[发明专利]一种易泥化矿岩失稳突变的预警方法

说明书

一种易泥化矿岩失稳突变的预警方法，包括制作矿岩试件，对矿岩试件分别进行单轴压缩条件下的声发射试验，并获得各矿岩试件的位移、载荷和声发射参数数值；计算并分析易泥化矿岩弹性应变能曲线演化的突变特征；构建弹性应变能应变序列的易泥化矿岩失稳突变预警模型，联立分歧集方程Δ0时表明易泥化矿岩处于稳定状态，Δ0时易泥化矿岩处于非稳定状态，Δ＝0时易泥化矿岩处于临界状态。本发明的方法能全面、快速、准确地预测易泥化矿岩的失稳突变破坏，为矿山开采的矿岩失稳突变预警防治提供科学参考依据。

技术领域

本发明涉及矿山采空区围岩破坏的预警，具体涉及一种易泥化矿岩失稳突变的预警方法。

背景技术

随着地表浅部矿产资源的日益匮乏，矿山开采逐步向深部开采。然而，深部开采所面临的复杂地质条件，如高地热、高地压、环境潮湿和含水量大等使部分深部井下矿岩出现吸水后易泥化、力学性能劣化和软化突变破坏的现象，导致采空区围岩变形和破坏，危害矿山开采的人员生命和财产安全。目前易泥化矿岩失稳时的预警方法主要分三类：宏观破坏特征、变形力学机制和数值模拟分析，其中依靠宏观破坏特征预警主要为易泥化矿岩巷道的顶板下沉、底板上鼓和两边严重变形，这种方法适用于一定深度的井下巷道，而对于非巷道的情况则并不适用。变形力学机制预警主要是通过室内试验岩样的物理力学参数突变处定义预警点进行预警，例如弹性模量、应力、应变、泊松比和变形模量等，其缺点是具有较大的个体差异性。数值模拟分析在岩石材料的预警中使用广泛，主要是针对岩样受载时的应力场、位移场和塑性区分布进行模拟分析，从而确定其预警特征，但很难模拟复杂的真实地质情况，具有一定的片面性。

矿山开采过程中矿岩破坏前兆特征的确定对于矿岩的失稳突变预警防治非常重要，同时矿岩的损伤演化、应变变化和失稳破坏必然伴随着能量变化，而且能量变化贯穿矿岩破坏的全过程，是其内部损伤的量化表现。因此，单从能量角度分析矿岩的突变破坏特征具有一定的片面性；矿岩内部的不均质性和不连续性导致其损伤和破坏呈多角度、随机的变化特征，突变理论因能较好地描述物体变化的突变性和不连续性。但是将突变理论与能量结合用于监测易泥化矿岩失稳突变破坏的预警方法目前鲜有报道。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种通过建立易泥化矿岩内部能量与应变、尖点突变模型的耦合关系，能够全面、快速、准确地预测易泥化矿岩的失稳突变破坏，为矿山开采的易泥化矿岩失稳突变预警防治提供科学参考依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种易泥化矿岩失稳突变的预警方法，包括以下步骤：

步骤一、制作矿岩试件，所述矿岩试件包括易泥化矿岩试件和未明显泥化矿岩试件；

步骤二、对步骤一所述的矿岩试件分别进行单轴压缩条件下的声发射试验，并获得各矿岩试件的位移、载荷和声发射参数数值；

步骤三、计算并分析易泥化矿岩弹性应变能曲线演化的突变特征；

步骤四、构建弹性应变能应变序列的易泥化矿岩失稳突变预警模型，具体过程如下：

外力对岩石做的总功可以通过微积分计算应力-应变曲线与应变轴围成的面积得到，输入的岩石内部的总能量包括弹性应变能和耗散能：

U＝U_e+U_d (1)

式中，U为压力机输入岩石内部的总能量，单位为J；U_e为试样内部的弹性应变能，单位为J；U_d为累积耗散能，单位为J；分别根据下式计算得出：

总能量：

式中：σ_i为第i时刻试样承受的应力，单位为MPa，ε_i为第i时刻试样产生的应变；