CN104360013A - 深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，其包括以下步骤：采集采场底板应力状态数据的步骤；采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤；采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤；采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤；分析上述采场底板应力数据、采场底板岩层损伤破裂数据、深井底板岩层损伤破裂数据与深井底板采动损伤破裂数据，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤。获得深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律，给具体的深井开采提供数据基础，进而为提高深井开采效率以及开采安全性提供技术支持。

Description

深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法

技术领域

本发明涉及一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法。

背景技术

煤层底板岩层是底板突水的主要研究对象，也是矿井阻隔水的主要承载者。随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，工作面埋深增大且构造复杂，在开采过程中，煤层底板岩体周期性破坏，并且破坏连续性的往前传递。对底板岩层的研究常用的方法有理论计算、现场实测、经验公式、数值模拟和相似材料模拟等。其主要内容为：

(1)理论计算。理论计算主要是将地质条件概化成数学模型，利用相关力学理论，转换为力学模型，最后基于岩体的力学准则和破坏准则，进行底板破坏深度的计算。如施龙青的采场底板“下四带”理论。

(2)经验公式。现场研究人员在实践中总结归纳然后再统计拟合出来适合本矿或特定区域的实用型公式。如《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中采动底板破坏深度计算公式。

(3)现场实测。现场实测主要采用直接观测、钻探注水、地球物理探测等方法实现。

(4)数值模拟。数值模拟考虑全面、方便易行、且可多次模拟相同条件下的煤层赋存情况，是研究底板破坏深度的一种极佳的手段。

(5)室内相似模拟。主要包括室内相似材料模拟、光弹实验等综合方法。

但随着开采深度的不断增加，采场地质条件和开采环境也越来越复杂，上述手段在深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律方面仍然存在较多缺陷，无法对其进行完全分析。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法。

本发明的技术方案包括：

一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，其包括以下步骤：

采集采场底板应力状态数据的步骤；

采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤；

分析上述采场底板应力数据、采场底板岩层损伤破裂数据、深井底板岩层损伤破裂数据与深井底板采动损伤破裂数据，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤。

所述的分析方法，其中，上述采集采场底板应力状态数据的步骤包括采场底板应力数据的步骤与采场底板应力变化数据的步骤。

所述的分析方法，其中，采场底板应力数据的步骤包括：

在煤层在采动之前，底板岩体处于原岩应力平衡状态，采集原岩应力数据；在采动后，采集底板岩层的应力场重新分布后的应力数据；将对应底板划分为原岩区→压缩区→膨胀区→实压区。

所述的分析方法，其中，采场底板应力变化数据的步骤包括：

采用RFPA^2D数值模拟软件模拟深井完整型底板和损伤型底板在开采过程中的应力变化，建立坐标网格、设定本构关系模型、设定外力和边界、求解起始应力平衡并存储、调用初始应力平衡、设定新外力和新边界、求解工程应力平衡并存储等；然后分别对其在采动中的最大主应力，剪切应力及弹性模量变化采集。

所述的分析方法，其中，采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：确定底板岩层裂隙在三轴压应力作用下的扩展数据。

所述的分析方法，其中，采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：运用FLAC^3D数值模拟软件对回采过程进行模拟，采集在推进到井下200m的过程中底板岩体应力分布和塑性区分布的数据。

所述的分析方法，其中，采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤包括：采用井下钻孔双端封堵测漏法对深井底板损伤破裂深度进行现场实测，然后在深井下从煤层底板向下打一任意俯角的钻孔，然后进行分段封堵注水，根据注水量及钻孔分段封堵注水漏失量采集受开采活动的影响底板损伤破裂最大高度的数据。

所述的分析方法，其中，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤包括：

煤层采动后，采场底板地应力及支承压力发生变化，底板前后支承压力逐渐增大，且后支承压力的增加幅度较小；底板中的最大主应力和剪应力集中于开切眼和前方煤壁附近，在回采初期、顶板运动前，顶底板具有一致的应力状态；最大主应力向煤体下方传播，传播角在60°-80°之间；剪应力向煤壁前方的底板中传播，传播角在40°-60°之间，随开采逐步增加，向深部递减；

当岩层应力状态达到强度条件，裂隙就会扩展连通，使底板岩层的失稳被破坏；

工作面前方峰值和煤壁之间的距离为8m-11m，工作面超前支承压力分布范围约为煤壁前方25m；刚开始的时候底板破坏深度随工作面推进距离增加而加大，损伤性底板沿着裂隙向深部破坏，当底板破裂深度达到上限后，破坏深度基本保持不变。

本发明提供的一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，对采场底板应力数据、采场底板岩层损伤破裂数据、深井底板岩层损伤破裂数据与深井底板采动损伤破裂数据等参数进行分析，获得深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律，给具体的深井开采提供数据基础，进而为提高深井开采效率以及开采安全性提供技术支持。

附图说明

图1为本发明中分析方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，如图1所示的，其包括以下步骤：

采集采场底板应力状态数据的步骤；

采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤；

分析上述采场底板应力数据、采场底板岩层损伤破裂数据、深井底板岩层损伤破裂数据与深井底板采动损伤破裂数据，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤。

更进一步的，上述采集采场底板应力状态数据的步骤包括采场底板应力数据的步骤与采场底板应力变化数据的步骤。

并且采场底板应力数据的步骤包括：

在煤层在采动之前，底板岩体处于原岩应力平衡状态，采集原岩应力数据；在采动后，采集底板岩层的应力场重新分布后的应力数据；将对应底板划分为原岩区→压缩区→膨胀区→实压区。

并且采场底板应力变化数据的步骤包括：

采用RFPA^2D数值模拟软件模拟深井完整型底板和损伤型底板在开采过程中的应力变化，建立坐标网格、设定本构关系模型、设定外力和边界、求解起始应力平衡并存储、调用初始应力平衡、设定新外力和新边界、求解工程应力平衡并存储等；然后分别对其在采动中的最大主应力，剪切应力及弹性模量变化采集。

更进一步的，采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：确定底板岩层裂隙在三轴压应力作用下的扩展数据。

在本发明的另一较佳实施例中，采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：运用FLAC^3D数值模拟软件对回采过程进行模拟，采集在推进到井下200m的过程中底板岩体应力分布和塑性区分布的数据。

更进一步的，采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤包括：采用井下钻孔双端封堵测漏法对深井底板损伤破裂深度进行现场实测，然后在深井下从煤层底板向下打一任意俯角的钻孔，然后进行分段封堵注水，根据注水量及钻孔分段封堵注水漏失量采集受开采活动的影响底板损伤破裂最大高度的数据。

在本发明的另一较佳实施例中，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤包括：

煤层采动后，采场底板地应力及支承压力发生变化，底板前后支承压力逐渐增大，且后支承压力的增加幅度较小；底板中的最大主应力和剪应力集中于开切眼和前方煤壁附近，在回采初期、顶板运动前，顶底板具有一致的应力状态；最大主应力向煤体下方传播，传播角在60°-80°之间；剪应力向煤壁前方的底板中传播，传播角在40°-60°之间，随开采逐步增加，向深部递减；

当岩层应力状态达到强度条件，裂隙就会扩展连通，使底板岩层的失稳被破坏；

工作面前方峰值和煤壁之间的距离为8m-11m，工作面超前支承压力分布范围约为煤壁前方25m；刚开始的时候底板破坏深度随工作面推进距离增加而加大，损伤性底板沿着裂隙向深部破坏，当底板破裂深度达到上限后，破坏深度基本保持不变。

为了更进一步描述本发明的分析方法，以下进行更为详尽的说明。

该分析方法包括五个步骤，分别为：

采场底板应力状态分析；

底板岩层损伤破裂机理研究；

深井底板岩层损伤破裂数值模拟；

深井底板采动损伤破裂现场实测；

深井底板采动损伤破坏规律。

下面对各个步骤做进一步的详细介绍。

所述采场底板应力状态分析步骤包括：

①采场底板应力特征

煤层在采动之前，底板岩体处于原岩应力平衡状态，对其原岩应力状态进行描述；采动后，由于开采扰动影响，底板岩层的应力场会重新分布，对其支承压力分布进行研究并准确描述；对长壁工作面初次来压和周期来压阶段的底板应力状态进行模拟，得出沿推进方向上煤体支承压力变化将依次经历正常地应力→高峰支承压力→卸压→应力恢复四个阶段，把对应底板划分为原岩区→压缩区→膨胀区→实压区。

②采场底板应力变化数值模拟

采用RFPA^2D数值模拟软件模拟深井完整型底板和损伤型底板(在底板岩层中加入4条方向、大小、深浅不一的裂隙，模拟底板中裂隙的各向异性)在开采过程中的应力变化，模拟流程包括建立坐标网格、设定本构关系模型和材料性质、设定外力和边界条件、求解起始应力平衡并存储、调用初始应力平衡、设定新的材料性质和支撑性质、设定新外力和新边界条件、求解工程应力平衡并存储等。模拟底板在应力和应力-损伤两种状态下的底板损伤破裂演化过程，然后分别对其在采动中的最大主应力，剪切应力及弹性模量变化进行分析，找出底板破坏规律。

所述底板岩层损伤破裂机理研究步骤包括：

底板岩层的损伤破裂描述，充分考虑煤层底板岩体的初始损伤，主要包括细观和宏观两种尺度；底板岩层裂隙扩展研究，对裂隙提出基本假设，根据断裂力学理论，确定其在三轴压应力作用下的扩展判据，并讨论其止裂形式；在细观和宏观两个层面上论述底板岩层损伤破裂的影响因素。

所述深井底板岩层损伤破裂数值模拟步骤包括以下工艺内容：

运用FLAC^3D数值模拟软件对王楼煤矿11301工作面的回采过程进行模拟，建立11301工作面采动数值模型，研究工作面在推进200m的过程中底板岩体应力分布和塑性区分布的变化，得出深井工作面受采动影响底板岩层损伤破裂情况及一般破坏规律。

所述深井底板采动损伤破裂现场实测步骤包括以下工艺内容：

采用井下钻孔双端封堵测漏法对王楼煤矿11301工作面底板损伤破裂深度进行现场实测，在井下从煤层底板向下打一任意俯角的钻孔，然后进行分段封堵注(放)水，根据注(放)水量及钻孔分段封堵注水漏失量就可以判定受开采活动的影响底板损伤破裂的最大高度，实测底板损伤破裂深度为12.9m。

所述深井底板采动损伤破坏规律包括：

①煤层采动后，采场底板地应力及支承压力发生变化，底板前后支承压力逐渐增大，且后支承压力的增加幅度较小。底板中的最大主应力和剪应力集中于开切眼和前方煤壁附近，在回采初期、顶板运动前，顶底板具有一致的应力状态。最大主应力向煤体下方传播，传播角在70°左右。剪应力向煤壁前方的底板中传播，传播角在50°左右，随开采略有增加，向深部递减。

②底板是一个损伤体，其内部存在大量的初始损伤，底板岩层在采动中的损伤破坏就必须充分考虑这些初始损伤，尤其是底板岩层中呈一定分布规律的原始裂隙，当岩层应力状态达到强度条件，裂隙就会扩展连通，导致底板岩层的失稳破坏。

③工作面前方峰值和煤壁之间的距离约为10m，工作面超前支承压力分布范围约为煤壁前方25m。底板岩体的损伤破坏深度跟采空区暴露面积有关。刚开始的时候底板破坏深度随工作面推进距离增加而加大，但底板破裂深度存在最大值，当影响达到上限以后，破坏深度基本保持不变。当工作面推进到60m时，地板岩层的损伤破裂深度达最大值13m。

④损伤型底板应力变化和破坏情况较完整型底板更为明显，随煤层的开采，底板损伤破坏更为严重，且损伤性底板沿着裂隙向深部破坏。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种深部开采底板岩层损伤破裂演化及破坏规律的分析方法，其包括以下步骤：

采集采场底板应力状态数据的步骤；

采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤；

采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤；

分析上述采场底板应力数据、采场底板岩层损伤破裂数据、深井底板岩层损伤破裂数据与深井底板采动损伤破裂数据，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，上述采集采场底板应力状态数据的步骤包括采场底板应力数据的步骤与采场底板应力变化数据的步骤。

3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，采场底板应力数据的步骤包括：

在煤层在采动之前，底板岩体处于原岩应力平衡状态，采集原岩应力数据；在采动后，采集底板岩层的应力场重新分布后的应力数据；将对应底板划分为原岩区→压缩区→膨胀区→实压区。

4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，采场底板应力变化数据的步骤包括：

采用RFPA^2D数值模拟软件模拟深井完整型底板和损伤型底板在开采过程中的应力变化，建立坐标网格、设定本构关系模型、设定外力和边界、求解起始应力平衡并存储、调用初始应力平衡、设定新外力和新边界、求解工程应力平衡并存储等；然后分别对其在采动中的最大主应力，剪切应力及弹性模量变化采集。

5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，采集采场底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：确定底板岩层裂隙在三轴压应力作用下的扩展数据。

6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，采集深井底板岩层损伤破裂数据的步骤包括：运用FLAC^3D数值模拟软件对回采过程进行模拟，采集在推进到井下200m的过程中底板岩体应力分布和塑性区分布的数据。

7.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，采集深井底板采动损伤破裂数据的步骤包括：采用井下钻孔双端封堵测漏法对深井底板损伤破裂深度进行现场实测，然后在深井下从煤层底板向下打一任意俯角的钻孔，然后进行分段封堵注水，根据注水量及钻孔分段封堵注水漏失量采集受开采活动的影响底板损伤破裂最大高度的数据。

8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，得出深部开采底板岩层损伤破裂演化过程及破坏规律的步骤包括：

煤层采动后，采场底板地应力及支承压力发生变化，底板前后支承压力逐渐增大，且后支承压力的增加幅度较小；底板中的最大主应力和剪应力集中于开切眼和前方煤壁附近，在回采初期、顶板运动前，顶底板具有一致的应力状态；最大主应力向煤体下方传播，传播角在60°-80°之间；剪应力向煤壁前方的底板中传播，传播角在40°-60°之间，随开采逐步增加，向深部递减；

当岩层应力状态达到强度条件，裂隙就会扩展连通，使底板岩层的失稳被破坏；

工作面前方峰值和煤壁之间的距离为8m-11m，工作面超前支承压力分布范围约为煤壁前方25m；刚开始的时候底板破坏深度随工作面推进距离增加而加大，损伤性底板沿着裂隙向深部破坏，当底板破裂深度达到上限后，破坏深度基本保持不变。