【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于煤礦安全生產，尤其涉及一種預測煤層頂板斷裂能量釋放方法及系統。
技術介紹
1、煤層開采后，由于強度高、整體性強、厚且堅硬的頂板難以及時垮落，采空區頂板失去煤層的支撐從而造成大面積懸露，地層中應力分布重新調整，導致應力集中和應變能積聚，懸露頂板在上覆巖層的加載作用下將發生變形，當頂板內部應力超過其抗拉強度時發生斷裂失穩。
2、頂板斷裂是一種在能量作用下發生的狀態失穩現象。所以，通過對堅硬頂板的能量狀況進行監測，可以判斷其斷裂風險，進而判斷其是否會發生沖擊地壓。現有用于頂板斷裂型沖擊地壓的監測預警方法主要包括應力監測法、微震監測法、電磁輻射監測法、鉆屑監測法等，但是，目前的監測預警方法還不能對頂板的能量狀態進行直接、精確的監測，導致對頂板斷裂預警的準確性較低。
3、專利技術專利（公開號cn116792153a，公開日20230922)公開了一種頂板斷裂預警方法，此方法提出了基于應變監測的頂板斷裂監測方法，通過直接監測頂板變形情況來彌補現有監測方法滯后性、間接性的不足，監測堅硬頂板在不同類型載荷下的變形情況，實現對頂板斷裂的準確監測和預警。
4、現有方法對從能量角度研究預測頂板斷裂型沖擊地壓和對巖梁斷裂釋能的研究較少，因此，亟需開發一種預測煤層頂板斷裂能量釋放方法。
技術實現思路
1、為克服相關技術中存在的問題，本專利技術公開實施例提供了一種預測煤層頂板斷裂能量釋放方法及系統。
2、所述技術方案如下：預測煤層頂板斷裂能量釋放方
3、s1、在斷裂失穩過程中，頂板內部儲存彎曲應變能，根據理論方法求得解析解，計算巖梁儲存的最大彎曲應變能；
4、s2、定義試件破壞過程中的聲發射能量集中系數，計算不同巖性及尺寸指標巖梁的能量集中系數，得到巖梁斷裂能量釋放特征；
5、s3、利用巖梁的能量釋放系數，以及巖梁的相對能量釋放系數，得到巖梁的能量釋放能力與巖性指標、尺寸指標的關系；
6、s4、借助數值模擬研究巖梁尺寸指標和巖性指標對能量釋放系數的影響，擬合得到巖性指標和能量釋放系數的函數關系；
7、s5、利用數值模擬方法驗證巖梁斷裂釋能預測方法的表達式的準確性及適用性，獲取理論計算與數值模擬結果吻合的結果。
8、在步驟s1中，計算巖梁儲存的最大彎曲應變能，包括：
9、s101：在忽略加載點與頂板巖石接觸面摩擦的情況下，對巖梁中存儲的最大彎曲應變能進行求解，將頂板巖梁等效為橫力彎曲巖梁，并進行彎曲變形能分析計算；彎曲應變能表達式為：
10、；
11、式中，為彎曲應變能，為上覆巖層施加的等效彎曲力偶，為巖梁的最大回轉角，為巖梁的跨距，為巖梁的彈性模量，為巖梁的慣性矩；
12、將受載巖梁簡化為上表面中點受集中力的巖梁，根據公式（1），巖梁在斷裂之前所存儲的彎曲應變能的表達式為：
13、；
14、式中，為巖梁上部所受集中荷載，為軸上到原點的距離，為軸上取一微段的長度，為巖梁長度；
15、s102：頂板巖梁內部的最大拉應力產生在巖梁下表面的中點處；在此截面上的拉應力表達式為：
16、；
17、式中，為該截面上的拉應力，為橫截面的彎距，為橫截面上的點到中性軸的距離，為橫截面對中性軸的慣性矩，為巖梁的寬度，為巖梁的平均厚度；
18、s103：巖梁破壞時的峰值荷載表達式為：
19、；
20、式中，為巖梁破壞時的峰值荷載，為巖石的抗拉強度；
21、s104：將式（4）代入式（2），巖梁儲存的最大彎曲應變能表達式為：
22、；
23、式中，為巖梁儲存的最大彎曲應變能；
24、其中，巖梁的厚度取最大值。
25、在步驟s2中，得到巖梁斷裂能量釋放特征，包括：
26、s201：通過定義試件破壞過程中的聲發射能量集中系數表征巖梁破壞時能量釋放的劇烈程度，試件破壞過程中的聲發射能量集中系數表達式為：
27、；
28、式中，為聲發射能量集中系數，為試件單位時間內釋放聲發射能量的峰值，為試件釋放的聲發射總能量；
29、定義巖梁的巖性指標和尺寸指標表征巖梁參數對自身儲能特征的影響，巖梁的巖性指標和尺寸指標公式分別為：
30、；
31、；
32、式中，為巖性指標，為尺寸指標；
33、s202：計算不同巖性及尺寸指標巖梁的能量集中系數，得到巖性指標、尺寸指標與能量集中系數的關系；巖性指標和尺寸指標的增大使巖梁斷裂時釋放更多的能量，總結巖梁斷裂能量釋放特征。
34、在步驟s3中，得到巖梁的能量釋放能力與巖性指標、尺寸指標的關系，包括：
35、s301：利用巖梁的能量釋放系數表征巖梁釋放能量的能力，巖梁的能量釋放系數表達式為：
36、；
37、式中，為巖梁的能量釋放系數，為試件釋能總量，為試件斷裂前儲存的最大彎曲應變能；
38、s302：定義巖梁的相對能量釋放系數，表達式為：
39、；
40、式中，為巖梁的相對能量釋放系數，為巖梁的能量釋放系數；為厚度為60mm的花崗巖試件的能量釋放系數；
41、s303：根據不同條件下巖梁的相對能量釋放系數，得出巖梁能量釋放能力與巖性指標及尺寸指標的關系。
42、在步驟s4中，擬合得到巖性指標和能量釋放系數的函數關系，包括：
43、s401：通過數值模擬的方法進行定量研究巖性指標對釋能能力的影響，建立pfc2d三點彎曲梁的數值模型，接觸模型為平行粘結模型；
44、s402：以紅砂巖為數值模擬中的基礎材料，以三點彎曲試驗數據為基礎，對有限元分析中所用材料參數進行標定；
45、s403：根據模擬結果和公式（7）計算能量釋放系數，研究巖梁尺寸指標與能量釋放系數的關系；
46、s404：數據擬合后，獲取巖性指標與能量釋放系數的二次函數關系，二次函數關系表達式為：
47、。
48、在步驟s401中，pfc2d三點彎曲梁的數值模型尺寸為200mm×40mm，下部加載點之間的跨距為150mm，共生成15117個顆粒。
49、在步驟s5中，巖梁斷裂釋能預測方法，包括：
50、s501：根據公式（7），巖梁破斷釋放的能量計算公式為：
51、；
52、s502：根據公式（9）、公式（10），得到巖梁斷裂釋能預測方法的表達式：
53、；
54、s503：為了驗證公式（11）的準確性及適用性，建立12組工程尺度的巖梁破斷pfc2d三點彎曲梁的數值模型。
55、本專利技術的另一目的在于提供一種預測煤層頂板斷裂能量釋放系統，該系統實施所述預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，該系統包括：...
【技術保護點】
1.一種預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，該方法包括：
2.根據權利要求1所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S1中，計算巖梁儲存的最大彎曲應變能，包括：
3.根據權利要求2所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S2中，得到巖梁斷裂能量釋放特征，包括：
4.根據權利要求1所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S3中，得到巖梁的能量釋放能力與巖性指標、尺寸指標的關系，包括：
5.根據權利要求4所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S4中，擬合得到巖性指標和能量釋放系數的函數關系，包括：
6.根據權利要求5所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S401中，PFC2D三點彎曲梁的數值模型尺寸為200mm×40mm，下部加載點之間的跨距為150mm，共生成15117個顆粒。
7.根據權利要求4所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟S5中，巖梁斷裂釋能預測方法，包括：
8.一種預測煤層頂板斷裂能量釋放系
9.根據權利要求8所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放系統，其特征在于，所述預測煤層頂板斷裂能量釋放系統搭載在計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時可實現上述所述預測煤層頂板斷裂能量釋放系統中的功能。
10.根據權利要求8所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放系統，其特征在于，所述預測煤層頂板斷裂能量釋放系統搭載在信息數據處理終端，所述信息數據處理終端用于實現于電子裝置上執行時，提供用戶輸入接口以實施如上述所述預測煤層頂板斷裂能量釋放系統中的功能。
...【技術特征摘要】
1.一種預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，該方法包括：
2.根據權利要求1所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟s1中，計算巖梁儲存的最大彎曲應變能，包括：
3.根據權利要求2所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟s2中，得到巖梁斷裂能量釋放特征，包括：
4.根據權利要求1所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟s3中，得到巖梁的能量釋放能力與巖性指標、尺寸指標的關系，包括：
5.根據權利要求4所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟s4中，擬合得到巖性指標和能量釋放系數的函數關系，包括：
6.根據權利要求5所述的預測煤層頂板斷裂能量釋放方法，其特征在于，在步驟s401中，pfc2d三點彎曲梁的數值模型尺寸為200mm×40mm，下部加載點之間的跨距為150mm，共...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張鵬飛，朱志倩，趙同彬，王志奇，郭偉耀，郭磊，谷雪斌，
申請(專利權)人：山東科技大學，
類型：發明
國別省市：
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