一种监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法

本发明涉及监测煤体应力预警冲击地压，尤其涉及一种监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法。

背景技术：

1、煤矿冲击地压是煤岩体在高应力作用下突然失稳破坏而释放冲击能量的现象，是国际采矿界和岩石力学界公认的世界级难题。随着我国煤炭开采不断向深部发展，冲击地压发生的频次与强度日趋强烈，我国95％以上的冲击地压发生在巷道。精准监测预警冲击危险性(冲击地压发生可能性)是冲击地压科学防治的重要依据。冲击地压的本质驱动原因是煤体高应力载荷加载作用，因此，采用煤体钻孔应力传感器(应力计)直接监测表征煤体应力大小，是预判冲击地压最常用的一种监测预警技术。

2、综合来看，目前基于煤体应力监测的冲击危险性预警临界指标值确定方法不足，主要体现在以下方面：(1)巷道围岩钻孔与油压应力计间的互馈应力作用缺乏定量表征方程，无法建立钻孔应力计油压示数与冲击地压发生临界应力间的映射关系；(2)目前存在的确定方法均是采用室内试验、数值模拟和工程经验确定，缺乏考虑小试样与工程结构间的跨尺度效应，临界指标值的确定尚不能充分考虑预警初值与煤体冲击倾向性、应力计刚度、钻孔尺寸等因素间的耦合关联程度。(3)无论是工程软煤还是硬煤，应力计均安装深度为8m、12m或14m，此做法机械片面，无法准确反映弹性区围岩的应力变化规律，应力计在煤体中的安装深度有待确定。因此，现有技术中监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法所考虑的技术因素不全面，造成监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值还没有有效的确定方法，导致冲击地压监测预警准确性低。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法，通过分析巷道钻孔围岩与应力计间的互馈平衡关系，建立巷道冲击地压临界应力与应力计监测示数的定量映射函数，进而给出能够全面考虑煤体冲击物性、应力计刚度、钻孔尺寸因素的冲击危险性预警临界指标值确定方法，使冲击危险性监测预警更具有针对性，预警结果可靠性更高。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法，

3、确定巷道冲击地压发生的临界地应力；

4、考虑巷道开挖引起采动应力重新分布的效应，将巷道冲击地压发生的临界地应力转化为巷道冲击地压发生的临界采动峰值应力；

5、明确应力计钻孔与应力计之间受载变形的互馈平衡特征表征曲线；

6、将冲击地压发生的临界采动峰值应力作为应力计所安装的钻孔周围的“最危险应力”状态，通过绘制临界采动峰值应力作用下应力计所处的钻孔与应力计之间受载变形的互馈平衡特征表征曲线，进而确定应力计预警巷道冲击地压危险性的预警临界指标值。

7、具体包括以下步骤：

8、步骤1：获取待监测预警巷道围岩中煤体的岩石力学参数；

9、步骤2：计算待监测预警巷道冲击地压发生的临界地应力pcr；

10、步骤2.1：获取待预警巷道的支护应力ps；

11、步骤2.2：计算待监测预警巷道冲击地压发生的临界破碎区半径ρfcr、临界软化区半径ρcr，分别如下公式所示：

12、

13、

14、计算待监测预警巷道冲击地压发生的临界地应力pcr为：

15、

16、其中，ρ0为将待监测巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径；m为中间变量，为塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，pfcr为巷道冲击启动时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，如下公式所示：

17、

18、其中，为破碎区的煤岩介质内摩擦角，

19、步骤3：采用实验室测试的方法，确定巷道冲击地压发生的临界应力值的修正函数曲线，并绘制函数图，确定巷道冲击地压发生的临界地应力的不等压修正系数ηmod-lateral和断面形式修正系数ηmod-sec；

20、步骤3.1：制作巷道试样；

21、根据煤矿井下待监测预警巷道的巷帮，取原煤试样，加工成标准试样；在试样的中心位置，钻取通孔，作为模拟巷道；

22、步骤3.2：根据待监测预警设计巷道的断面形状确定巷道冲击地压发生的临界地应力的不等压修正系数ηmod-lateral和断面形式修正系数ηmod-sec；

23、case1：如果待监测预警设计巷道的断面为圆形：

24、第1步：现场采样制备n块试样，采用双轴加载试验机，将3块带有圆形通孔的试样进行双轴等压加载，加载路径均为侧向与垂直压力速率相同，直至试样发生冲击地压破坏，记录试验机加载得到的冲击地压发生临界应力指标值pex-cr1、pex-cr2、pex-cr3，取三者的平均值作为等压条件下圆形模拟巷道冲击地压发生的临界应力指标值pex-cr＝pex-cr1+pex-cr2+pex-cr3；将n-3块，依次设置试样的水平侧压加载载荷phorizontal为95％pex-cr、90％pex-cr、85％pex-cr、80％pex-cr、75％pex-cr、70％pex-cr、65％pex-cr、60％pex-cr、55％pex-cr、50％pex-cr、45％pex-cr、40％pex-cr、35％pex-cr、30％pex-cr、25％pex-cr、20％pex-cr，加载垂直应力至模拟巷道发生冲击地压，分别记录不同侧向加载载荷下巷道冲击地压发生的临界应力值pex-cr-95％、pex-cr-90％、pex-cr-85％、pex-cr-80％、pex-cr-75％、pex-cr-70％、pex-cr-65％、pex-cr-60％、pex-cr-55％、pex-cr-50％、pex-cr-45％、pex-cr-40％、pex-cr-35％、pex-cr-30％、pex-cr-25％、pex-cr-20％，将各组数据绘制在平面图上，绘制拟合的修正曲线，形成圆形巷道不同侧压加载条件下巷道冲击地压发生的临界地应力值修正系数确定图；

25、第2步：确定圆形巷道冲击地压发生的临界地应力值的不等压加载条件修正系数ηmod-lateral；

26、①采用地应力测试技术，确定待监测预警巷道断面内水平方向地应力分量pground-h和垂直方向地应力分量pground-v；

27、②令pmin＝min{pground-h,pground-v}，求得待监测预警巷道的侧压系数λlateral＝pmin/pcr；

28、③令实验室内的试样侧向加载载荷phorizontal＝λlateralpex-cr；根据临界地应力值修正图查图得到侧向加载载荷phorizontal当前取值对应下的临界地应力值pex-cr，计算确定不等压加载条件修正系数ηmod-lateral如下公式所示：

29、ηmod-lateral＝pex-cr/pex-cr-100％          (5)

30、其中，pex-cr-100％＝100％pex-cr为侧压系数等于1时的加载结果，即等压边界加载的结果；

31、case2：如果现场巷道断面为非圆形：

32、第s1步：确定巷道冲击地压发生的临界地应力的断面形式修正系数ηmod-sec；

33、现场采用制备m块试样，采用双轴加载试验机，将3块带有圆形通孔的试样进行双轴等压加载，加载路径均为侧向与垂直压力速率相同，直至试样发生冲击地压破坏，记录试验机加载得到的冲击地压发生临界地应力指标值pex-cr1、pex-cr2、pex-cr3，取三者的平均值作为等压条件下模拟巷道冲击地压发生的临界地应力指标值pex-cr＝pex-cr1+pex-cr2+pex-cr3；将3块带有非圆形通孔的试样进行双轴等压加载，加载路径均为侧向与垂直压力速率相同，直至试样发生冲击地压破坏，记录试验机加载得到的非圆形巷道冲击地压发生临界地应力指标值pˊex-cr1、pˊex-cr2、pˊex-cr3，取三者的平均值作为等压条件下非圆形模拟巷道冲击地压发生的临界地应力指标值pˊex-cr＝pˊex-cr1+pˊex-cr2+pˊex-cr3；则计算得到巷道冲击地压发生的临界地应力的断面形式修正系数ηmod-sec如下公式所示：

34、

35、第s2步：与case1中的步骤1和步骤2相同，确定非圆形巷道冲击地压发生的临界地应力值的不等压加载条件修正系数ηmod-lateral；

36、步骤4：确定巷道冲击地压发生的临界地应力的不等压和断面形式修正值pcr-mod；

37、所述巷道冲击地压发生的临界地应力的不等压和断面形式修正值pcr-mod如下公式所示：

38、pcr-mod＝ηmod-secηmod-lateralpcr                   (7)

39、式中，当巷道断面形式为圆形时，ηmod-sec取值为1；

40、步骤5：计算待监测预警巷道围岩应力集中区内冲击地压发生的临界采动峰值应力pmcr，如下公式所示：

41、

42、步骤6：确定待监测预警巷道围岩应力集中区内多点应力计监测测点深度范围；

43、根据步骤2计算得到的巷道冲击地压发生的临界软化区半径ρcr，临界破碎区半径ρfcr，确定多点应力计监测测点深度范围为[ρfcr-ρ0，ρcr-ρ0]；

44、步骤7：计算用于确定应力监测预警临界指标值的冲击地压发生临界采动峰值应力折减值pmcr-monitor，如下公式所示：

45、pmcr-monitor＝ηcpmcr              (9)

46、其中，ηc为冲击地压发生临界采动峰值应力值折减系数；

47、步骤8：试验测试得到待设计钻孔应力计的载荷-位移响应曲线，即测试得到应力计的受载变形响应特征曲线，得到待设计钻孔应力计的变形刚度；

48、步骤9：基于公式(10)、(11)、(12)，并令p＝pmcr-monitor，绘制冲击地压发生临界采动峰值应力折减值pmcr-monitor控制下的钻孔收敛曲线；

49、

50、其中，ua为钻孔围岩收缩位移量；ρd为钻孔围岩破碎区半径；λ1为煤岩软化降模量。

51、

52、其中，p为监测钻孔所处的巷道围岩弹性区内采动应力；ρp为监测钻孔围岩塑性软化区半径，pd-p为监测钻孔围岩破碎区对软化区边界的作用应力，如下公式所示：

53、

54、其中，pmonitor为监测钻孔内应力计的油压示数。

55、步骤10：并将步骤8得到的应力计的载荷-位移响应曲线绘入冲击地压发生临界采动峰值应力折减值控制下钻孔收敛曲线，得到冲击地压巷道“钻孔-应力计”互馈平衡曲线图，通过两条曲线的交点，确定监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值a1。

56、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种监测煤体应力预警冲击地压的临界指标值确定方法，考虑了巷道围岩钻孔与油压应力计间的互馈应力作用及其定量表征方程，建立了钻孔应力计油压示数与冲击地压发生临界应力间的映射关系；本发明考虑了小试样与工程结构间的跨尺度效应，采用实验室确定修正系数的方法，提高了理论方法指导工程现场的适用性；本发明确定临界指标值的方法充分考虑了预警初值与煤体冲击倾向性、应力计刚度、钻孔尺寸等因素间的耦合关联程度。