技术领域
[0001] 本发明涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种平切煤体破裂范围确定方法。
相关背景技术
[0002] 随着我国煤矿开采逐渐向深部延伸，地质条件趋于复杂。深部煤层高地应力、高地温和高瓦斯压力的特性导致其普遍具有微孔隙、低渗透和强吸附的特征，瓦斯抽采极为困难，严重制约了矿井灾害防治和瓦斯资源利用。通过外界扰动作用，人为诱导煤体裂隙萌生、扩展及贯通，创造瓦斯流动通道是增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效果的主要思路。水力割缝能够使煤层内应力场重新分布，煤层裂隙的数量、长度、张开度及连通面积得到增加，透气性得到明显改善。高压射流切缝造成的扰动与煤体损伤破裂密切相关。然而，射流扰动和缝槽流变影响因素众多，其中主控因素难以确定，导致不同影响因素作用下平切煤体破裂范围尚不清晰。
[0003] 因此，亟需开发一种平切煤体破裂范围确定方法。
具体实施方式
[0050] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0051] 实施例1：
[0052] 本实施例针对平切扰动下缝槽破坏临界条件难以确定的难题。参见图1，为确定射流扰动下及煤体切缝后的主控因素，进而获得不同影响因素作用下煤体破裂范围，本实施例提供一种平切煤体破裂范围确定方法，包括以下步骤，其中，步骤1)和步骤2)同时进行或不分先后顺序：
[0053] 1)构建平切煤体破坏影响因素集合R。通过对高压射流切割煤体的文献调研和现场资料分析，构建平切煤体破坏影响因素集合。所述影响因素集合包括射流扰动影响因素和缝槽流变影响因素。所述射流扰动阶段的影响因素包括冲击压力、冲击时间和冲击流量。所述缝槽流变阶段的影响因素包括缝槽宽度、缝槽间距、煤体强度和煤体含水率。
[0054] 2)提取平切扰动煤体破坏表征参数。使用动力学软件对高压射流切割煤体进行数值模拟，改变射流扰动影响因素和缝槽流变影响因素，基于数值模拟结果变化提取平切扰动煤体破坏表征参数。所述表征参数包括射流扰动阶段破坏表征参数和缝槽流变阶段破坏表征参数。所述射流扰动阶段破坏表征参数包括峰值应力和塑性能占比。所述缝槽流变阶段破坏表征参数包括累计应变和流变速率。
[0055] 3)开展高压射流切割煤样力学实验，随机抽取并改变部分影响因素，根据特征参数变化验证数值模拟结果的步骤。
[0056] 4)使用基于聚类的特征选择方法确定平切扰动下缝槽破坏主控因素。步骤4)具体包括以下子步骤：
[0057] 4.1)使用聚类算法将集合R中的因素进行聚类，获得聚类结果Ri＝{R1，R2，…，Rk}。其中，聚类条件为每个集合Ri的改变均能够使煤体破坏表征参数发生对应的改变。
[0058] 4.2)计算每个集合Ri到其他任意一个集合Ri′的区分度ri。
[0059] 计算公式如式(1)所示。
[0060]
[0061] 式中，|ri|为集合Ri的大小， 为集合R1和R2在特征参数上的差异。
[0062] 4.3)根据所有区分度计算每个集合Ri的总区分度平均值Meani，及针对每个表征参数的平均区分度最大值Maxi和平均区分度最小值Mini。
[0063] 4.4)计算区分度参数fi。计算公式如式(2)所示。
[0064]
[0065] 4.5)对集合Ri按照区分度参数fi降序排列，得到 在的折线图中找到急剧变化的点或拐点i0， 即为从影响因素集
合R中选择的破坏主控因素。
[0066] 5)获取现场矿井煤层基本物理力学参数，构建相似模拟物理模型。
[0067] 6)开展高压射流平切煤体相似实验，在相似模型中布置应变检测仪，实时得到煤体应力。根据切缝过程中射流压力的变化情况，构建射流扰动阶段煤体应力分布本构模型。在引入应变率和损伤因子基础上，将材料的等效应力通过式(3)进行量化表征：
[0068]
[0069] 当煤体的损伤因子D＝1时煤体完全失效，等效应力如式(4)所示：
[0070]
[0071] 式中，σI为煤体的实际破裂强度， HEL为Hugoniot弹性极限。P*为规范*
化静水压力，P＝Pa/PHEL，Pa为实际压力。PHEL为煤体处于Hugoniot弹性极限时的压力。 为煤体实际等效应变率， 为10s‑1参考应变率。Kn为第n个主控因素影响下的损伤变量，εn为第n个主控因素影响下的应变，ε0为无损状态下的应变。A，N和C为煤体常
数。B和M为煤体残余强度常数。
[0072] 7)根据切缝后缝槽间距和缝槽宽度的变化情况，确定含缝槽煤体变形长期演化规律，构建缝槽流变阶段煤体应力分布模型。参见图2，基于改进后的西原模型构建缝槽流变阶段煤体应力分布模型。缝槽流变阶段煤体应力分布模型由一个胡克体、一个开尔文体和一个理想粘塑性体串联而成。所述模型反映煤体减速流变阶段、稳定流变阶段及加速流变阶段的力学特征。E1、E2为试样的弹性模量，η1、η2、η3为粘滞系数，σs、σf分别为试样的恒载强度和破坏强度，Ⅰ为描述煤岩材料加载时变形过程，Ⅱ为描述煤岩材料进入减速流变阶段的过程，Ⅲ为描述煤岩材料进入稳定流变阶段的过程，Ⅳ为描述煤岩材料进入加速流变阶段的过程。考虑缝槽周围煤体损伤改进的西原模型的一维流变方程表达式如式(5)所示：
[0073] 当σ<σs时，流变方程表达为：
[0074]
[0075] 当σf＞σ≥σs时，流变方程表达如式(6)所示：
[0076]
[0077] 当σ≥σf时，流变方程表达如式(7)所示：
[0078]
[0079] 其中，H为考虑主控因素影响下的损伤变量如式(8)所示：
[0080]
[0081] 式中，Hn为考虑第n个主控因素影响下的损伤变量，En为考虑第n个主控因素影响下的弹性模量。E0为无损状态下的弹性模量。
[0082] 8)根据射流扰动阶段中煤体参数，包括弹性模量、粘聚力、内摩擦角，构建煤体损伤本构模型，得到切缝过程中的煤体破坏临界应力σ1，描述煤体在水射流冲击下的破坏行为。
[0083] 9)根据缝槽流变阶段中煤体参数，包括累积应变及流变速率，构建损伤煤体流变模型，得到切缝后的煤体破坏临界应力σ2，描述煤体在流变效应下的破坏行为。
[0084] 10)将步骤8)和步骤9)中得到的煤体应力，根据缝槽破坏临界条件，与煤体破坏临界应力进行对比，判断煤体是否发生破坏。其中，若射流扰动阶段煤体应力大于σ1，则煤体在切缝过程中发生了破坏。若缝槽流变阶段煤体应力大于σ2，则煤体在切缝后发生了破坏。
[0085] 本实施例分别从射流扰动阶段和缝槽流变阶段两个方面考虑平切扰动下缝槽破坏过程，能够更加精准的确定影响因素、表征参数及临界破坏应力，研究思路上具有创新性。本实施例使用基于聚类的特征选择方法确定平切扰动下缝槽破坏主控因素，并基于主控因素对射流扰动阶段和缝槽流变阶段的煤体应力分布本构模型进行了优化，研究方法上具有创新性。
[0086] 实施例2：
[0087] 本实施例提供一种平切煤体破裂范围确定方法，包括以下步骤，其中，步骤1)和步骤2)同时进行或不分先后顺序：
[0088] 1)构建平切煤体破坏影响因素集合R。
[0089] 2)提取平切扰动煤体破坏表征参数。
[0090] 3)使用基于聚类的特征选择方法确定平切扰动下缝槽破坏主控因素。
[0091] 4)获取现场矿井煤层基本物理力学参数，构建相似模拟物理模型。
[0092] 5)开展高压射流平切煤体相似实验，在相似模型中布置应变检测仪，实时得到煤体应力。根据切缝过程中射流压力的变化情况，构建射流扰动阶段煤体应力分布本构模型。
[0093] 6)根据切缝后缝槽间距和缝槽宽度的变化情况，确定含缝槽煤体变形长期演化规律，构建缝槽流变阶段煤体应力分布模型。
[0094] 7)根据射流扰动阶段中煤体参数，包括弹性模量、粘聚力、内摩擦角，构建煤体损伤本构模型，得到切缝过程中的煤体破坏临界应力σ1，描述煤体在水射流冲击下的破坏行为。
[0095] 8)根据缝槽流变阶段中煤体参数，包括累积应变及流变速率，构建损伤煤体流变模型，得到切缝后的煤体破坏临界应力σ2，描述煤体在流变效应下的破坏行为。
[0096] 9)将步骤7)和步骤8)中得到的煤体应力，根据缝槽破坏临界条件，与煤体破坏临界应力进行对比，判断煤体是否发生破坏。其中，若射流扰动阶段煤体应力大于σ1，则煤体在切缝过程中发生了破坏。若缝槽流变阶段煤体应力大于σ2，则煤体在切缝后发生了破坏。
[0097] 实施例3：
[0098] 本实施例主要内容同实施例2，其中，步骤1)中，通过对高压射流切割煤体的文献调研和现场资料分析，构建平切煤体破坏影响因素集合。所述影响因素集合包括射流扰动影响因素和缝槽流变影响因素。所述射流扰动阶段的影响因素包括冲击压力、冲击时间和冲击流量。所述缝槽流变阶段的影响因素包括缝槽宽度、缝槽间距、煤体强度和煤体含水率。
[0099] 实施例4：
[0100] 本实施例主要内容同实施例2或3，其中，使用动力学软件对高压射流切割煤体进行数值模拟，改变射流扰动影响因素和缝槽流变影响因素，基于数值模拟结果变化提取平切扰动煤体破坏表征参数。所述表征参数包括射流扰动阶段破坏表征参数和缝槽流变阶段破坏表征参数。所述射流扰动阶段破坏表征参数包括峰值应力和塑性能占比。所述缝槽流变阶段破坏表征参数包括累计应变和流变速率。
[0101] 实施例5：
[0102] 本实施例主要内容同实施例2～4中任意一项，其中，步骤2)之后，还具有开展高压射流切割煤样力学实验，随机抽取并改变部分影响因素，根据特征参数变化验证数值模拟结果的步骤。
[0103] 实施例6：
[0104] 本实施例主要内容同实施例2～5中任意一项，其中，步骤3)具体包括以下子步骤：
[0105] 3.1)使用聚类算法将集合R中的因素进行聚类，获得聚类结果Ri’＝{R1，R2，…，Rk}。其中，聚类条件为每个集合Ri’的改变均能够使煤体破坏表征参数发生对应的改变。
[0106] 3.2)计算每个集合Ri’到其他任意一个集合Ri’的区分度ri。
[0107] 计算公式如式(1)所示。
[0108]
[0109] 式中，|ri|为集合Ri’的大小， 为集合R1和R2在特征参数上的差异。
[0110] 3.3)根据所有区分度计算每个集合Ri’的总区分度平均值Meani，及针对每个表征参数的平均区分度最大值Maxi和平均区分度最小值Mini。
[0111] 3.4)计算区分度参数fi。计算公式如式(2)所示。
[0112]
[0113] 3.5)对集合Ri’按照区分度参数fi降序排列，得到 在的折线图中找到急剧变化的点或拐点i0， 即为从影响因素集
合R中选择的破坏主控因素。
[0114] 实施例7：
[0115] 本实施例主要内容同实施例2～6中任意一项，其中，步骤5)中，在引入应变率和损伤因子基础上，将材料的等效应力通过式(3)进行量化表征：
[0116]
[0117] 当煤体的损伤因子D＝1时煤体完全失效，等效应力如式(4)所示：
[0118]
[0119] 式中，σI为煤体的实际破裂强度， HEL为Hugoniot弹性极限。P*为规范*
化静水压力，P ＝Pa/PHEL，Pa为实际压力。PHEL为煤体处于Hugoniot弹性极限时的压力。为煤体实际等效应变率， 为10s‑1参考应变率。Kn为第n个主控因素影响下的损伤变量，εn为第n个主控因素影响下的应变，ε0为无损状态下的应变。A，N和C为煤体常
数。B和M为煤体残余强度常数。
[0120] 实施例8：
[0121] 本实施例主要内容同实施例2～7中任意一项，其中，步骤6)中，基于改进后的西原模型构建缝槽流变阶段煤体应力分布模型。缝槽流变阶段煤体应力分布模型由一个胡克体、一个开尔文体和一个理想粘塑性体串联而成。考虑缝槽周围煤体损伤改进的西原模型的一维流变方程表达式如式(5)所示：
[0122] 当σ<σs时，流变方程表达为：
[0123]
[0124] 当σf＞σ≥σs时，流变方程表达如式(6)所示：
[0125]
[0126] 当σ≥σf时，流变方程表达如式(7)所示：
[0127]
[0128] 其中，H为考虑主控因素影响下的损伤变量如式(8)所示：
[0129]
[0130] 式中，Hn为考虑第n个主控因素影响下的损伤变量，En为考虑第n个主控因素影响下的弹性模量。E0为无损状态下的弹性模量。
