煤岩密度ρc为1.35
×
103kg/m3，则可确定单位长度巷道内的阻力区抛掷煤岩质量m。在此基础上，可获取单位长度巷道内远场动载致近场煤岩抛掷能量为
[0104]
步骤s603，根据所述等效地应力、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标及所述围岩的弹性区的能量释放率，确定所述弹性区的释放能量。
[0105]
根据所述等效地应力p1、所述围岩-支架互馈平衡曲线的极值点s0的纵坐标p
sum_max
及所述围岩的弹性区的能量释放率η，确定所述弹性区的释放能量e
cr
：
[0106][0107]
其中，其为巷道内的支护设备的总支护强度(mpa)；q为中间变量，备的总支护强度(mpa)；q为中间变量，为破碎区围岩内摩擦角；η可为0.1％～1％中的任一者。例如，当η＝1％时，可确定e
cr
。
[0108]
步骤s604，将所述弹性区的释放能量与所述阻力区冲击产生的动能之和减去所述阻力区的总耗能量与所述锚固支护的耗能量两者之和，以得到所述剩余冲能。
[0109]
首先，介绍关于估算锚固支护的耗能量(例如每米巷道内的锚固支护的耗能量e
bolt-cable
)的过程，可忽略o型棚支架吸能量。
[0110]
经测试与计算可得到，单根传统锚杆吸能量e
ubolt
、单根传统锚索吸能量e
ucable
分别为：e
ubolt
＝2.08e+04j；e
ucable
＝1.28e+05j。经测试与计算可得到，巷道使用的补强恒阻锚索吸能量e
ucable-con
＝5.25e+04j。
[0111]
在此基础上，可计算单位长度巷道内的锚固支护的耗能量e
bolt-cable
为：
[0112][0113]
式中，n
ubolt
为巷道断面一排普通锚杆的数量；m
ucable
和m
ucable-con
分别为巷道断面一排普通锚索与恒阻锚索的数量；s
bolt
为普通锚杆排距；s
cable
和s
cable-con
分别为普通锚索和恒阻锚索的排距。其中，基于围岩软化破碎的梯度特征，确定锚杆与锚索的吸能效率：η
bolt
为普通锚杆吸能效率，普通锚杆吸能效率，η
cable
为传统锚索吸能效率，以及η
cable-con
为恒阻锚索吸能效率，
[0114]
考虑远场扰动能量与近场巷道围岩弹性能的叠加能量，该叠加能量在经阻力区与锚固体耗能后，需要液压支架吸收的剩余冲能e
residual
＝ec+e
cr-e
bolt-cable-e
rock
＝0.3mj/m。也就是说，上述基于能量守恒的吸能止冲原理确定支架参数。其中，吸能支架吸收的总能量为远场扰动对支架的冲能以及近场巷道围岩极限平衡区释放的弹性能量。
[0115]
步骤s208，根据所述立柱的最大收缩量、所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标及所述初支时机，确定所述待评价液压支架的吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率。
[0116]
对于步骤s208，所述确定所述待评价液压支架的吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率可包括：在所述立柱的最大收缩量小于或等于所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与所述初支时机的差值的情况下，所述吸收效率为γ＝(l
absorb-[(u
′
scr-u0)-l
max
])/l
absorb
，其中，u
′
scr
为所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标，u0为所述初支时机，l
max
为所述立柱的最大收缩量，l
absorb
为所述吸能器的吸收能量；或者在所述立柱的最大收缩量大于所述临界围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的横坐标与所述初支时机的差值的情况下，所述吸收效率为γ＝100％。
[0117]
具体地，如果l
max
≤u
′
scr-u0，吸能器将有(u
′
scr-u0)-l
max
的行程被围岩大变形压缩，吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率γ将为(l
absorb-[(u
′
scr-u0)-l
max
])/l
absorb
；如果l
max
》u
′
scr-u0，则吸能器对冲击地压的有害动能的吸收效率γ＝100％。
[0118]
步骤s209，根据所述吸收效率与所述吸能器的最大吸能量的乘积同所述剩余冲能与相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距的乘积的比值，对所述待评价液压支架进行评价。
[0119]
对于步骤s209，所述对所述待评价液压支架进行评价可包括：在所述吸收效率与所述吸能器的最大吸能量的乘积同所述剩余冲能与相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距的乘积的比值大于第三预设比值的情况下，确定所述待评价液压支架的吸能量合格。
[0120]
具体地，首先，对于本实施例而言，可确定所述吸收效率与所述吸能器的最大吸能
量的乘积同所述剩余冲能与相邻的两个所述待评价液压支架之间的间距的乘积的比值(即吸能量的防冲安全系数)
[0121]
然后，比较ne与第三预设比值(例如，1)，若ne大于1，则确定所述待评价液压支架的吸能量合格。
[0122]
针对深部冲击地压煤矿巷道静压和动载大变形的特征，上述实施例提供的评价方法从静载与动载两个方面进行评价，更为全面地考虑了冲击地压孕育和发生的应力与能量两个方面，由此，可更为精确地实现定量评价。由于上述实施例充分考虑了冲击地压巷道“围岩与支架”互馈平衡变形协调响应关系，将有效地指导实现以防冲稳定性为前提的支架装备参数化评价(包括吸能阻力、让位冲程、支架刚度等参量)，为冲击地压的评价过程奠定了坚实的理论与实践基础。
[0123]
综上所述，本发明创造性地确定等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线与待评价液压支架的受载变形响应特征曲线，并通过所获取的两个曲线确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点与横坐标最小的特定交点，然后，根据所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值以及所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值，分别对所述待评价液压支架进行评价，由此，本发明通过综合考虑冲击地压巷道围岩移近收敛特征和待评价液压支架的受载变形响应特征，来实现对待评价液压支架的定量评价。
[0124]
本发明一实施例还提供一种液压支架的评价系统。所述评价系统包括：平衡曲线确定装置，用于根据巷道的系统方程、所述巷道的围岩的位移与破碎区半径之间的函数关系、回采影响区巷道的等效地应力及所述等效地应力下的破碎区对软化区的第一边界应力同巷道空间所需的第一支护强度与破碎区半径两者之间的函数关系，确定所述等效地应力下的围岩-支架互馈平衡曲线；特征曲线获取装置，用于获取待评价液压支架的受载变形响应特征曲线，其中，所述受载变形响应特征曲线的起始点的横坐标为所述待评价液压支架的初支时机；坐标确定装置，用于确定所述围岩-支架互馈平衡曲线的失稳点的纵坐标以及所述围岩-支架互馈平衡曲线与所述受载变形响应特征曲线的特定交点的横坐标，其中，所述特定交点的横坐标最小；以及评价装置，用于根据所述待评价液压支架的最大工作阻力所对应的巷道空间所需的最大支护强度同所述失稳点的纵坐标的比值以及所述待评价液压支架的立柱的最大收缩量同所述特定交点的横坐标与所述初支时机的差值的比值，对所述待评价液压支架进行评价。
[0125]
所述液压支架的评价系统与上述液压支架的评价方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0126]
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
[0127]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0128]
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过
程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0129]
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。