【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤矿动力灾害防治，尤其涉及一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法。
技术介绍
1、近年来，随着煤炭开采强度的逐渐增大，由矿井厚层坚硬顶板破断诱发的冲击地压、矿震等动力灾害愈发突显。顶板爆破预裂、顶板水压致裂已成为矿井防治顶板破断型动力灾害的主要防治手段。现有的防治方法均是对目标顶板进行集中预裂，不同层位、岩性及厚度的顶板采用相同的预裂方式，对于目标预裂顶板以及目标预裂顶板的预裂程度该如何进行区分选择，至今没有明确的方法。由于顶板断裂释能程度及致灾类型的不同，对不同层位、岩性及厚度的顶板采用相同的预裂方式或预裂参数有可能导致人力物力资源的极大浪费。
2、顶板破断主要诱发的动力灾害包括冲击地压和矿震两种类型。冲击地压与矿震发生的动力显现和致灾程度具有明显差距。一般情况下，冲击地压发生的动力显现和致灾程度远大于矿震。因此，依据顶板破断释能诱发的灾害类型，划分不同的覆岩关键层类型，对矿井顶板动力灾害的定量分级防治具有重要意义。因此，为节约矿井生产成本，指导矿井覆岩关键层合理分类防治，专利技术了基于煤矿覆岩破断诱灾类型的关键层分类方法。
3、基于此，本专利技术设计了一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：为了解决由于顶板断裂释能程度及致灾类型的不同，对不同层位、岩性及厚度的顶板采用相同的预裂方式或预裂参数有可能导致人力物力资源的极大浪费的问题，而提出的一种基于煤矿覆岩破断释能致
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，包括以下步骤：
4、步骤一.覆岩关键层及其破断步距计算；
5、步骤二.覆岩关键层破断释能计算，建立覆岩破断释能理论模型，计算各关键层破断释能大小；
6、步骤三.煤矿地层波速场建立及衰减方程的获得，依据矿井工程地质资料，建立地层波速场模型；
7、步骤四.关键层类型判别。
8、作为上述技术方案的进一步描述：
9、所述步骤一中，依据矿井煤岩赋存特征，获取岩层厚度、容重、弹性模量和抗拉强度等物理参数，确定工作面覆岩各关键层，计算各关键层破断步距，整理归纳工作面长度及各关键层的岩性和厚度参数。
10、作为上述技术方案的进一步描述：
11、所述步骤二中覆岩破断能量计算步骤如下：
12、①顶板积聚能量计算：
13、煤层开采后，顶板逐渐失去下方煤层的支撑作用悬露出来，地层中的应力重新调整，顶板在上覆岩层加载的作用下发生变形，当其内部的应力超过抗拉强度时将发生断裂失稳；将顶板顶板简化为一根横力弯曲顶板；则弯曲应变能的计算公式如下式所示：
14、
15、式中：me为上覆岩层施加的等效弯曲力偶，n·m；θ为顶板的最大回转角，°；s为顶板的跨距，m；e为顶板的弹性模量，gpa；
16、当顶板悬露到一定面积时，顶板两端首先发生破断，由固支梁边界条件转化简支梁边界条件，随后顶板中间发生破断；由顶板在两种模型下的弯矩分布特征可知，固支梁两端弯矩为ql2/12，简支梁跨中弯矩为ql2/8，即，简支梁中间断裂释能最大；因此，假设覆岩与受载顶板间的不发生相对运动，将受载顶板简化为中间受集中力的两端简支梁；该受力状态下，顶板发生破断前储存的弯曲应变能根据下式计算：
17、
18、式中：f为顶板上部所受集中荷载，n；
19、顶板受到覆岩荷载后发生弯曲变形，当梁内部的最大拉应力达到了岩层的抗拉强度后顶板发生初次断裂；顶板内部的最大拉应力为：
20、
21、式中：b为顶板的宽度，m；t为顶板的平均厚度，m；
22、顶板破坏时的峰值荷载为：
23、
24、式中：σb为岩石的抗拉强度，mpa；
25、将式(4)代入式(2)，顶板储存的最大弯曲应变能为：
26、
27、根据式(3)，顶板断裂前储存的弯曲应变能由地层岩性(σb，e)和顶板尺寸(b，t，s)共同决定；为了方便的表征顶板参数对自身储能特征的影响，定义顶板的岩性指标mb和尺寸指标gb为：
28、
29、gb＝b·t·s(7)
30、则公式(5)可简化为：
31、
32、式中：uεmax为试件断裂前储存的最大弯曲应变能，j；
33、②顶板破断释放能量计算：
34、建立pfc2d三点弯曲梁的数值模型；进行三点弯曲试验，根据试验结果，标定数值模拟中的材料参数，将模型加载至完全断裂；将岩石岩性和尺寸指标与顶板试样破断能量释放系数进行拟合，得到顶板试样破断能量释放系数w；
35、进一步获得顶板破断释放的能量ur：
36、ur＝w·ue(9)
37、将步骤一中确定的各关键层的尺寸指标和岩性指标参数代入式(9)，得到各关键层破断释放能量。
38、作为上述技术方案的进一步描述：
39、所述步骤三具体包括：首先，在工程地质图上划定需要模拟的区域，收集该区域的煤岩层参数，包括岩层厚度、岩石密度、岩石弹性模量及岩石泊松比，并按照1:1的比例建立地层波速场模型；模型边界为全透射无反射边界，离散网格间距是纵向dz＝2m、横向dx＝2m；根据稳定性条件，取时间离散采样间隔为dt＝0.2ms；模型范围划定后，将地层参数换算为纵横波速度以震源位置的激发位移作为加载输入量；
40、模拟各关键层破断能量传播衰减过程，在震源位置至工作面煤壁直线方向上均匀布置测点，测点间距大于2m，用于监测测点位置的能量衰减系数；以震源位置为原点绘制衰减系数-传递距离曲线，建立关键层破断能量衰减系数与传递距离之间定量关系，获得岩层传递的能量衰减系数曲线；
41、采用渐进型指数拟合方法对关键层能量衰减规律进行拟合，得到地层能量衰减理论计算模型，数学形式见下式：
42、γe＝b·e-x/c+a(10)
43、式中：x为震动波传播的距离，m；
44、将各关键层与各煤层的距离代入公式(12)，计算各煤层位置处的各关键层破断能量衰减系数，然后将各关键层破断能量代入下式：
45、ui＝ei·γe(11)。
46、作为上述技术方案的进一步描述：
47、所述步骤四，冲击地压发生时通常伴随着矿震，但矿震发生时并不一定诱发冲击地压；因此，将破断能量达到诱发冲击地压能量条件的关键层划分为主要诱发矿震的关键层；将破断能量大，未达到诱发冲击地压能量条件的关键层划分为主要诱发冲击地压的关键层；具体划分方法如下：
48、①冲击地压发生能量条件；当工作面煤壁前方煤体积聚的能量和顶板破断衰减至工作面的能量大于工作面煤壁前方煤体破坏耗散的能量时，冲本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤一中，依据矿井煤岩赋存特征，获取岩层厚度、容重、弹性模量和抗拉强度物理参数，确定工作面覆岩各关键层，计算各关键层破断步距，整理归纳工作面长度及各关键层的岩性和厚度参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤二中覆岩破断能量计算步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：首先，在工程地质图上划定需要模拟的区域，收集该区域的煤岩层参数，包括岩层厚度、岩石密度、岩石弹性模量及岩石泊松比，并按照1:1的比例建立地层波速场模型；模型边界为全透射无反射边界，离散网格间距是纵向dz＝2m、横向dx＝2m；根据稳定性条件，取时间离散采样间隔为dt＝0.2ms；模型范围划定后，将地层参数换算为纵横波速度以震源位置的激发位移作为加载输入量；
5.根据
6.根据权利要求3所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述计算顶板储能时，顶板跨距取值为顶板破断步距、顶板的宽度取值为工作面倾向长度、顶板的平均厚度取值为钻孔柱状图中对应岩层平均厚度；
7.根据权利要求6所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述数值模型中的弹性模量、抗拉强度和抗压强度与对应岩性岩石在室内试验中一致。
8.根据权利要求7所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述室内试验所采用的岩样由现场获得。
9.根据权利要求4所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述煤矿地层波速场模型中煤岩层参数，包括岩层厚度、岩石密度、岩石弹性模量及岩石泊松比由现场获得。
10.根据权利要求9所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述煤矿地层波速场模型按照1:1的比例建立，离散网格间距是纵向dz＝2m、横向dx＝2m，取时间离散采样间隔为dt＝0.2ms。
...【技术特征摘要】
1.一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤一中，依据矿井煤岩赋存特征，获取岩层厚度、容重、弹性模量和抗拉强度物理参数，确定工作面覆岩各关键层，计算各关键层破断步距，整理归纳工作面长度及各关键层的岩性和厚度参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤二中覆岩破断能量计算步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：首先，在工程地质图上划定需要模拟的区域，收集该区域的煤岩层参数，包括岩层厚度、岩石密度、岩石弹性模量及岩石泊松比，并按照1:1的比例建立地层波速场模型；模型边界为全透射无反射边界，离散网格间距是纵向dz＝2m、横向dx＝2m；根据稳定性条件，取时间离散采样间隔为dt＝0.2ms；模型范围划定后，将地层参数换算为纵横波速度以震源位置的激发位移作为加载输入量；
5.根据权利要求1所述的一种基于煤矿覆岩破断释能致灾类型的关键层分类方法，其特征在于，所述步骤四，冲击地压发生时通常伴随着矿震，但矿震发生时并不一定诱发冲击地压...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟耀，谭彦，李博，陈玏昕，谭云亮，张磊，赵勇强，朱淳，王长盛，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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