[发明专利]一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法

权利要求书

1.一种应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，其特征在于具体步骤如下：

a制备柱状结构的煤岩试样(5)，煤岩试样(5)中心设有扁平状椭球形空间的诱导空穴(6)，煤岩试样(5)内轴向设有贯通的导水通道(7)，导水通道(7)与诱导空穴(6)联通；

b在煤岩试样(5)的导水通道(7)顶底部分别通过柔性密封体(8)连接两根管路作为渗流通道(11)，导水通道(7)顶部通过渗流通道(11)与渗流控制主机(13)的输出端连接，导水通道(7)底部通过渗流通道(11)与渗流控制主机(13)的输入端连接；

c在煤岩试样(5)的顶底两端分别通过密封箍(9)固定密封帽(3)，之后将煤岩试样(5)放入压机头(1)与加载底座(10)之间，其中煤岩试样(5)与压机头(1)、加载底座(10)之间分别设有加载垫块(2)；

d在煤岩试样(5)的侧壁对称设置两列贴片式的电位测试电极(4)，同一侧的电位测试电极(4)处于同一垂线上等间距排列布置，两侧电位测试电极(4)成对设置，所有电位测试电极(4)的尾端通过导线分别与多通道电位测试仪(12)连接；

e渗流控制主机(13)通过导水通道(7)向煤岩试样(5)内部注入高压水，在煤岩试样(5)内形成渗流环境；在计算机中模拟煤岩试样(5)被两列电位测试电极(4)切割构成的垂直剖面(14)，并将该垂直剖面(14)作为电位反演区域显示，之后在电位反演区域进行网格化处理，从而在电位反演区域中形成多个用于定位的网格点(15)，所有的网格点(15)构成电位反演云图；

f启动压机头(1)向下挤压内部形成渗流环境的煤岩试样(5)，同时多通道电位测试仪(12)利用电位测试电极(4)实时采集煤岩试样(5)的电位数据，通过电位反演计算得到电位反演云图中所有网格点(15)的电位反演值，利用计算机根据时间轴存储不同时刻下电位反演云图中所有网格点(15)的电位反演值，直至压机头(1)将煤岩试样(5)压裂后停止；

g重复步骤e-步骤f对多块煤岩试样(5)的电位反演值进行存储，之后统计不同时刻电位反演云图中全部网格点(15)的电位反演值，求得电位反演值与其对应的隶属度值之间的函数关系，即隶属度函数，根据隶属度指标求得对应的电位反演值的危险临界值；利用所有网格点(15)的电位反演值进行插值计算，得到电位反演区域的电位反演云图，然后利用危险临界值与各处网格点(15)的电位反演值进行比较从而判识出超过危险临界值的网格点(15)，将所有网格点(15)标记出来即可获得当前时刻的电位反演云图中的异常区域位置，从而判断出该区域内存在裂隙萌生与扩展，或者导水通道(7)中的高压水浸入该区域，该区域为突水危险区域；

其中，突水危险区域电位判识中电位反演值的计算步骤为：

s1.1在煤岩试样5表面的一侧等间距Δx地布置电位测试电极(4)，选取某时刻测试任意相邻电位测试电极(4)间电位差ΔV(x)，可求得两测点中点位置沿测线方向的电场强度分量E_x(x)：

E_x(x)＝-ΔV(x)/Δx Ⅰ

s1.2假设垂直剖面(14)内电位反演区域任意网格点(15)的坐标为(x_i,y_i)，计算该点的扫描函数

s1.3根据层析理论，该点存在异常电荷源的概率为η(x_i,y_i)：

s1.4η(x_i,y_i)即为该点的电位反演值，表示该点发生突水危险程度的大小，

其中：

s1.5根据同一时刻煤岩试样(5)另一侧电极测试得到的电位数据按照同样的步骤s1.1～s 1.4进行电位反演计算，得到同一网格点的电位反演值，将两侧电位测试电极(4)的电位数据加权叠加，得到修正后的电位反演值；

其中，电位反演值的危险临界值的选取方法为：

s2.1选取试样受载过程不同时刻的电位数据分别进行反演成像，从多个反演云图中获取多个网格点(15)的电位反演值，将所有的电位反演值按照从小到大顺序排列并划分统计区间，利用模糊数学统计方法统计每个区间内的数值个数，拟合得到电位反演值与电位反演值隶属度的函数关系；

s2.2根据模糊数学理论，初次定义电位反演值的隶属度分别为0.5与0.7时，对应的电位反演值为判识突水危险的电位反演值的危险临界值，即轻度危险临界值0.5，重度危险临界值为0.7；

s2.3基于上述轻度危险临界值与重度危险临界值，对电位反演云图中的突水危险进行区域划分与定量判识，具体来说，依次将电位反演云图中的网格点(15)的电位反演值与轻度危险临界值与重度危险临界值进行比较，若高于重度危险临界值，则判断该网格点(15)的区域为突水危险的重度危险区域(18)，若高于轻度危险的临界值且低于重度危险临界值，则判断该网格点(15)的区域为轻度危险区域(17)，若低于轻度危险临界值则判断为无危险区域(16)；

s2.4将煤岩试样(5)剖开，通过观察煤岩试样(5)截面中出现显著的裂隙扩展或高压水浸润区域，判断是否具有突水危险，从而验证轻度危险临界值与重度危险临界值的取值是否合理：当测试值低于临界值时，没有突水危险的概率应高于95％；当测试值高于临界值时，具有突水危险的概率应高于60％；再进行迭代修改，直至得到符合判识要求的隶属度的值和它对应的电位反演值的危险临界值。

2.根据权利要求1所述的应力与渗流作用下煤岩体突水危险区域电位判识方法，其特征在于：煤岩试样(5)内部的导水通道(7)为细长的圆柱形空间，当对煤岩试样(5)施加轴向载荷与渗透压力时，受应力集中效应的影响，优先在诱导空穴(6)端头处萌生裂隙，并不断扩展，使得煤岩试样(5)内部裂隙场的发展可控。