CN113984553A - 基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，采用真三轴压力机对煤岩体试样进行加卸载，真三轴压力机上安装有引伸计和钢板，引伸计用于测量所述煤岩体试样的变形量，钢板用于对煤岩体试样进行加卸载，能量计算方法包括以下步骤：计算真三轴压力机各方向上的对外做功；计算真三轴压力机对外做功总和；计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量；计算真三轴压力机内部存储能量之和；分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和。本发明方法能够模拟深部煤岩体复杂多变的应力环境，指导现场煤矿在采掘过程中对能量吸收和转移释放进行精准调控，为防冲工作与采掘作业的协调开展提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿监测技术领域，尤其涉及一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法。
背景技术
冲击地压具有突然发生、持续时间短、巨大破坏性等能量释放特征，是一种煤岩体系统受力后由稳定态积蓄能量向非稳定态释放能量转化的非线性动力学现象。冲击地压的形成过程中始终伴随着能量的分布调整，而冲击地压发生则是能量调整分布过程中的一个特征点。由于煤岩体原始构造的存在，使得煤矿井下原岩体处于多轴应力状态，由于地下工程的开挖而产生临空面，发生应力卸载；随着采掘活动空间位置的推进，又使得另一面应力加载；在特殊地质及应力条件下造成动力性破坏。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：首先，现有的试验加载方法多为单轴压缩、单轴分级加卸载、单轴循环加卸载、假三轴压缩、假三轴循环加卸载等，现有技术提供的方法不能再现模拟深部煤岩体复杂多变的应力变化环境；其次，现有试验中对于煤岩体能量计算多局限于弹性能、塑性能等的分配比例关系分析，而未能是实现对实验过程的试样吸收能量进行实时计算，现有技术提供的方法不能分析整个外力变化过程中吸收能量值随加卸载的变化规律。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法。
为达到上述目的，本发明提出的一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，采用真三轴压力机对煤岩体试样进行加卸载，真三轴压力机上安装有引伸计和钢板，引伸计用于测量所述煤岩体试样的变形量，钢板用于对煤岩体试样进行加卸载，能量计算方法包括以下步骤：
计算真三轴压力机各方向上的对外做功；
计算真三轴压力机对外做功总和；
计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量；
计算真三轴压力机内部存储能量之和；
分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和。
本发明的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，计算得到试验过程中煤岩体试样每一时刻的不同方向吸收能量数值，解决了常规地通过对煤岩体反复加卸载而间接计算能量的问题，可以大大减少试验时间，并且一次性计算得到煤岩体加卸载过程中实时的能量值，而不是起最终失稳的能量值。本发明方法能够模拟深部煤岩体复杂多变的应力环境，指导现场煤矿在采掘过程中对能量吸收和转移释放进行精准调控，为防冲工作与采掘作业的协调开展提供指导，最终有效指导矿井让压布置，低压掘进，卸压开采。
根据本发明的一个实施例，
所述计算真三轴压力机各方向上的对外做功包括：
积分计算真三轴压力机各方向对外做功，Wi＝∫fidsi,i＝1、2、3，其中，Wi为真三轴压力机分布在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上对外做的功，fi为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，si为所述引伸计测得的所述煤岩体试样的变形量。
根据本发明的一个实施例，所述计算真三轴压力机对外做功总和包括：
对所述真三轴压力机对外做的功求和，W0＝∑Wi,i＝1、2、3，其中，W0为所述真三轴压力机对外做功总和。
根据本发明的一个实施例，所述计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量包括：
积分计算所述真三轴压力机各方向内部储存能量，Ui＝∫fidli,i＝1、2、3，其中，Ui为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上内部存储的能量，fi为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，li为所述加载板的变形量。
根据本发明的一个实施例，所述计算真三轴压力机内部存储能量之和包括：
对所述真三轴压力机各方向内部存储能量求和，U0＝∑Uj,i＝1、2、3，其中，U0为所述真三轴压力机各方向内部存储能量总和。
根据本发明的一个实施例，所述分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和包括：
计算所述煤岩体试样在各方向上吸收的能量，Ji＝Wi-Ui,i＝1、2、3，其中，Ji为所述煤岩体试样分别在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上吸收的能量；
计算所述煤岩体试样吸收能量之和，J0＝W0-U0，其中，J0为所述煤岩体试样吸收能量总和。
根据本发明的一个实施例，所述煤岩体试样为正方体。
根据本发明的一个实施例，所述煤岩体试样为规格为100mm×100mm×100mm的正方体。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例提出的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法的流程示意图。
图2是本发明一实施例提出的真三轴压力机做功计算示意图。
图3本发明一实施例提出的真三轴压力机储存能量的计算示意图。
图4本发明一实施例提出的煤岩体试样吸收能量的计算示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例一
图1是本发明一实施例提出的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法的流程示意图。
参见图1，一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，采用真三轴压力机对煤岩体试样进行加卸载，真三轴压力机上安装有引伸计和钢板，引伸计用于测量所述煤岩体试样的变形量，钢板用于对煤岩体试样进行加卸载，能量计算方法包括以下步骤：
S102.计算真三轴压力机各方向上的对外做功。
计算真三轴压力机各方向上的对外做功包括：
积分计算真三轴压力机各方向对外做功，Wi＝∫fidsi,i＝1、2、3，其中，Wi为真三轴压力机分布在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上对外做的功，fi为真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，si为引伸计测得的煤岩体试样的变形量。fi和si的关系参阅图2。
S104.计算真三轴压力机对外做功总和。
对真三轴压力机对外做的功求和，W0＝∑Wi,i＝1、2、3，其中，W0为真三轴压力机对外做功总和。
S106.计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量。
积分计算真三轴压力机各方向内部储存能量，Ui＝∫fidli,i＝1、2、3，其中，Ui为真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上内部存储的能量，fi为真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，li为加载板的变形量。fi和li的关系参照图3。
S108.计算真三轴压力机内部存储能量之和。
对真三轴压力机各方向内部存储能量求和，U0＝∑Uj,i＝1、2、3，其中，U0为真三轴压力机各方向内部存储能量总和。
S110.分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和。
计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量，Ji＝Wi-Ui,i＝1、2、3，其中，Ji为煤岩体试样分别在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上吸收的能量。
计算煤岩体试样吸收能量之和，J0＝W0-U0，其中，J0为煤岩体试样吸收能量总和。参照图4，图4中，曲线a为X方向煤岩体试样吸收能量曲线，曲线b为Y方向煤岩体试样吸收能量曲线，曲线c为Z方向煤岩体试样吸收能量曲线，曲线d为各个方向煤岩体试样吸收能量之和曲线。
煤岩体试样受力变形直至破坏过程中可根据外力变化情况划分为7个阶段，并相应有7个外力变化节点依次为I、II、III、IV、V、VI、破坏，具体特点描述见表1。
表1试验过程中应力变化节点特征表
通过上述步骤，可以计算得到试验过程中煤岩体试样每一时刻的不同方向吸收能量数值，解决了常规地通过对煤岩体试样反复加卸载而间接计算能量的问题，可以大大减少试验时间，并且一次性计算得到煤岩体加卸载过程中实时的能量值，而不是起最终失稳的能量值，这对于研究计算分析实验过程中的不同节点、不同方向的能量演化规律及其影响因素具有重要的科学意义。计算得到煤岩体试样吸收的能量总和之后，可以分析煤岩体在外力加卸载过程中能量值实时演化特征，进而分析能量调整释放导致的煤岩体动力性破坏机制。
实施例二
其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。
煤岩体试样采用规格为100mm×100mm×100mm的正方体。煤岩体试样中，煤样与岩体的高度比例常用可以为1:0、1:2、1:1、2:1、0:1，也可以根据实际需要设置其他的煤与岩体的高度比例。对于煤样厚度比例分别为33％、50％、67％、100％的试样，采用上述方法计算其试验过程中的能量数值。试验过程中不同煤样厚度比例试样的不同方向在不同阶段的能量计算结果见表2。
表2试验过程中不同煤厚比例试样能量计算结果
分析可得，一、随着煤样厚度比例的增加，试样破坏时所累计吸收的能量呈现先增加后降低的上凸抛物线特征，与试样破坏裂纹特征类似；当煤厚厚度比例为67％时，试样破坏所累积吸收能量达到最大值，同时试样破坏时的冲击特征也最显著两者相互印证进一步说明试样累计吸收能量大小与其失稳破坏程度为正相关关系，即试样失稳破坏时随着累计吸收能量的增加，其破坏程度逐渐显著；单位体积的累计吸收能量超过一定阈值是触发冲击破坏的必要条件。
二、随着煤样厚度比例的增加，试样强度逐渐下降，两者具有良好的线性关系。煤样厚度比例每增加10％，则试样强度下降约3.1MPa。
三、试样破坏强度与其累计吸收能量并无明显的正相关关系，同时由于外力加载方式与试样破坏所表现出强度特征密切相关，而能量吸收释放是试样破坏的根本原因，因此研究能量吸收与转移释放规律更有利于揭示煤岩体破坏失稳本质。
冲击地压灾害仍然是制约煤矿安全生产最为典型的灾害，而冲击地压实质是煤岩体在外力加卸载作用下能量调整释放过程的一个特征点。上述实施例一、二提供的方法可以在理论上指导现场煤矿在采掘过程中对能量吸收和转移释放进行精准调控，为防冲工作与采掘作业协调进行提供基础，最终有效指导矿井让压布置，低压掘进，卸压开采。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，采用真三轴压力机对煤岩体试样进行加卸载，真三轴压力机上安装有引伸计和钢板，引伸计用于测量所述煤岩体试样的变形量，钢板用于对煤岩体试样进行加卸载，能量计算方法包括以下步骤：
计算真三轴压力机各方向上的对外做功；
计算真三轴压力机对外做功总和；
计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量；
计算真三轴压力机内部存储能量之和；
分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和。
2.根据权利要求1所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，
所述计算真三轴压力机各方向上的对外做功包括：
积分计算真三轴压力机各方向对外做功，Wi＝∫fidsi,i＝1、2、3，其中，Wi为真三轴压力机分布在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上对外做的功，fi为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，si为所述引伸计测得的所述煤岩体试样的变形量。
3.根据权利要求2所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述计算真三轴压力机对外做功总和包括：
对所述真三轴压力机对外做的功求和，W0＝∑Wi,i＝1、2、3，其中，W0为所述真三轴压力机对外做功总和。
4.根据权利要求3所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述计算真三轴压力机各方向上的内部储存能量包括：
积分计算所述真三轴压力机各方向内部储存能量，Ui＝∫fidli,i＝1、2、3，其中，Ui为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上内部存储的能量，fi为所述真三轴压力机在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加载力，li为所述加载板的变形量。
5.根据权利要求4所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述计算真三轴压力机内部存储能量之和包括：
对所述真三轴压力机各方向内部存储能量求和，U0＝∑Uj,i＝1、2、3，其中，U0为所述真三轴压力机各方向内部存储能量总和。
6.根据权利要求5所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述分别计算煤岩体试样在各方向上吸收的能量和煤岩体试样吸收能量总和包括：
计算所述煤岩体试样在各方向上吸收的能量，Ji＝Wi-Ui,i＝1、2、3，其中，Ji为所述煤岩体试样分别在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上吸收的能量；
计算所述煤岩体试样吸收能量之和，J0＝W0-U0，其中，J0为所述煤岩体试样吸收能量总和。
7.根据权利要求1所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述煤岩体试样为正方体。
8.根据权利要求1所述的基于真三轴试验条件下煤岩体冲击破坏过程的能量计算方法，其特征在于，所述煤岩体试样为规格为100mm×100mm×100mm的正方体。
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