CN113092251A - 深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统 - Google Patents

深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统 Download PDF

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CN113092251A CN202110362343.2A CN202110362343A CN113092251A CN 113092251 A CN113092251 A CN 113092251A CN 202110362343 A CN202110362343 A CN 202110362343A CN 113092251 A CN113092251 A CN 113092251A
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崔峰
杨彦斌
许慧聪
张旭东
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Abstract

本申请提供了一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统。该方法包括：基于单轴压缩试验，得到煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线；改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；根据煤岩样的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。

Description

深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统
技术领域
本申请涉及采矿工程技术领域，特别涉及一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统。
背景技术
经济的持续性向好发展往往与能源的加速利用紧密关联，而根据相关权威机构预测，结合我国资源禀赋的实际现状，可以确定较长时间内，我国仍将以煤炭资源作为主体能源。历史发展的进程消耗了大量浅部易获取资源，向地球深部进军获取深部资源迫在眉睫，而在开采深部煤炭资源的同时，因特殊的赋存条件，频发的冲击地压等动力灾害严重制约了我国深部煤炭的安全高效开采与稳定供给，也提升了深部底下工程建设与维护的难度。国内外学者对这一世界性难题开展了广泛的研究，提出了多种理论及方法探讨其发生机制、预警及控制，研究成果较为丰硕，成功指导了相关工程实践中动力灾害的控制。由于动力灾害囊括类型较多，此处仅以冲击地压为研究对象进行分析，又因为冲击地压涉及因素众多、发生机制复杂，特别是在深部、大规模、高强度开采环境下，此时冲击地压的预测及控制显得极其困难，给深部矿产资源开采及地下工程设计、施工与维护等带来前所未有的挑战，亟需进一步研究。
发明内容
本申请的目的在于提供一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，包括：基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体的煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
本申请实施例还提供一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统，包括：样本试验单元，配置为基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；第一处理单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；第二处理单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；调控执行单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
有益效果：
本申请实施例中，对预先获取的深部煤岩体的煤岩样在不同改性调控措施下进行室内单轴压缩试验，得到煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线；通过不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以对不同改性调控措施下煤岩样屈服时机进行预测；以及，通过不同改性调控措施下的应力应变曲线，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，以确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；籍以通过煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控，有效避免深部煤岩体开采区域内大范围卸压导致应力落差较大，使岩体的不稳定程度降低，实现深部煤岩体能量失稳的动态调控。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中不同含水状态煤岩样的应力应变曲线；
图3为本申请实施例中不同孔径尺寸煤煤岩样的应力应变曲线；
图4为本申请实施例中不同充填状态下煤岩样轴向的应力应变曲线；
图5根据本申请的一些实施例提供的一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法中步骤S102的流程示意图；
图6为本申请实施例中自然状态下煤岩样的能量密度曲线；
图7为本申请实施例中注水软化调控措施中干燥状态下煤岩样的能量密度曲线；
图8为本申请实施例中注水软化调控措施中饱水状态下煤岩样的能量密度曲线；
图9为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中小孔径状态下煤岩样的能量密度曲线；
图10为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中大孔径状态下煤岩样的能量密度曲线；
图11为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填铜管状态下煤岩样的能量密度曲线；
图12为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填固化体状态下煤岩样的能量密度曲线；
图13为本申请实施例中自然状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图14为本申请实施例中注水软化调控措施中干燥状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图15为本申请实施例中注水软化调控措施中饱水状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图16为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中小孔径状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图17为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中大孔径状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图18为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填固化体状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图19为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填铜管状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；
图20为根据本申请的一些实施例提供的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法中步骤S103的流程示意图；
图21为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；
图22为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；
图23为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系；
图24为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；
图25为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；
图26为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系
图27为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；
图28为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；
图29为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系；
图30为根据本申请的一些实施例提供的一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
如图1所示，该深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，包括：
步骤S101、基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体的煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；
在本申请实施例中，以不同的原位改性手段(改性调控措施)，通过对完整煤岩样进行不同含水率、不同孔径钻孔和固定孔径先钻孔后充填不同属性材料处理的三种平行思路，借助室内单轴压缩试验，分析不同改性状态下煤岩样单轴承载过程中的力学特性及参数。
在本申请实施例中，煤岩样在进行室内单轴压缩试验时，煤岩样的加载过程均经历初始压实阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、屈服破坏阶段和破坏后期阶段。
在一些可选实施例中，步骤S101包括：基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在注水软化措施下不同含水率时的应力应变曲线。
在本申请实施例中，在室内环境下，通过浸泡人为设置不同含水状态的煤岩样试件，模拟实际开采时的注水软化调控措施。为避免其它因素的干扰，将煤岩样自然风干24小时定义为自然状态，同时，分别采用烘干方式和浸水方式获取小于和大于自然状态含水率的煤岩样。
在本申请实施例中，煤岩样的含水状态处理如下：
干燥状态：将煤岩样试件置于105℃的电热鼓风干燥箱内干燥48小时；
饱水状态：采用自由浸水法，将煤岩样试件放入水槽先注水至时间高度的1/4处，以后每隔2小时分别注水至煤岩样试件高度的1/2和3/4处，6小时后煤岩样试件全部浸没，48小时后拭去表面水分。煤岩样试件的编号及不同含税状态如表1所示。
表1试样编号及各状态含水率
Figure BDA0003006111150000041
在一些可选实施例中，基于室内单轴压缩试验，对煤岩样以0.2千牛每秒的恒定速率进行稳定加载，得到煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线。籍此，可有效避免煤岩样的突然破坏。
在本申请实施例中，室内单轴压缩试验分别由加载控制系统、应变分析系统和视频同步采集系统互相协调配合完成。其中，加载控制系统由RMT-150B岩石力学试验机所实现(中科院武汉岩土力学研究所)；应变分析系统由DH3823分布式信号测试分析系统所实现(东华测试技术有限公司)以及视频同步采集系统由全过程视频捕捉仪所实现。试验全程监测软件可以自动采集并及时处理实验数据，显示应力-位移曲线、应力-时间曲线、位移-时间曲线等。
图2为本申请实施例中不同含水状态煤岩样的应力应变曲线；如图2所示：不同注水软化调控状态下岩样单轴压缩试验峰前应力应变曲线具有较好的相似性，而峰后应力应变曲线有所差别，峰后应变区间范围与含水率呈现正相关性。
煤岩样平均含水率分别为0、2.41％和3.83％时，平均峰值强度分别为44.56MPa、28.20MPa和22.07MPa；平均峰值应变分别为0.02564、0.02127和0.02120；平均弹性模量分别为3.56GPa、2.42GPa和1.79GPa，相较于完全干燥状态煤岩样，平均峰值强度分别降低了36.7％和50.5％；平均峰值应变分别降低了17.0％和17.3％；平均弹性模量分别降低了32.0％和49.7％。可见，随着含水率的增大，煤岩样的峰值强度降低，峰值应变减小，弹性模量减小，但降低幅度均随含水率增加而显著减小。
在本申请实施例中，随着含水率的增大，煤岩样单轴压缩试验全过程应力-应变曲线有整体左移压缩趋势。原因在于裂隙中的水分子削弱了裂隙颗粒之间的凝聚力，使得煤岩样得到软化，进而进一步降低煤岩样的峰值强度和弹性模量，宏观表现为整体力学性质有所降低，而由于坚硬岩层的特殊性，一直保持着脆性破坏的属性，因此峰值应变也呈现负相关关系，而随着含水率增大，峰后应变区间范围进一步增大，表现为具有一定的延展性，此外随着含水率的增大，各力学参数的降低幅度均随含水率增加而显著减小。
在一些可选实施例中，步骤S101还包括：基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在钻孔卸压措施下不同孔径钻孔时的应力应变曲线。
在本申请实施例中，通过贯穿钻孔认为设置不同孔径大小煤岩样试件，以模拟实际开采时的钻孔卸压调控措施，对比不同孔径煤岩体卸压效果的差异性。
在本申请实施例中，由于承载过程中孔洞岩样存在明显的边界效应，为了进一步减少边界效应对试验结果的影响，一般设置边界尺寸大于5倍的孔洞半径即可，因此分别设置2种不同孔径的孔洞岩样作为不同孔洞大小贯通状态试样，即分别钻孔半径设置为r1＝5mm，r2＝8mm。试样的编号及不同钻孔状态如表2所示。
表2试样编号及各状态钻孔参数
Figure BDA0003006111150000051
在本申请实施例中，室内单轴压缩试验采用与注水调控措施相同的试验设备，具体参见上述注水调控措施下煤岩样的试验设备描述。
图3为本申请实施例中不同孔径尺寸煤煤岩样的应力应变曲线；如图3所示：不同钻孔卸压调控状态下煤岩样单轴压缩试验全过程应力应变曲线均具有较好的相似性，但随着孔径的改变，特征点力学参数却显现出差异性。
就钻孔卸压调控煤岩样而言(其中注水软化调控中自然状态下煤岩样作为该措施下完整状态煤岩样进行空白对比分析)，煤岩样孔洞直径分别为0mm、10mm和16mm时，平均峰值强度分别为28.20MPa、25.06MPa和16.57MPa；平均峰值应变分别为0.02127、0.02597和0.01969；平均弹性模量分别为2.42GPa、0.86GPa和1.27GPa，相较于自然完整状态煤岩样，平均峰值强度分别降低了11.1％和41.2％；平均峰值应变分别增大了22.1％和降低了7.4％；平均弹性模量分别降低了64.6％和47.5％。
相对于自然完整状态的煤岩样，钻孔卸压调控煤岩样峰值强度均发生降低，但随着钻孔直径的改变，全过程应力-应变曲线中特征点力学参数发生显著改变，即表现为小孔径对应破坏应变增大，而大孔径对应破坏应变减小。原因在于含孔洞煤岩样承载过程中均需要对应力进行调整，小孔径煤岩样对于应力调整较为充分，在应力调整过程中形成较大应变，而大孔径煤岩样来不及进行较大的应力程度调整就发生整体破坏，对应破坏应变减小。其中含孔洞煤岩样因孔洞存在导致初始损伤增大，强脆性特征降低，但由于人为构造了破坏面，所有破坏裂纹均在孔洞区域交汇，因此起到了一定的定向疏导释放的作用。
在一些可选实施例中，步骤S101还包括：基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在充填加固措施下固定孔径先钻孔后填充不同属性材料时的应力应变曲线。
在本申请实施例中，在室内环境下，采用高压水刀设备对试样尽可能实施一次成形钻取，使其形成内部直径为16mm且为贯穿型的孔洞岩样；另一方面为了模拟不同巷道的支护形态，采用刚性支护和柔性支护两种不同方案，通过对孔洞岩样内部孔洞添加不同属性的材料实施模拟支护，形成孔洞充填岩样。因此本试验分别考虑钻孔未充填状态、钻孔充填铜管状态、钻孔充填固化体状态(粉煤灰+黄土+水泥＝1：1：1，养护7天后)和未钻孔完整状态4种工况。试样的编号及不同充填状态如表3所示。
表3试样编号及各状态充填材料
Figure BDA0003006111150000061
在本申请实施例中，室内单轴压缩试验采用与注水调控措施相同的试验设备，具体参见上述注水调控措施下煤岩样的试验设备描述。
图4为本申请实施例中不同充填状态下煤岩样轴向的应力应变曲线；如图4所示，不同充填加固调控状态下煤岩样单轴压缩试验峰前应力应变曲线具有较好的相似性，且含充填物煤岩样与自然完整煤岩样峰前段出现部分重合，而峰后应力应变曲线差异显著，峰后应变区间范围与充填物力学性质直接相关。
在本申请实施例中，就充填加固调控煤岩样而言(其中注水软化调控中自然状态下煤岩样和钻孔卸压调控中大孔径状态下煤岩样均作为该措施下充填状态煤岩样进行空白对比分析)，未钻孔完整状态煤岩样的平均峰值强度为28.19MPa，未进行充填、充填铜管以及充填固化体状态下煤岩样的平均峰值强度分别为16.57MPa、21.14MPa和18.50MPa，相比于未钻孔完整状态煤岩样分别降低41.22％、25.00％和34.38％。未钻孔完整状态煤岩样的平均峰值应变为0.02127，钻孔未充填状态煤岩样、钻孔充填铜管状态煤岩样及钻孔充填固化体状态煤岩样的平均峰值应变分别为0.01969、0.01954和0.01981，相比于未钻孔完整状态煤岩样分别降低7.47％、8.13％和6.86％。未钻孔完整状态煤岩样的平均弹性模量为2.42GPa，未进行充填、充填铜管以及充填固化体状态下的平均弹性模量分别为1.27GPa、1.90GPa和1.84GPa，相比于未钻孔完整状态煤岩样分别降低47.52％、21.45％和22.57％。
本申请实施例中，与钻孔未充填状态煤岩样相比，随着充填材料材料的改变，煤岩样的峰值强度持续增强，煤岩样的弹性模量同样保持增长，而峰值应变却在保持降低的同时与充填材料的坚硬属性形成对比。相比于未钻孔完整状态岩样，未进行充填、充填铜管以及充填固化体状态下岩样力学参数均有所劣化。原因在于充填体提供了一定的支撑能力，增大了承载过程的峰值强度，但铜管与固化体之间最明显的差异在于，铜管属于刚性充填，即通过限制变形而达到目的，而固化体属于柔性充填，可以通过一定的变形提高强度。
本申请实施例中，对不同改性调控措施下强冲击倾向性岩样进行单轴压缩试验，对其力学参数进行如表4所示。
表4不同改性状态下强冲击倾向性岩样平均岩样力学参数
Figure BDA0003006111150000071
步骤S102、根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率。
在本申请实施例中，基于能量理论，对不同改性调控措施承载煤岩样的能量演化规律进行分析。设定煤岩样单轴压缩试验全程并不产生热交换，即压缩荷载对煤岩样所做的功均被煤岩样自身所吸收，吸收的总应变能记为U，其中大部分能量以可释放的弹性应变能Ue存储起来，剩余的小部分能量以耗散应变能Ud的形式耗散掉，并通过承载煤岩样产生损伤变形变现出来。
如图5所示，根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，包括：
步骤S112、分别基于预先构建的总应变能模型、弹性应变能模型和耗散应变能模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，分别构建煤岩样在不同改性调控措施下对应的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线；
在本申请实施例中，总应变能模型如下公式(1)所示：
Figure BDA0003006111150000081
其中，U为煤岩样的总应变能；i为煤岩样的应力应变曲线中数据点的编号；n为煤岩样的应力应变曲线中的总数据点数；σ1i、ε1i分别为同一改性调控措施下不同状态时的煤岩样前i个数据点的主应力值的积分和主应变值的积分；σ1i+1、ε1i+1分别为同一改性调控措施下不同状态时的煤岩样前i+1个数据点的主应力值的积分和主应变值的积分；
弹性应变能模型如下公式(2)所示：
Figure BDA0003006111150000082
其中，Ue为煤岩样的弹性应变能；σ1为煤岩样的主应力值；E0为煤岩样的初始弹性模量；
耗散应变能模型如下公式(3)所示：
Ud＝U-Ue…………………………………………………(3)
其中，Ud为煤岩样的耗散应变能。
在本申请实施例中，分别对不同改性状态下强冲击倾向性煤岩样进行单轴压缩试验，对其能量演化规律进行分析，分别得到不同改性状态下的能量密度曲线，其中，能量密度曲线包括：总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线。
图6为本申请实施例中自然状态下煤岩样的能量密度曲线；如图6所示，自然状态下，承载煤岩样加载过程经历初始压实阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、塑性变形阶段(BC)、屈服破坏阶段(CD)和破坏后期阶段(DE)5个阶段。
图7为本申请实施例中注水软化调控措施中干燥状态下煤岩样的能量密度曲线；图8为本申请实施例中注水软化调控措施中饱水状态下煤岩样的能量密度曲线；如图7、图8所示，与典型自然状态曲线比对可以发现，伴随着应力应变曲线的不同阶段,即初始压实阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、塑性变形阶段(BC)、屈服破坏阶段(CD)和破坏后期阶段(DE)，不同含水率煤岩样的能量成分也呈现相应的变化特点，而干燥状态与自然、饱水状态下，煤岩样的耗散能量曲线成分发生本质区别：干燥状态下，耗散能量密度曲线出现下降拐点后缓慢上升。自然、饱水状态下，耗散能量密度曲线出现显著下降趋势后骤升。
图9为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中小孔径状态下煤岩样的能量密度曲线；图10为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中大孔径状态下煤岩样的能量密度曲线；如图9、图10所示，伴随着应力应变曲线的不同阶段,即压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，不同孔径煤岩样的能量成分呈现相应的变化特点，而小孔径状态与自然、大孔径状态下，煤岩样的弹性能量曲线成分发生本质区别：小孔径状态下，弹性能量密度曲线高于总应变能曲线。自然、大孔径状态下，弹性能量密度曲线均低于总应变能曲线。
图11为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填铜管状态下煤岩样的能量密度曲线；图12为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填固化体状态下煤岩样的能量密度曲线；如图11、图12所示，伴随着应力应变曲线的不同阶段，即压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，不同充填调控措施岩样的能量成分呈现相应的变化特点，而充填铜管、充填固化体状态均与自然、大孔径状态差异显著，岩样的耗散能量曲线成分发生本质区别：充填铜管、充填固化体状态下，耗散能量密度曲线出现下降拐点后缓慢上升，且上升区间随着充填材料的坚硬属性发生同步改变，这与其他状态下表现出不一致的特性。
在本申请实施例中，如图6-图12所示，自然完整状态下典型煤岩样，存在显著的初始压密阶段(OA)，呈现下凹趋势，且该阶段三者能量密度与应变表征为非线性增大关系，因为天然随机微裂隙的存在，导致加载初期耗散应变能增长速率大于弹性应变能，这是因为初始变形阶段，岩体中微裂纹闭合和摩擦消耗了大部分能量。
弹性变形阶段(AB)，应力应变曲线基本呈现线性变化，因此该阶段内弹性应变能开始变为主导，且总应变能和弹性应变能均随着应变的增大开始表征为较恒定的增速变化，显然耗散应变能增速逐渐减缓，此时煤岩样中的微裂纹已基本闭合，煤岩样开始储存能量，因此该阶段输入的总应变能相当一部分贡献为煤岩样的弹性应变能，故耗散应变能稳定在一定范围内。
塑性变形阶段(BC)，应力应变曲线呈显著线性关系，因此该阶段内弹性应变能明显变为主导，单轴压缩过程中随着应变进一步增大，总应变能与弹性应变能均继续增大，但弹性应变能增速迅猛，在屈服强度点处弹性应变能达到极值(储能极限值)；而该阶段耗散应变能由原先的平稳开始迅速下降，耗散应变能曲线呈现明显的“下凹”趋势，与脆性岩体破坏前的“蓄能期”形成较好的对应。因为，随着变形不断发展，此时存在于脆性煤岩样中的微裂纹全部发生闭合，完整性好，不断发挥着储能特性。
屈服破坏阶段(CD)，屈服强度点后直至峰值强度点，煤岩样损伤程度快速增大，因此耗散应变能迅速增大，故储存的弹性应变能随着应力降缓慢减少。因为该阶段内部逐步产生新的微裂纹，微裂纹数量不断增多。
破坏后期阶段(DE)，峰值强度点后，峰前储存的可释放弹性应变能迅速释放，即耗散应变能则急速增加，弹性应变能急速降低。该阶段，峰后的可释放弹性能通过产生宏观裂纹，同时伴随着动能等形式加以辅助释放。
在本申请实施例中，不同改性状态下，煤岩样同样经历上述几个损伤划分阶段，其能量演化规律大致与自然完整状态下煤岩样相同，但在屈服破坏阶段以及破坏后期阶段均存在明显差异。
钻孔未充填状态下，典型煤岩样在进入极其短暂的屈服破坏阶段后，立刻进入破坏后期阶段，且明显保持强脆性破坏特征。在单轴压缩过程中，钻孔未充填状态下煤岩样，因其自身的孔洞缺陷，导致孔洞周边易产生应力聚集现象，从而快速产生裂纹起裂、扩展等链式破坏反应，并突然快速释放原始峰前储存的弹性应变能。
钻孔充填铜管状态下，煤岩样在进入历程稍长的屈服破坏阶段后，同样立刻进入破坏后期阶段，且保持了一定延性破坏特征。钻孔充填铜管状态下煤岩样在变形过程中，充填铜管的孔洞周边虽然极易产生应力集中诱发裂纹开始起裂、扩展，但铜管起到了一定的刚性支撑作用，并起到了提高孔洞煤岩样的二次储能阈值(可释放弹性应变能峰值)，既确保了弹性应变能不轻易释放，同时缓解了释放的剧烈程度。
钻孔充填固化体状态下，煤岩样在进入历程最长的屈服破坏阶段后，同样立刻进入破坏后期阶段，且保持了明显延性破坏特征。钻孔充填固化体状态下煤岩样在变形过程中，充填固化体的孔洞周边虽然极易产生应力集中诱发裂纹开始起裂、扩展，但固化体起到了一定的柔性支撑且缓冲作用，通过缓慢增加孔洞充填煤岩样的峰后应变变化值，起到了降低煤岩样峰后弹性能释放剧烈程度。
步骤S122、基于预先构建的弹性能耗比模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线。
在本申请实施例中，能量持续耗散与损伤演化有着密不可分的联系，而耗散能的释放来源于峰前可释放弹性能的积聚，这与峰前弹性能储存(应变硬化)和峰后耗散能释放(应变软化)两个阶段互相对应，进一步揭示了以能量耗散为主线的岩石破坏规律，此外与两者的转化关系在一定程度上综合反映了受载岩样破坏前兆特征。因此构建弹性能耗比反映煤岩样单轴压缩全过程中两者之间的能量关系，并对不同改性调控措施下单轴压缩煤岩样冲击破坏前兆进行判别分析。
弹性能耗比模型如下公式(4)所示：
Figure BDA0003006111150000101
其中，K为煤岩样的弹性能耗比。
本申请实施例中，为了对比不同改性措施的差异性，首先分析完整自然状态下承载煤岩样破坏前兆，如图13所示(图13为本申请实施例中自然状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程)，表征了完整自然状态下煤岩样全过程应力应变曲线和对应状态下煤岩样单轴加载过程中弹性能耗比趋势线。
图14为本申请实施例中注水软化调控措施中干燥状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；图15为本申请实施例中注水软化调控措施中饱水状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；如图14、图15所示，不同含水状态下煤岩样承载变形过程中易形成应力集中，容易诱导裂纹起裂和扩展并引起能量耗散。
图16为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中小孔径状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；图17为本申请实施例中钻孔卸压调控措施中大孔径状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；如图16、图17所示，不同孔径状态下煤岩样承载变形过程中极易形成应力集中，容易诱导裂纹起裂和扩展并引起能量耗散。
图18为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填固化体状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；图19为本申请实施例中充填加固调控措施中钻孔充填铜管状态下煤岩样的弹性能耗比演化过程；如图18、图19所示，不同充填状态下煤岩样承载变形过程中充填材料与钻孔面耦合区域易形成应力集中，容易诱导裂纹起裂和扩展并引起能量耗散。
如图13-图19所示，不同改性调控措施下初始压密阶段煤岩样加载过程的弹性能耗比均表现为先增大后减小的趋势，这与煤岩样内部存在天然随机微裂隙密不可分，即加载初期由以耗散应变能为主导慢慢过渡到弹性应变能为主导，因此弹性能耗比均出现了先增大后减小的现象，然后由于注水、钻孔、充填等改性措施的实施，导致了初始损伤存在差异，即弹性能耗比拐点及变化趋势又不一致，实际表征为煤岩样完整性越好，弹性能耗比拐点越低且变化趋势越平稳。随着加载的继续，承载煤岩样进入弹性变形和塑性变形阶段，该两个阶段煤岩样主要进行弹性应变能的积聚，且在塑性变形阶段，甚至出现弹性应变能缓慢增大的趋势，因此对应弹性能耗比出现了持续性降低，最终逼近0值，此时弹性能耗比出现最低值。
此后，承载煤岩样超过屈服强度，直接进入屈服破坏和破坏后期阶段，在这两个阶段，承载煤岩样损伤程度加剧，直至达到峰值强度，煤岩样丧失整体强度，宏观大裂隙贯穿，此时，弹性应变能开始缓慢降低，耗散应变能开始缓慢增大，对应弹性能耗比由0值(最低点)开始缓慢增大，发生突变，预示着煤岩样进入屈服破坏阶段，即将发生整体失稳破坏。到达峰值强度点后，煤岩样宏观形成破坏，此阶段变成以耗散能增大为主导，且耗散应变能急速增大，因此弹性应变能骤减，必然导致弹性能耗比急速上升。
步骤132、基于预先构建的能量转化模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率。
在本申请实施例中，由于煤岩样本身为具备强冲击倾向性煤岩样，为了对比不同改性调控措施下岩石冲击倾向性的变化程度，通过能量转化效率，计算峰前能量转化为峰后破坏岩石动能，对岩石冲击倾向性的变化程度进行分析。
在本申请实施例中，能量转化模型如下公式(5)所示：
Figure BDA0003006111150000111
其中，η为煤岩样的能量转化效率；EZE、EZD分别表示煤岩样的应力应变曲线中峰值点对应的总应变能、煤岩样完全破坏时对应的总应变能；EHD表示煤岩样的应力应变曲线中峰值点对应的耗散应变能。
本申请实施例中，注水调控措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率如表5所示。
表5注水调控措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率
Figure BDA0003006111150000112
Figure BDA0003006111150000121
可知，干燥状态岩样、自然状态岩样和饱水状态岩样破坏时输入的总能量平均值分别为0.37066MJ/m3，0.21523MJ/m3和0.14580MJ/m3。
本申请实施例中，钻孔卸压措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率如表6所示。
表6钻孔卸压措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率
Figure BDA0003006111150000122
可知，未钻孔完整状态煤岩样、钻孔未充填状态煤岩样、钻孔充填铜管状态煤岩样和钻孔充填固化体状态煤岩样破坏时输入的总能量平均值分别为0.21523MJ/m3，0.11947MJ/m3，0.16161MJ/m3和0.15373MJ/m3，不同充填状态煤岩样与完整煤岩样相比，输入的总能量显著降低。
本申请实施例中，充填加固措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率如表7所示。
表7充填加固措施下峰值点各能量、破坏总能量及能量转化效率
Figure BDA0003006111150000123
可知，不同充填状态下峰值点能量参数可知，峰值点输入的总能量与储存的弹性应变能随着充填材料的性质的改变而发生明显变化，钻孔未充填状态、钻孔充填铜管状态、钻孔充填固化体状态及未钻孔完整状态煤岩样峰值弹性应变能分别为0.10811MJ/m3，0.11762MJ/m3，0.09317MJ/m3和0.16425MJ/m3；因为钻孔未充填状态，因人为制造孔洞，初始损伤增大，破坏原始完整煤岩样储能极限，故该状态峰值弹性应变能最低，而钻孔充填铜管状态因提供支撑力的作用，且钻孔充填固化体状态因提供一定的应变，两者均能稳定峰值弹性应变能，并对峰后的释放程度进行处理。
可见，总能量随着充填材料的改变发生变化。由于钻孔(含不同充填材料)造成的初始损伤以及变形过程中裂纹起裂扩展耗散的能量，使得不同充填状态岩样吸收总能量的能力提升显著，可见不同充填材料对岩样存在明显的能量强化作用。
步骤S103、根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度。
在本申请实施例中，通过煤岩样的屈服时机表征冲击地压发生的时间，通过煤岩样的破坏程度表征冲击地压发生的强度，达到煤岩样的对深部煤岩体的能量失稳进行理论分析的目的。
图20为根据本申请的一些实施例提供的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法中步骤S103的流程示意图；如图20所示，所述根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机包括：
步骤S113、根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，确定弹性能耗比连续降低为煤岩样在不同改性调控措施下的破坏前兆。
在本申请实施例中，通过构建弹性能耗比反映煤岩样单轴压缩全过程中两者之间的能量关系，并对不同改性调控措施下单轴压缩煤岩样冲击破坏前兆进行判别分析。
本申请实施例中，不同改性调控措施下初始压密阶段煤岩样加载过程的弹性能耗比均表现为先增大后减小的趋势，这与煤岩样内部存在天然随机微裂隙密不可分，即加载初期由以耗散应变能为主导慢慢过渡到弹性应变能为主导，因此弹性能耗比均出现了先增大后减小的现象，然后由于注水、钻孔、充填等改性措施的实施，导致了初始损伤存在差异，即弹性能耗比拐点及变化趋势又不一致，实际表征为煤岩样完整性越好，弹性能耗比拐点越低且变化趋势越平稳。随着加载的继续，承载煤岩样进入弹性变形和塑性变形阶段，该两个阶段煤岩样主要进行弹性应变能的积聚，且在塑性变形阶段，甚至出现弹性应变能缓慢增大的趋势，因此对应弹性能耗比出现了持续性降低，最终逼近0值，此时弹性能耗比出现最低值。
此后，承载煤岩样超过屈服强度，直接进入屈服破坏和破坏后期阶段，在这两个阶段，承载煤岩样损伤程度加剧，直至达到峰值强度，煤岩样丧失整体强度，宏观大裂隙贯穿，此时，弹性应变能开始缓慢降低，耗散应变能开始缓慢增大，对应弹性能耗比由0值(最低点)开始缓慢增大，发生突变，预示着煤岩样进入屈服破坏阶段，即将发生整体失稳破坏。到达峰值强度点后，煤岩样宏观形成破坏，此阶段变成以耗散能增大为主导，且耗散应变能急速增大，因此弹性应变能骤减，必然导致弹性能耗比急速上升。
步骤S123、基于煤岩样在不同改性调控措施下的破坏前兆，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机。
在本申请实施例中，弹性能耗比持续降低预示着煤岩样裂纹开始启裂与扩展，随后弹性能耗比出现突增，此时煤岩样已进入屈服阶段，预示着煤岩样发生失稳破坏。因此，将弹性能耗比发生连续降低作为不同改性状态煤岩样发生破坏的前兆判据。
本申请实施例中，不同改性调控措施下，弹性能耗比均可以准确预测屈服点C点的出现时机，且不同改性调控措施对不同阶段占比产生影响，而冲击地压能否准确有效预测，除了屈服点C，还取决于屈服破坏阶段(CD)的占比，即屈服破坏阶段(CD)越长，冲击地压预测信号越有效。因此，对不同改性调控措施下承载煤岩样破坏全过程各阶段应变比值进行统计，重点分析屈服破坏阶段(CD)的占比。
本申请实施例中，注水调控措施中不同含水状态下承载煤岩样破坏全过程各阶段应变比值如表8所示。
表8不同含水状态下承载岩样破坏全过程各阶段应变比值
Figure BDA0003006111150000141
可知，随着含水率增大，屈服破坏阶段(CD)的占比越来越低，原因在于水分子通过软化岩石基质之间的摩擦，降低煤岩样的峰值强度和峰值应变，进一步表征为降低煤岩样的脆性，且降幅随含水率增大而增大，同时降低了屈服破坏阶段的占比，这对现场工程准确预测带来一定的风险。
本申请实施例中，钻孔卸压措施中不同孔洞状态下承载岩样破坏全过程各阶段应变比值如表9所示。
表9不同孔洞状态下承载岩样破坏全过程各阶段应变比值
Figure BDA0003006111150000142
可知，相较于自然状态，随着孔洞直径的增大，屈服破坏阶段(CD)的占比先降低后增大，原因在于小孔径煤岩样承载前期，通过应力调整来达到煤岩样自稳定性，在此期间裂纹不断萌生，表征为产生较大的轴向变形，这与该状态下峰值应变增大形成对比，达到屈服点C时，后续岩体快速失稳。而大孔径煤岩样承载前期，因初始损伤较大，应力调整不充分，裂纹萌生不发育，达到屈服点C时，仍有一小段屈服破坏阶段(CD)后，岩体快速失稳。因此，大孔径卸压对现场工程准确预测具有帮助。
本申请实施例中，充填加固措施下不同充填状态下承载岩样破坏全过程各阶段应变比值如表10所示。
表10不同充填状态下承载岩样破坏全过程各阶段应变比值
Figure BDA0003006111150000151
可知，相较于自然状态和钻孔未充填状态，随着充填材料属性的改变，屈服破坏阶段(CD)的占比发生改变，原因在于充填铜管状态(刚性充填)，煤岩样被提供刚性支撑，产生较小的非协同变形，其屈服破坏阶段(CD)的占比小于自然状态。而充填固化体状态(柔性充填)，煤岩样被提供柔性性支撑，产生较大的协同变形，其屈服破坏阶段(CD)的占比远大于自然状态。因此，充填固化体状态对现场工程准确预测具有较大帮助。
在一些可选实施例中，在根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度时，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率的大小，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；其中，能量转化效率与煤岩样的破坏程度正相关。
在本申请实施例中，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度通过不同改性调控措施下煤岩样的能耗特征表现出来。如图21-图23所示，由煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的总应变能、弹性应变能和耗散应变能与应变的关系(图21为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；图22为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；图23为煤岩样在注水软化调控措施中不同含水状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系)可知，随着含水率的增加，煤岩样吸收的总能量随着应变的增长速率有所减缓，而煤岩样弹性应变能量峰值点随着含水率的增加不断减小。
干燥状态下，因坚硬岩石的基质承载能力较大，在压密阶段和弹性阶段，由于仅有只有极少部分用于能量耗散，此时耗散能曲线低而平稳；而进入屈服阶段后，耗散能曲线增速变快，说明用于塑性应变和裂纹扩展的总能量越来越多，耗散能所占比重迅速增大；处于破坏阶段时，弹性能随应力曲线的脆性跌落而迅速降低。而在含水情况下(即自然和饱水状态下)，在压密阶段和弹性阶段，煤岩样能量曲线变化情况与干燥情况一致；而进入屈服阶段后，耗散能曲线增速减小，而该阶段往往需要更大的能量用于坚硬煤岩样的加剧破坏，此时需要进一步增大承载煤岩样的弹性应变能。
在本申请实施例中，由于水的存在，经过压密和弹性阶段后，孔隙水与岩石基质耦合形成较均一的弹性体，水在软化岩石基质的同时，也对弹性应变能进行大量吸收，进一步导致含水煤岩样受载屈服阶段弹性应变能占比增大，对应蓄能期(声发射平静期)，待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通，即试样马上进入破坏阶段。
如图24-图26所示，由煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的总应变能、弹性应变能和耗散应变能与应变的关系(图24为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；图25为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；图26为煤岩样在钻孔卸压调控措施中不同孔径状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系)。可知，钻孔状态下典型煤岩样在进入极其短暂的屈服破坏阶段后，立刻进入破坏后期阶段，且明显保持强脆性破坏特征。在单轴压缩过程中，钻孔未充填状态下煤岩样，因其自身的孔洞缺陷，导致孔洞周边易产生应力聚集现象，从而快速产生裂纹起裂、扩展等链式破坏反应，并突然快速释放原始峰前储存的弹性应变能。
在本申请实施例中，不同钻孔状态下煤岩样弹性能能量密度曲线区分明显，随着钻孔尺寸的改变，煤岩样吸收的总能量随着应变的增长速率发生显著改变，而煤岩样总应变能峰值点亦发生变化，总应变能大小排序状态为：自然完整状态＞小孔径状态＞大孔径状态。煤岩样的弹性应变能在单轴压缩全过程可以划分为能量存储阶段和能量释放阶段。煤岩样弹性应变能能量存储阶段差异较复杂，而煤岩样弹性应变能能量释放阶段差异显著，弹性应变能释放过程激烈程序排序状态为：小孔径状态＞大孔径状态＞自然完整状态。
如图27-图29所示，由煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的总应变能、弹性应变能和耗散应变能与应变的关系(图27为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的总应变能与应变的关系；图28为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的弹性应变能与应变的关系；图29为煤岩样在充填加固调控措施中不同充填状态下煤岩样的耗散应变能与应变的关系)。
如图27所示，钻孔未充填状态与其他三种充填状态(包含未钻孔完整状态)曲线区分明显，随着充填材料性质的改变以及强度的提升，煤岩样吸收的总能量随着应变的增长速率发生显著改变，而煤岩样总应变能峰值点亦发生变化，总应变能大小排序状态为：未钻孔完整状态＞钻孔充填固化体状态＞钻孔充填铜管状态＞钻孔未充填状态。
如图28所示，不同充填状态下煤岩样弹性能能量密度曲线区分明显，随着充填材料性质的改变以及强度的提升，煤岩样的弹性应变能在单轴压缩全过程可以划分为能量存储阶段和能量释放阶段。煤岩样弹性应变能能量存储阶段差异较复杂，后续将在结合声发射特性进行具体分析，故本文不做赘述。而煤岩样弹性应变能能量释放阶段差异显著，弹性应变能释放过程激烈程序排序状态为：钻孔未充填状态＞未钻孔完整状态＞钻孔充填铜管状态＞钻孔充填固化体状态。
如图29所示，未钻孔完整状态与其他三种充填状态(包含钻孔未充填状态)曲线区分明显，随着充填材料性质的改变以及强度的增加，煤岩样耗散能能量密度随着应变的增长发生显著改变，而煤岩样弹性应变能能量释放阶段差异显著，弹性应变能释放过程激烈程度排序状态为：钻孔未充填状态＞未钻孔完整状态＞钻孔充填铜管状态＞钻孔充填固化体状态。
步骤S104、根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
在本申请实施例中，煤岩样在注水软化调控措施中，随着含水率的增大，煤岩样单轴压缩试验全过程应力应变曲线有整体左移压缩趋势。原因在于裂隙中的水分子削弱了裂隙颗粒之间的凝聚力，使得煤岩样得到软化，进而进一步降低煤岩样的峰值强度和弹性模量，宏观表现为整体力学性质有所降低，而由于坚硬岩层的特殊性，一直保持着脆性破坏的属性，因此峰值应变也呈现负相关关系，但降低煤岩样的脆性的同时降低了屈服破坏阶段的占比。
煤岩样在钻孔卸压调控措施中，就孔洞条件而言，相较于未钻孔完整煤岩样，钻孔必然导致孔洞煤岩样峰值强度降低显著，而峰值应变同样降低，因此单纯从应力应变曲线峰前阶段来看，孔洞煤岩样峰前储存的弹性能降低，该方法与治理冲击地压的泄压的思路(释放能量)相匹配，但因人为构造了弱面，不可避免降低了材料本身的储能阈值，且因材料的脆性特征，导致峰后破坏能量急剧降低，整体加剧了破坏剧烈程度。在一定的条件下，极易产生能量快速释放，即表征为冲击地压现象。
煤岩样在充填加固调控措施中，单纯孔洞煤岩样峰前储存的弹性能虽然降低，但因人为构造了弱面，峰后释放能量剧烈。为了避免孔洞煤岩样峰后释放能量剧烈，因此考虑填充材料来增加峰后破坏能量(柔性材料和刚性材料)，进一步减缓峰后释放能量的剧烈程度。其中，刚性材料主要提供支撑力的作用，通过提高支撑力来增加峰后破坏能量；柔性材料仅提供较小的支撑力，主要通过延长变形量的方式，来增加峰后能量，相比较完整煤岩样和钻孔未充填煤岩样，不同充填状态煤岩样在峰后阶段可以发挥吸收能量的作用。
在一些可选实施例中，在根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控时，响应于深部煤岩体开采时的能量失稳达到屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体施以对应的组合改性调控措施，以对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控，其中，组合改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施的任意组合。
在本申请实施例中，基于室内岩石力学试验(单轴压缩试验)，分析煤岩样在不同改性调控措施下的能量耗散规律，对强冲击倾向性煤岩样原位改性调控能量进行演化，合理组合不同改性调控措施，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
在本申请实施例中，通过分析不同改性调控措施下总应变能、弹性应变能和耗散应变能分别与应变的关系可知，可将弹性能耗比持续降低预示着煤岩样裂纹开始启裂与扩展，随后弹性能耗比出现突增，此时煤岩样已进入屈服阶段，预示着煤岩样发生失稳破坏。因此，将弹性能耗比发生连续降低作为不同改性状态煤岩样发生破坏的前兆判据，并通过计算能量转化效率，在一定程度上表征岩石冲击倾向性。
在本申请实施例中，不同含水状态下煤岩样承载变形过程中易形成应力集中，容易诱导裂纹起裂和扩展并引起能量耗散。不同充填状态下煤岩样承载变形过程中充填材料与钻孔面耦合区域易形成应力集中，容易诱导裂纹起裂和扩展并引起能量耗散。钻孔充填固化体状态下煤岩样在变形过程中，充填固化体的孔洞周边虽然极易产生应力集中诱发裂纹开始起裂、扩展，但固化体起到了一定的支撑且缓冲作用，导致积聚在煤岩样中的弹性应变能缓慢释放。
在本申请实施例中，通过煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，分别从时间(屈服时机)和强度(破坏程度)上，对开深部煤岩体开采时能量耗散进行判断，当深部煤岩体开采时的能量耗散分别从时间和强度上满足判断条件(屈服时机、破坏程度)时，即需要以对应的改性调控措施对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。在此，改性调控措施可以是注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施中的任一项，或任意改性调控措施组合而成的组合改性调控措施。进而，有效避免深部煤岩体开采区域内大范围卸压导致应力落差较大，使岩体的不稳定程度降低，实现深部煤岩体能量失稳的动态调控。
在一些可选实施例中，在基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体的煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线之前，还包括：在深部煤岩体的工作面支架后方垂直于煤岩层节理面的高度方向上对强冲击倾向性岩层进行取样，得到煤岩样。
在本申请实施例中，通过在深部煤岩体的工作面支架后方垂直于煤岩层节理面的高度方向上对强冲击倾向性岩层进行取样分析，得到的判断数据，能够更为准确的反映深部煤岩体在开采过程中的能量失稳状态，进而可以采取针对性的改性调控措施对深部煤岩体的冲击地压进行调控，有效避免深层煤岩体的不稳定程度。
图30为根据本申请的一些实施例提供的一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统的示意图；如图30所示，该深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统包括：样本试验单元301，配置为基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；第一处理单元302，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；第二处理单元303，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；调控执行单元304，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
在本申请实施例中，该深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统能够实现上述任一深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法的流程，并达到相应的技术效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，包括：
步骤S101：基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体的煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；
步骤S102：根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；
步骤S103：根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；
步骤S104：根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
2.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，步骤S101包括：
基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在注水软化措施下不同含水率时的应力应变曲线；
以及，基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在钻孔卸压措施下不同孔径钻孔时的应力应变曲线；
以及，基于室内单轴压缩试验，得到煤岩样在充填加固措施下固定孔径先钻孔后填充不同属性材料时的应力应变曲线。
3.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，在步骤S101中，基于室内单轴压缩试验，对煤岩样以0.2千牛每秒的恒定速率进行稳定加载，得到煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线。
4.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，步骤S102包括：
分别基于预先构建的总应变能模型、弹性应变能模型和耗散应变能模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，分别构建煤岩样在不同改性调控措施下对应的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线；
基于预先构建的弹性能耗比模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线；
基于预先构建的能量转化模型，根据煤岩样在不同改性调控措施下的总应变能曲线、弹性应变能曲线和耗散应变能曲线，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率。
5.根据权利要求4所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，
总应变能模型为：
Figure FDA0003006111140000021
其中，U为煤岩样的总应变能；i为煤岩样的应力应变曲线中数据点的编号；n为煤岩样的应力应变曲线中的总数据点数；σ1i、ε1i分别为同一改性调控措施下不同状态时的煤岩样前i个数据点的主应力值的积分和主应变值的积分；σ1i+1、ε1i+1分别为同一改性调控措施下不同状态时的煤岩样前i+1个数据点的主应力值的积分和主应变值的积分；
弹性应变能模型为：
Figure FDA0003006111140000022
其中，Ue为煤岩样的弹性应变能；σ1为煤岩样的主应力值；E0为煤岩样的初始弹性模量；
耗散应变能模型为：
Ud＝U-Ue
其中，Ud为煤岩样的耗散应变能；
弹性能耗比模型为：
Figure FDA0003006111140000023
其中，K为煤岩样的弹性能耗比；
能量转化模型为：
Figure FDA0003006111140000024
其中，η为煤岩样的能量转化效率；EZE、EzD分别表示煤岩样的应力应变曲线中峰值点对应的总应变能、煤岩样完全破坏时对应的总应变能；EHD表示煤岩样的应力应变曲线中峰值点对应的耗散应变能。
6.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，步骤S103包括：
根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，确定弹性能耗比连续降低为煤岩样在不同改性调控措施下的破坏前兆；
基于煤岩样在不同改性调控措施下的破坏前兆，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机。
7.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，在步骤S103中，
根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率的大小，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；其中，能量转化效率与煤岩样的破坏程度正相关。
8.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，在步骤S104中，
响应于深部煤岩体开采时的能量失稳达到屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体施以对应的组合改性调控措施，以对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控，其中，组合改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施的任意组合。
9.根据权利要求1所述的深部煤岩体冲击地压自适应原位调控方法，其特征在于，在步骤S101之前，还包括：
在深部煤岩体的工作面支架后方垂直于煤岩层节理面的高度方向上对强冲击倾向性岩层进行取样，得到煤岩样。
10.一种深部煤岩体冲击地压自适应原位调控系统，其特征在于，包括：
样本试验单元，配置为基于室内单轴压缩试验，得到预先获取的深部煤岩体在不同改性调控措施下的应力应变曲线；其中，改性调控措施至少包括：注水软化措施、钻孔卸压措施和充填加固措施；
第一处理单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的应力应变曲线，构建煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，以及，得到煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率；
第二处理单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的弹性能耗比曲线，预测不同改性调控措施下煤岩样的屈服时机，以及，根据煤岩样在不同改性调控措施下的能量转化效率，确定煤岩样在不同改性调控措施下的破坏程度；
调控执行单元，配置为根据煤岩样在不同改性调控措施下的屈服时机和破坏程度，对深部煤岩体的冲击地压能量进行调控。
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