本发明涉及矿山工程，尤其涉及一种基于能量预测的顶板预裂设计方法。
背景技术：
1、冲击地压灾害长期严重影响我国煤炭资源的高效安全生产开发。顶板断裂型冲击地压是一种典型的冲击地压灾害。
2、在工程尺度下，当煤层顶板中存在厚硬岩层时，容易引起内部应力的积累，从而诱发冲击地压等顶板灾害。顶板预裂是控制具有潜在冲击危险顶板的有效手段。顶板预裂技术通过深孔爆破等方式将完整的顶板变为带有预制裂隙的岩梁，使其更容易发生断裂，是解决这一问题的有效手段。另外，厚层坚硬顶板断裂释放的能量对煤层的影响是顶板控制需要考虑的另一个关键因素，因此防治时仍需考虑厚层顶板断裂释能传递至煤层后的残余能量大小。
3、目前顶板预裂方法主要包括爆破预裂、水力预裂、二氧化碳预裂等方法，但针对获得合理的调控参数和考虑能量对顶板预裂进行设计的研究较少。专利文献(cn116335661a)公开了一种厚煤层切顶留巷深孔切缝方法，此方法根据煤层地质条件及设计方法在切缝段巷道进行顶板预裂切缝高度和顶板预裂切缝角度的理论计算分析，得出顶板预裂切缝高度和切缝角度，其参数根据顶板预裂爆破参数实验和理论计算来确定。而现有方法对通过能量预测来设计顶板预裂参数研究较少。
4、针对上述问题，本发明文件提出了一种基于能量预测的顶板预裂设计方法。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，解决了上述提出的问题。
2、本发明提供了如下技术方案：
3、一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，包括以下步骤：
4、s1、基于工程条件和地质条件，构建顶板岩梁弹性状态下的破坏准则，其中，工程条件具体包括来压步距b和岩梁跨度s，地质条件具体包括垂直地应力σy、顶板厚度h和抗拉强度[σb]；
5、s2、输入具体工程条件数据和地质条件数据至顶板岩梁弹性状态下的所述破坏准则中，得到结果，并根据结果判断其是否符合破坏准则的要求，其中，判断结果符合破坏准则的要求，则满足预裂设计要求，判断结果不符合破坏准则的要求，则进行预裂设计；
6、s3、基于顶板厚度临界值，构建顶板预裂的设计模型，且设立顶板预裂深度设计的下限临界值；
7、s4、基于弯曲储能公式、断裂释能公式和传播衰减公式，计算传播至煤层的能量ufr，设立顶板岩梁预裂设计的能量判据，根据能量判据对预裂设计进行判断，并基于判断结果匹配处理方案，其中，所述处理方案包括判断不满足预裂设计要求，则需修正设计参数重复步骤s3和判断满足预裂设计要求，则无需处理。
8、在一种可能的设计中，所述步骤s2中，构建顶板岩梁弹性状态下的破坏准则，包括以下步骤：
9、s2.1、当对岩梁进行预裂处理后，其弹性变形区位于上半部分完整的岩梁中，其中，岩梁中弯矩最大的点的应力表达式为：
10、
11、s2.2、在地层中，关键层在上覆岩层荷载作用下发生弯曲，基于关键层理论，确定作用在梁上的集中荷载为覆岩平均荷载的1.2倍，获得覆岩荷载峰值表达式：
12、pmax＝1.2p＝1.2abσy
13、将所述覆岩荷载峰值表达式代入所述岩梁中弯矩最大的点的应力表达式，获得顶板岩梁弹性状态下的破坏准则为：
14、
15、其中，σy为垂直地应力、a为覆岩荷载的作用距离、p为岩梁的轴向载荷。
16、在一种可能的设计中，所述步骤s3中，设计预裂深度d，使不等式成立的d的最小值，即为顶板预裂深度设计的下限临界值。
17、在一种可能的设计中，所述步骤s3中，构建顶板预裂的设计模型的公式为：
18、
19、其中，使不等式成立的d的最小值，即为顶板预裂深度设计的下限临界值，且当预裂深度d满足顶板预裂的设计模型的公式时，则预裂后剩余的完整部分顶板能够起裂。
20、在一种可能的设计中，所述弯曲储能公式为：
21、
22、式中，uε为弯曲应变能；mb为岩性指标；gb为尺寸指标；
23、所述断裂释能公式为：
24、ur＝wuε
25、式中，w为岩梁的能量释放系数；ur为岩梁破断释放的能量；
26、所述传播衰减公式为：
27、ufr＝γeur
28、式中，γe为能量衰减系数。
29、在一种可能的设计中，所述步骤s4中，为了降低顶板断裂能量对煤层的影响，应将传播至煤层的能量控制在105j以下，顶板岩梁预裂设计的能量判据为：
30、ufr＝wγeuε≤105j。
31、在一种可能的设计中，所述弯曲储能公式中定义岩梁的岩性指标表示式为：
32、
33、且弯曲储能公式中定义岩梁的尺寸指标：
34、gb＝b·t·s
35、式中，σb为岩石的抗拉强度、s为岩梁的跨距、e为岩梁的弹性模量、b为岩梁的宽度、t为岩梁的平均厚度、mb为岩性指标、gb为尺寸指标。
36、在一种可能的设计中，所述岩梁的能量释放系数w，具体为：
37、
38、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
39、本发明以预裂深度为变量，考虑了厚层坚硬顶板断裂释放的能量对煤层的影响，防治时考虑到厚层顶板断裂释能传递至煤层后的残余能量大小，设计合理参数，通过基于能量预测的顶板预裂设计将完整的顶板变为带有预制裂隙的岩梁，使其更容易发生断裂，可有效预防顶板断裂型冲击地压的发生，保证了工作面生产安全。
1.一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，构建顶板岩梁弹性状态下的破坏准则，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述步骤s3中，设计预裂深度d，使不等式成立的d的最小值，即为顶板预裂深度设计的下限临界值。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述步骤s3中，构建顶板预裂的设计模型的公式为：
5.根据权利要求1所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述弯曲储能公式为：
6.根据权利要求5所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，为了降低顶板断裂能量对煤层的影响，应将传播至煤层的能量控制在105j以下，顶板岩梁预裂设计的能量判据为：
7.根据权利要求5所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述弯曲储能公式中定义岩梁的岩性指标表示式为：
8.根据权利要求5所述的一种基于能量预测的顶板预裂设计方法，其特征在于，所述岩梁的能量释放系数w，具体为：
