【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及礦山開采安全，尤其涉及一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法。
技術介紹
1、金屬礦地下開采，采場頂板巖體物理力學特性與巖石自身成分差異和巖體結構密切相關，很大程度上，巖體結構對采場頂板穩定性起至關重要的作用，巖層中存在著許多大小、方向不一的斷層、節理、裂隙等弱面，這些弱面的存在造成巖體質量的極度不均，使得巖體各部分的力學參數不盡相同。此外，在復雜的巖石力學環境下，持續的采場開挖會不斷改變采場頂板及圍巖的受力條件與狀態，原先分布平衡的應力場重新改變，產生新的二次應力場，其中，在頂板中心位置受到拉應力最大，其大小超過巖體的破壞強度，將出現拉伸破壞；在頂板和側幫的隅角位置，巖石受到的剪應力最大，其大小超過剪切強度時，巖石將發生剪切破壞。由于采場頂板受到上覆巖層重力、巖石蠕變特征等因素的影響，采場頂板暴露面積太大或時間過長、頂板支護強度不夠或支護不夠及時、采場結構參數設計不夠合理等都容易發生冒頂事故，據有關資料統計，金屬礦山發生的頂板事故占井下各類事故的46.5%，位居傷亡事故之首。礦山開采始終應該把安全問題放在第一位，當前的采場頂板穩定性評價方法與監測預警手段對采場爆率面積進行了較為系統的研究。如果在頂板管理過程中，給出一個很長的時間暴露度，如果在此期間，不能對頂板進行科學管理將會增加頂板風險，造成礦山安全事故。為此，金屬礦山頂板暴露時間的準確預測對于指導礦山爆破落礦、回采出礦、充填銜接等安全開采具有重要意義。
2、目前有關采場暴露時間的研究，多采用數值模擬、儀器監測及經驗公式法，此類方法研究
3、目前，關于金屬礦采場頂板圍巖冒落的發生機理有較多研究，雖在一定程度上解釋了采場頂板冒落現象，反映了頂板發生冒落與應力分布情況和巖體結構特征有關，為此頂板穩定性研究中巖體結構要素至關重要，不容忽略。在采場頂板穩定性評價方面，主要包括現場監測法、理論計算與數值模擬方法以及多元統計方法，采用諸多方法在進行穩定性評價時，對影響采場穩定的暴露面積和極限跨度進行了計算，然而并未考慮時間因素對頂板穩定性的影響，即頂板暴露時間。國外學者通過統計概率的方法對頂板暴露時間進行了分析，通過引入時間因子對mathews穩定圖中的穩定數進行了修正，給出頂板暴露的建議值，暴露時間跨度以月為單位，分為大于12個月，5至12個月，3至5個月，小于3個月四種，這種做法人為地在一定程度上對頂板穩定狀態進行了放大，并不能反映頂板的真實受力狀態，安全隱患大。且穩定性等概率線的mathews穩定圖沒有考慮巖體結構性蠕變對于頂板穩定狀態的影響。由于采場頂板受到上覆巖層重力、巖石蠕變以及開采擾動特征等因素的影響，開展頂板時效穩定性評價與暴露時間預測迫在眉睫。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，解決上述技術問題。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，具體步驟如下：
3、步驟s1：對頂板巖體進行巖體結構測量，獲取頂板巖體的巖體完整性系數；
4、步驟s2：現場鉆取不同埋深頂板巖體的測試巖樣，對測試巖樣進行室內蠕變-疲勞交互力學試驗，在室內蠕變力學試驗過中施加應力擾動，并確定測試巖樣穩定蠕變階段和非穩定蠕變階段時對應的時間，得到初步礦山頂板動態暴露時間區間；
5、步驟s3：根據巖體完整性系數對初步礦山頂板動態暴露時間區間進行修訂得到預測礦山頂板動態暴露時間。
6、優選的，在步驟s1中，巖體完整性系數計算公式如下：
7、；
8、其中，為波速系數，為節理系數，為當前頂板巖體的巖石質量指數，為全礦區頂板巖體巖石質量指數最大值；
9、；
10、其中，為頂板巖體波速，為巖塊波速；
11、；
12、其中，為頂板巖體非接觸測量和數字全景鉆孔攝像得到的區域節理條數；為測量區域的巖體體積。
13、優選的，步驟s2具體如下：
14、步驟s21：采用鉆探方式獲取不同埋深處的測試巖樣；
15、步驟s22：在采礦現場安裝擾動應力監測系統，根據實時采集得到的擾動應力波數據提取擾動應力幅值和擾動頻率；采用雨流計數法或等效振幅法將擾動應力波轉換為正弦波，得到擾動應力波的頻譜特征參數；
16、步驟s23：對不同埋深的測試巖樣進行室內分級蠕變加載，考慮到試樣尺寸與現場巖體的差異，將現場實測數據轉化為實驗室數據進行分級蠕變加載，力學試驗每個蠕變階段時間為48小時，根據擾動應力波的頻譜特征參數在分級蠕變加載時加載擾動，時間計算公式如下：
17、；
18、其中，為擾動加載時間，為擾動頻率，為擾動加載周數；
19、現場擾動應力到室內擾動應力加載參數通過引入應力相似比轉化，應力相似比kc定義為：
20、kc=?cl×cρ
21、cl為幾何相似比，cρ為密度相似比；
22、室內力學試驗加載幅值計算公式如下：
23、；
24、其中，為加載幅值，為應力相似比，為記錄的應力波幅值；
25、試驗完畢后得到應變時間曲線；
26、步驟s24：構建蠕變模型；
27、步驟s25：采用阻尼最小二乘法根據應變時間曲線對蠕變模型參數進行蠕變曲線擬合，得到蠕變穩定階段和蠕變非穩定階段的時間區間[t1,t2]；t1為變形速率為0時對應的加載階段對應的蠕變時間，t2為第n-x個加載階段對應得到的蠕變時間；n為測試巖樣破壞時的階段數，x為安全系數；
28、步驟s26：確定初步礦山頂板動態暴露時間區間為。
29、優選的，蠕變模型采用伯格斯模型，蠕變時間計算時在不大于巖石屈服應力時進行，伯格斯模型的本構方程、蠕變方程、卸載方程及松弛方程分別如下：
30、；
31、；
32、；
33、；
34、其中，、以及分別為應力、應力對時間的一階導數以及應力對時間的二階導數；、以及分別為應變、應變對時間的一階導數以及應變對時間的二階導數；和分別為第一彈簧彈性模量和第二彈簧彈性模量；和分別為第一黏壺元件的黏滯系數和第二黏壺元件的黏滯系數；為卸載時間，和分別為與初始條件相關的第一積分常數和第二積分常本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，在步驟S1中，巖體完整性系數計算公式如下：
3.根據權利要求2所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，步驟S2具體如下：
4.根據權利要求3所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，蠕變模型采用伯格斯模型，蠕變時間計算時在不大于巖石屈服應力時進行，伯格斯模型的本構方程、蠕變方程、卸載方程及松弛方程分別如下：
5.根據權利要求4所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，加載擾動后的應力函數如下：
6.根據權利要求4所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，在步驟S3中，初步礦山頂板動態暴露時間區間的修訂公式如下：
【技術特征摘要】
1.一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，在步驟s1中，巖體完整性系數計算公式如下：
3.根據權利要求2所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測方法，其特征在于，步驟s2具體如下：
4.根據權利要求3所述的一種考慮巖體結構性蠕變的礦山頂板動態暴露時間預測...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王宇，于永純，易雪楓，陳鎮鎮，胡子鵬，白新宇，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：
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