本发明属于煤矿动力灾害防治，具体涉及一种基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法。
背景技术：
1、近年来，随着煤矿开采向深部发展，开采面临的情况愈发复杂，冲击地压发生的频次及破坏性也随之增加。量化研究冲击地压发生的临界条件是实现冲击地压防治、保障煤炭安全开采的基础和前提。
2、冲击地压临界条件包括临界荷载以及临界塑性区长度。临界荷载是指冲击地压发生时煤层上方围岩承受的上覆荷载。临界塑性区长度是指冲击地压发生时煤层的塑性区长度。结合现场监测数据以及临界塑性区长度、临界荷载可以初步预测冲击地压是否发生。临界塑性区长度还可以用于计算弹性区积聚的变形能，进而预估冲击地压发生的震级；临界荷载则可以用于获取矿井的临界开采深度、安全性系数，实现矿井的安全性评价。因此，巷道冲击地压临界条件的计算在评估矿井安全性、预测冲击地压震级等方面有重要的实际意义。研究冲击地压发生的临界条件可以为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、计算出的数据精确度高、为煤炭开采提供安全性理论支撑的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，包括以下步骤：
3、(1)将煤岩体应力应变关系简化为双线性本构关系，建立矩形巷道冲击地压发生力学模型；
4、(2)根据采空区、塑性软化区和弹性承载区边界顶板的挠度、应力的连续性，对冲击地压发生力学模型基本方程的参数进行求解；
5、(3)根据稳定性能量准则，求解临界塑性区长度和临界荷载；
6、(4)根据临界塑性区长度推导出临界状态下弹性区积聚的变形能，进而预测震级；
7、(5)根据临界状态下的临界荷载鉴定矿井开采深度引发的风险。
8、进一步的，步骤(1)具体过程为：
9、煤层临近巷道区域为塑性软化区，控制方程为：
10、
11、
12、煤层深部为弹性承载区，控制方程为：
13、σx＝v'σz(4)
14、
15、式(1)-(6)中，h为煤层厚度，h为顶板厚度，k为顶板等效剪切模量，p为煤层对顶板岩层的支承力，q为上覆荷载；w为顶板挠度，λ为软化模量，σx、σz为x、z方向的应力，f为塑性区的层间摩擦系数，σc为煤体的单轴抗压强度，e为弹性模量，v为泊松比；
16、简化得到模型的基本公式，塑性软化区基本公式有：
17、
18、式中，
19、弹性承载区基本公式有：
20、
21、式中，均为中间参量，无实际意义。为z方向的弹性应变，是内摩擦角。
22、进一步的，步骤(2)具体过程为：
23、在x＝∞处，有
24、在x＝a处，有
25、在x＝l处，有
26、a为1/2巷道宽度，l为塑性软化区及弹性承载区边界，p为支护阻力；
27、求解得到：
28、
29、式(15)-(18)中，
30、
31、a4＝-(σc+mp),
32、
33、式中，a1-a4，b1-b4均为中间参量，无实际意义。
34、进一步的，步骤(3)具体过程为：
35、设煤岩变形系统在面力s和体力f的作用下，产生的位移为u，应力为σ，应变为ε，塑性软化区大小为vs，其余的弹性区大小为ve；设在某一平衡状态下，给煤岩体施加一个微小的虚位移δu，产生虚应力δσ，虚应变δε，若外力所做的虚功大于应变内能的增加，则煤岩变形系统是非稳定的，即冲击地压发生条件为：
36、
37、简化得到矩形巷道冲击地压发生临界条件：
38、
39、式中，
40、
41、对公式(20)求解，即可得到矩形巷道冲击地压发生的临界塑性区长度lcr(lcr＝l-a)；当煤层塑性区长度达到lcr，冲击地压发生；
42、根据弹性承载区、塑性软化区交界处的竖向荷载连续条件，有则有：
43、
44、转换得到上覆荷载q与塑性区长度l的关系式：
45、
46、式中，
47、
48、将l＝lcr代入式(22)得到冲击地压发生的临界荷载qcr；当上覆荷载达到临界荷载qcr时，冲击地压发生。
49、进一步的，步骤(4)具体推导过程位：
50、巷道开挖后煤层弹性区的变形分为开挖前原始应力引发的变形以及开挖引起的变形：
51、εe＝εe'+εe” (23)
52、式中，εe'为开挖前原始应力引发的应变，εe”开挖引起的应变；
53、将煤层l＝∞处的变形近似为开挖前原始应力引发的煤体变形，则有：
54、
55、则巷道开挖引发的煤体应变为：
56、
57、则巷道开挖引发的煤层弹性区应变能为：
58、
59、转化得到：
60、
61、将l＝lcr代入式(29)得到冲击地压发生临界状态下弹性区积聚的变形能wcr。
62、进一步的，步骤(5)具体过程为：
63、现场监测表明，每个矿井都存在其发生冲击地压的临界开采深度；不考虑构造作用，假设煤层上覆岩层容重为γ，则在临界状态下，有临界荷载qcr与临界开采深度hcr的关系式：
64、
65、式(30)中，g是重力加速度；另外，将巷道发生冲击地压的临界荷载qcr与实际上覆荷载q之比定义为应力安全系数s，对矿井安全性进行评价：
66、
67、应力安全系数越小，巷道安全程度越低，发生冲击地压的概率增加；相反，巷道临界应力越大，安全系数越大，意味着巷道越不容易发生冲击地压。
68、采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
69、本发明将现场勘探得到的煤岩体力学参数、巷道尺寸等几何参数、支护条件代入到本发明建立的矩形巷道冲击地压发生力学模型中，利用稳定性准则联立方程组，求解得到某矿井巷道的冲击地压临界荷载以及临界塑性区长度。根据本发明后续的计算公式，还可以进一步求解临界弹性变形能、临界开采深度以及安全系数。
70、传统方法对冲击地压发生临界条件的求解大多建立在圆形巷道力学模型的基础上，而实际工程中巷道断面以矩形为主，圆形巷道力学模型是一种简化后的理想化模型。并且求解方法大多是通过荷载的途径，公式相对简化，因此本发明提供的计算方法更结合工程实际，求解结果误差更小。
1.基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：步骤(1)具体过程为：
3.根据权利要求2所述的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：步骤(2)具体过程为：
4.根据权利要求3所述的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：步骤(3)具体过程为：
5.根据权利要求4所述的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：步骤(4)具体推导过程位：
6.根据权利要求5所述的基于能量准则的矩形巷道冲击地压临界条件计算方法，其特征在于：步骤(5)具体过程为：
