一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法

本发明专利属于煤矿灾害防治领域，具体涉及一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法。

背景技术：

1、超声波探测方法可用于确定物理和力学性质，根据超声波速可以预测岩体破坏。同时超声波检测技术是无损的，易于在现场和实验室条件下应用。现有研究发现在岩体破坏前，随着新的微裂纹的增加和扩展，p波波速在峰值应力前存在一个平台期，s波波速存在缓慢下降的阶段。同时岩体强度也存在平台期且进入平台期初始阶段会发生突降。上述平台期以及岩体峰值强度跌落是预测岩体破坏的关键信号。

2、因此，有必要设计一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法。本发明是利用岩体加载过程中超声波波速超前于应力峰值跌落存在平台期进行早期预警矿山灾害的方法。其核心是基于室内岩体力学实验得知，超声波波速和岩体强度均存在平台期，且前者平台期超前于后者，岩体强度在进入平台期初始阶段出现小幅度突然跌落，平台期应力值为σcm,min。将波速出现平台期和所得平台期应力值作为预警判定条件应用于现场，实现超前预警煤矿灾害。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了减少当煤矿灾害突发时无法及时撤离人员和设施而导致的人员伤亡、财产损失等问题，而设计了一种利用岩体加载过程中超声波波速超前于应力峰值跌落存在平台期进行早期预警矿山灾害的方法。

2、本发明提出了一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，该技术能够充分利用超声波速和岩体强度的平台期及岩体强度跌落现象对煤矿灾害进行超前预警，减少灾害造成的人员伤亡和财产损失；实验过程简便，现场应用不复杂，同时不影响现场工作。

3、为实现上述目的，而设计了一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法：

4、(1)应力的平台期会随着样品尺寸的增大而增长，因此从现场取不同尺寸的正方体样品进行单轴试验，获得其从开始加载至发生破坏期间的应力变化曲线；

5、(2)进行单轴试验同时每间隔一定时间进行超声波测试，记录超声波发射器和接收器之间超声波传播时间，通过已知的传播距离计算出相应的超声波速度，从而获得p波和s波波速变化曲线；

6、(3)分析实验结果发现p波波速平台期超前于岩体强度平台期，且p波波速开始出现平台期时s波波速会缓慢降低，同时大尺寸试样的岩体强度在进入平台期初始阶段会发生小幅度突然跌落。根据实验测得的不同尺寸试样岩体强度出现平台期时的应力值，获得一个应力平台期最小值记为σcm,min；

7、(4)现场布置应力传感器以及超声波发射和接收器，实时监测现场巷道顶板和两帮的应力变化以及p波和s波的波速变化。由于波速变化波动较大，无法用准确的数值作为预警判断的标准，因此采用观察p波波速变化的斜率判断其是否进入平台期。通过步骤(1)

8、所诉的超声波测试方法获得超声波波速，拟合出p波与s波波速变化曲线并计算p波波速变化曲线各点斜率；

9、(5)根据试验和现场监测结果，通过以下流程进行现场预警。当现场监测应力值小于σcm,min，此时观察p波波速变化曲线各点的斜率，若连续多点斜率均接近零，即p波波速出现平台期，同时发现s波波速降低，可进行初期预警，当巷道两帮应力达到σcm,min且应力出现突降或巷道顶板应力达到(1/8～1/10)σcm,min，可进行最终预警。

10、所诉样品为边长100mm～300mm的立方体。

11、所诉的超声波测试的间隔时间为30秒。

12、步骤(3)所诉是以样品的应力与超声波波速变化均存在平台期为前提。

13、所诉巷道顶板预警判断依据的应力值kσcm,min中系数k的范围为1/8-1/10。

14、本发明与其他预警煤矿灾害的方法相比，具有以下优点：

15、第一，本发明实施容易，通过室内试验即可获得所需预警值，且室内试验操作简便，可以获得较精确的数据；

16、第二，本发明在进行现场监测时不会干扰现场实际工作，监测工作不繁琐；

17、第三，本发明可以超前预警煤矿灾害，为现场工作人员和设施保留一定的撤离时间，可以减少人员伤亡事故和财产损失，从而在一定程度上提高生产效率。

技术特征：

1.一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其包含步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其中样品选取边长100mm～300mm的正方体。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其中超声波测试的间隔时间为30秒。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其中p波波速平台期阶段以及s波波速缓慢下降阶段的波速波动范围，以砂岩为例，一般情况下p波波速为2700m/s～2900m/s，s波波速为2400m/s～2600m/s。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其中步骤(c)所诉情况是以样品的应力应变曲线与超声波波速变化曲线均存在平台期为前提。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法，其中巷道顶板预警判断依据的应力值kσcm,min中系数k的范围为1/8-1/10。

技术总结本发明专利属于煤矿灾害防治领域，具体涉及一种基于超声波速平台期超前岩体峰值强度跌落预警煤矿围岩失稳的方法。本发明是利用岩体加载过程中超声波波速超前于应力峰值跌落存在平台期进行早期预警矿山灾害的方法。其核心是基于室内岩体力学实验得知，超声波波速和岩体强度均存在平台期，且前者平台期超前于后者，岩体强度在进入平台期初始阶段出现小幅度突然跌落，平台期应力值为σ<subgt;cm,min</subgt;。现场布置超声波和应力传感器，将波速出现平台期作为初期预警的判定条件，将巷道两帮应力达到σ<subgt;cm,min</subgt;且出现应力突降和巷道顶板应力达到(1/8～1/10)σ<subgt;cm,min</subgt;作为最终预警的判断条件。实现煤矿灾害的超前预警。技术研发人员：孙运江,汪嘉楠,左建平,李道涵,冯宇豪,王亚鹏受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：技术公布日：2024/6/26