一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法技术

本发明专利技术提供了一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法，包括：Poyting‑Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting‑Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成。本发明专利技术通过建立了断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的流变组合模型，并对模型中Maxwell和P‑t两个组合元件进行了分析，对研究断层附近冲击地压的诱发机理及危险程度都起着极其重要的作用。解决了现有技术中缺少符合实际的冲击地压诱发的理论及数学模型的问题，实现对现场断层附近冲击地压的预测、预报及防治提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法
本专利技术涉及煤矿开采
，特别是一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法。
技术介绍
随着我国煤炭需求量和开采深度的增加，断层赋存条件下煤层开采日趋增多，如木城涧煤矿、济三煤矿、古城煤矿、鲍店煤矿等。煤岩体内层状或弱层结构的大量存在，会使煤岩结构系统因摩擦滑动造成失稳而产生冲击地压。煤岩体不稳定的粘滑运动实质是煤岩系统发生变化或破坏。煤岩体粘滑特性与冲击地压显现及破坏形式具有较好的相似性，即冲击地压是煤岩体在采动过程中的瞬间突然滑动，往往导致顶底板瞬时加卸载、煤层瞬时破坏，而粘滑过程则是应力瞬时松驰和增加的过程。粘滑是煤岩系统的滑移失稳破坏，而冲击地压同样是变形系统的动力失稳过程，同属系统的失稳过程，因此，粘滑机制可以较好地解释冲击地压发生机理。目前，大多数研究仅对断层围岩系统稳定性进行了分析，并建立了断层煤岩结构平衡状态稳定性准则，但对断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的机理研究较少，而对建立较为符合实际的冲击地压诱发的理论及数学模型更为少见，因此对现场断层附近冲击地压的预测、预报及防治缺少了一定的理论指导。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法，旨在解决现有技术中缺少符合实际的冲击地压诱发的理论及数学模型的问题，实现对现场断层附近冲击地压的预测、预报及防治提供理论指导。为达到上述技术目的，本专利技术提供了一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，包括：Poyting-Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting-Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成；所述脆性单元代表煤岩体的冲击倾向性，弹性元件代表煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能，虎克体描述与时间有关的变形特性，摩擦器元件用来模拟模型的突然滑动。优选地，所述Maxwell模型是由弹性元件和粘壶串联而成，用于描述具有弹性特性和粘性特性介质的应力和应变关系。优选地，所述Maxwell模型应满足的本构方程为：优选地，所述Poyting-Thomson模型应满足的本构方程为：优选地，所述模型还包括损伤参量，用于描述煤岩体的损伤特征。本专利技术还提供了一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型建立方法，包括以下操作：利用脆性单元模拟岩体的冲击倾向性；利用弹性元件模拟煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能；利用虎克体模拟与时间有关的变形特性；利用摩擦器元件模拟模型的突然滑动；将Maxwell模型与一个脆性单元串联，虎克体与一个脆性单元串联，两者并联形成Poyting-Thomson模型，并与一个摩擦器元件、一个弹性元件进行串联。优选地，所述Maxwell模型是由弹性元件和粘壶串联而成，用于描述具有弹性特性和粘性特性介质的应力和应变关系。优选地，所述Maxwell模型应满足的本构方程为：优选地，所述Poyting-Thomson模型应满足的本构方程为：优选地，所述方法还包括：设置损伤参量，用于描述煤岩体的损伤特征。
技术实现思路
中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是专利技术所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：与现有技术相比，本专利技术通过建立了断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的流变组合模型，并对模型中Maxwell和P-t两个组合元件进行了分析，通过在断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的力学模型中引入脆性单元，代表了煤岩体的冲击倾向性；引入滑块(摩擦器)表示煤岩体沿断层失稳滑移的性质；损伤参量D和非线性损伤函数的引入更真实的反映煤岩变形破坏特征，对研究断层附近冲击地压的诱发机理及危险程度都起着极其重要的作用。解决了现有技术中缺少符合实际的冲击地压诱发的理论及数学模型的问题，实现对现场断层附近冲击地压的预测、预报及防治提供理论指导。附图说明图1为本专利技术实施例中所提供的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型结构示意图；图2为本专利技术实施例中所提供的一种Maxwell模型及其应力-时间的关系曲线图；图3为本专利技术实施例中所提供的一种Poyting-Thomson模型及其应力-时间的关系曲线图；图4为本专利技术实施例中所提供的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型建立方法流程图。具体实施方式为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利技术进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本专利技术的不同结构。为了简化本专利技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本专利技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本专利技术省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本专利技术。下面结合附图对本专利技术实施例所提供的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法进行详细说明。如图1所示，本专利技术实施例公开了一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，包括：Poyting-Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting-Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成；所述脆性单元代表煤岩体的冲击倾向性，弹性元件代表煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能，虎克体描述与时间有关的变形特性，摩擦器元件用来模拟模型的突然滑动。流变模型主要有经验模型和基本元件以及组合模型两种类型，由于元件模型可以抽象的反应岩石变形特性，并能够用数学表达式反应断层失稳滑动的时间效应，因此能够用来解释断层失稳滑动的变形特性。由冲击地压“三因素”理论可知，冲击地压诱发有内在因素、力源因素和煤岩系统自身因素，因此本专利技术实施例采用三种力学基本元件组合模型建立数学模型，并对断层附近冲击地压诱发进行描述，所述力学基本元件为虎克体、库伦体和牛顿体。所述数学模型包括Poyting-Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting-Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成。其中，脆性单元代表煤岩体的冲击倾向性，弹性元件代表煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能，虎克体描述与时间有关的变形特性，摩擦器元件用来模拟模型的突然滑动。另外，考虑到断层滑动岩石损伤情况，引入非线性损伤函数，采用损伤参量D描述煤岩体的损伤特征。由于Poyting-Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成，因此该模型形成两个分支，一个分支为Maxwell模型和脆性单元组成，另一分支为虎克体与脆性单元组成。不同分支的破坏特征将会对断层附近冲击地压的诱发产生不同的影响，因此需对不同分支特性进行分析。Maxwell模型是由弹性元件和粘壶串联而成，用于描述具有弹性特性和粘性特性介质的应力和应变关系，其应力时间关系曲线如图2所示。该模型中的两个基本元件两端所承受的外力是相同的，而模型总应变则为两元件应变之和：σE＝ση＝σ，ε＝εE+εη公式1Maxwell模型应满足的本构方程为：当应变保持不变时，有则对上式积分，并代入初始条件(t＝0，σ＝σ0)，得：其中，当时，σ＝0.368σ0；当t→∞时，σ→0。因此可知，Maxwe本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，包括：Poyting‑Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting‑Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成；所述脆性单元代表煤岩体的冲击倾向性，弹性元件代表煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能，虎克体描述与时间有关的变形特性，摩擦器元件用来模拟模型的突然滑动。

【技术特征摘要】
1.一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，包括：Poyting-Thomson模型、一个摩擦器元件、一个弹性元件和两个脆性单元，所述Poyting-Thomson模型由Maxwell模型和虎克体并联而成；所述脆性单元代表煤岩体的冲击倾向性，弹性元件代表煤岩体承受的高集中应力和积聚的大量弹性能，虎克体描述与时间有关的变形特性，摩擦器元件用来模拟模型的突然滑动。2.根据权利要求1所述的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，所述Maxwell模型是由弹性元件和粘壶串联而成，用于描述具有弹性特性和粘性特性介质的应力和应变关系。3.根据权利要求2所述的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，所述Maxwell模型应满足的本构方程为：4.根据权利要求1-3任意所述的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，所述Poyting-Thomson模型应满足的本构方程为：5.根据权利要求1-4任意所述的一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型，其特征在于，所述模型还包括损伤参量，用于描述煤岩体的损伤特征。6.一种断层附近煤岩失稳诱发...

【专利技术属性】
技术研发人员：王普，郑朋强，孔朋，张臣，马宁，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37