CN111289388B - 一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法
技术领域
本发明涉及煤岩冲击倾向性测试及冲击地压灾害防治技术领域，一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法。
背景技术
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/T 25217.1-2010《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。
发明内容
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，本发明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
Figure GDA0003536524090000021
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
Figure GDA0003536524090000022
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。
本发明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，对本发明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；为了解决该问题本发明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，通过钻孔探测或者其他探测方法确定。在县城取样，制作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，煤体试件和岩石试件分别制作，打磨平整后用胶水粘结即可，制作试件个数多于5个为宜。
步骤B.加载煤岩组合试件，获取应力σ-应变ε曲线。利用单轴压缩试验机加载，单轴压缩试验机包括加载系统和监测系统，加载过程中可以采用位移控制方式，加载过程中加载保持速率稳定，可以得到完整的应力-应变曲线。
在步骤B中，应力的监测可以通过试验机自带的压力传感器确定，也可以通过在试件上布置应力盒来监测应力数据。
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。
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
Figure GDA0003536524090000041
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
Figure GDA0003536524090000042
计算出指标KED后，对照表1所列的冲击倾向性等级划分范围，判定煤岩层的冲击倾向性。
表1
Figure GDA0003536524090000051
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。
本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。
实施例2
以某矿的煤岩层冲击倾向性评价为例，对一种考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法做进一步的说明。
某矿煤层埋深大于700m，且煤层直接顶属于坚硬顶板，为了对该煤岩层的冲击倾向性有较客观全面的判断，采用煤岩组合体冲击倾向性评价方法对该煤岩层的冲击倾向性进行评价。已知该矿的煤层厚度为8.7～9.2m，平均9m，直接顶厚度为3.1～3.5m，平均3.2m。
步骤A.根据实际煤岩高度比例制备多个煤岩组合试件。
根据工程实际勘测，可确定煤岩组合体试件中煤岩高度比为9∶3.2≈3∶1，即在高100mm 的标准组合体试件中煤体部分高度应为75mm，岩体部分高度应为25mm。
选择要评价冲击倾向性的煤岩层，取样大块煤岩运输至实验室，根据上一步骤中所确定的组合体煤岩高度比例，制作多组标准组合体试件。通过室内钻取切割，将直接顶岩石试块加工成长×宽×高＝50mm×50mm×25mm的长方体试件，将煤体试块加工成长×宽×高＝50mm×50mm×75mm的长方体试件，对试件进行打磨，要求端面平整到0.01mm，并用AB强力胶将试件岩石部分及煤体部分粘结为整体试件，形成长×宽×高＝50mm×50mm×100mm的标准长方体试件，在室温下静置15天。
步骤B.加载煤岩组合试件，获取应力σ-应变ε曲线。
在试件岩石部分和煤体部分四周分别粘贴应变片，应变片粘贴位置应均匀布置于试件四周，用以测量试件岩石部分以及煤体部分各自应变，如图1所示。采用伺服岩石试验机进行单轴压缩试验，将试件摆放至球形座上，待试件顶部与压头接触后即可加载，试验机加载方式为位移控制方式，到试件破坏即可停止加载。
在单轴压缩试验完成后，整理相关试验数据，选取有效数据绘制组合体试件各部分应力应变曲线，如图3所示。由于岩石材料性质的影响，如果试验机无法测出试件的全应力应变曲线，此时，应按各曲线峰后的大体趋势，将曲线绘制完整，以便后续组合体各部分能量的计算。
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
Figure GDA0003536524090000061
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。
将数据代入公式(1)可得试件顶板释放的弹性能Φ SR ：
Figure GDA0003536524090000063
试件煤体部分峰前积聚的能量μ1：
Figure GDA0003536524090000064
试件煤体部分破坏后释放的能量μ2：
Figure GDA0003536524090000065
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
Figure GDA0003536524090000066
将以上数据代上式可得：
Figure GDA0003536524090000067
得到了组合体各部分能量(ΦSR,μ1,μ2)以及冲击能量指标KED，如表2所示。
表2
Figure GDA0003536524090000068
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。
通过图形积分法及相应公式计算出评价指标KED后，对照表1所列的冲击倾向性等级分类，得出该矿煤岩层的冲击倾向性等级，计算得到该矿煤岩组合体试件的冲击能量指标KED＝6.18＞6，表1所列中，指标大于6时属于强冲击倾向性，即从煤岩相互作用及能量积聚释放的角度认为该矿煤岩层具有强冲击倾向性。
利用考虑损伤效应的煤岩组合体冲击倾向性评价方法得到的评价指标，是通过对组合体标准试件进行单轴压缩试验以及后续的图形绘制、数据计算得到的，在充分考虑顶板的反弹及损伤效应情况下，得出了该矿煤岩层的冲击倾向性等级为强冲击倾向性，避免了顶板为强冲击倾向，煤层为弱冲击倾向性的矛盾情况。该方法提高了对深部煤岩层冲击倾向性评价的准确性，为冲击地压问题的防治提供借鉴指导意义，进一步确保煤矿的安全生产。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

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
Figure FDA0003536524080000011
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
Figure FDA0003536524080000012
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。
3.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。
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