CN104462654A - 浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，包括如下步骤：根据矿井实际地层资料确定相似实验材料配比；根据几何相似和动力相似铺设相似材料模型；材料强度与原岩强度相似后进行煤层开挖，模型开挖稳定后拍摄裂隙发育照片；使用图像处理软件对照片进行灰度化和矢量化处理；将矢量化的裂隙图像导入到数值模拟模拟软件进行计算；将得到的结果与实测数据进行对比分析，通过不断修正，最终获得比较精确的数值模型。本发明可揭示浅埋煤层条件下覆岩裂隙分布及漏风特征，为漏风通道的封堵等现场情况提供一种有益的参考。

Description

浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法

技术领域

本发明涉及一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，属于对地下岩土工程领域的裂隙岩体的试验研究及地表裂隙漏风特征的判定方法研究。

背景技术

我国煤炭开采战略西移，西部矿区多为浅埋藏煤层，浅埋藏煤层开采地表漏风严重，易引发采空区煤炭自燃。煤炭自燃不仅会影响矿井的正常生产，还可能引发重特大的火灾或瓦斯爆炸事故。由于西部煤层埋藏浅，在采动应力的作用下形成了大量贯通地表的裂隙，这些裂隙构成了煤自燃漏风供氧的主要通道。在利用黄泥(粉煤灰)浆、砂浆、三相泡沫等防灭火材料对采空区自燃危险区域及漏风点进行防灭火及降温封堵时，因传统的技术手段很难检测到裂隙的分布位置，导致防灭火材料不能及时有效地输送到漏风点附近完成对漏风通道的封堵。所以，研究浅埋藏煤层开采裂隙的分布和漏风特征对封堵漏风通道，防治煤炭自燃有着重要意义。

目前，判定浅埋藏煤层地表裂隙分布和漏风特征的方法主要有示踪气体法和数值模拟法。示踪气体法是在漏风源释放SF₆示踪气体，在漏风汇处采集气样，通过对气样浓度的分析来定性判定漏风通道。由于受现场环境和测量方法的限制，只能通过对一些点的监测来反映整个采空区的裂隙分布和漏风特征，且判定结果易受释放量等因素的影响。在对浅埋煤层裂隙漏风进行数值模拟时，一般使用等效连续介质模型，将裂隙及周围岩体等效为具有一定渗透张量的连续介质，利用多孔介质理论进行求解。但它忽略了浅埋煤层贯通地表的纵向裂隙对漏风的影响，在处理这种大规模裂隙时模拟结果与实际情况往往存在较大偏差。

发明内容

发明目的：针对现有数值模拟方法的不足，本发明通过将相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法，将裂隙的发育状况引入数值模型中，克服了岩体内裂隙检测困难、数值模型过度简化等问题；同时，对模型的修正可以有效的提高模型的精度和可靠性，为浅埋藏矿区开采后地表贯通裂隙分布和漏风特征判定提供一种有益的参考。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，包括如下步骤：

(1)确定模型与原岩的比例，根据矿区煤层埋藏的岩层岩性、厚度和物理力学参数，计算模型中模拟各层岩层时不同材料的配比及用量；

(2)根据得到的材料的配比及用量，按照原岩的岩层层位关系及倾角按顺序铺设实验岩层形成模型并静置，在相邻岩层中布置电阻应变片；

(3)当模型强度与原岩强度差在阈值范围内时，模拟现场实际对原型的开采条件，准备对模型中的煤层进行开挖；

(4)根据对原型进行实际开挖时的推进速度和每次开挖的长度，设置对模型进行开挖的推进速度和每次开挖的长度，并且每次开挖结束后，放置40～80min再继续开挖；

(5)在对模型开挖的进行过程中，记录电阻应变片的检测数据，当各个电阻应变片的数据均不再变动或变动幅度均在阈值范围内时，模型达到应力平衡，使用相机拍摄模型应力平衡后裂隙发育的照片；

(6)将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形；

(7)将矢量图形导入COMSOL数值模拟软件并设为初始几何模型，调整几何模型大小，设定几何模型材料属性、边界条件；

(8)对设定好的几何模型进行网格剖分后求解计算，获得裂隙漏风风速和压力分布；

(9)将获得的裂隙漏风风速及压力分布与针对原型进行现场实测的各点的漏风数据进行对比分析，通过不断地调整几何模型的设计参数，从而获得与现场实测相吻合的裂隙漏风风速和压力分布规律，为封堵漏风通道提供参考。

具体的，所述步骤(2)中，电阻应变片布置在相邻两个岩层之间，在同一个水平检测平面内的电阻应变片呈网状布置，以采集检测数据；比如设计同一个水平检测平面内的电阻应变片呈矩形阵列的网格状分布，一般设计同一横向或纵向直线上相邻两电阻应变片之间的水平距离为30cm。

具体的，所述步骤(3)中，判断模型强度与原岩强度差是否在阈值范围内，具体方法为：在铺设模型前，通过力学性能实验确定模拟材料达到与原岩力学性能差在阈值范围内时的含水量w₀；在模型铺设完成并静置一段时间后，测量模型材料的含水量w，当w＝w₀时，即可认为模型强度与原岩强度差在阈值范围内。

更为具体的，所述步骤(3)中，确定材料含水量的方法是称重法，具体为：取一定量的材料作为试样，使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m，在105℃的烘箱内将试样烘烤至恒重，再次使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m_s，计算含水量w＝m_s/m。

具体的，所述步骤(6)中，将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形的方法为：利用计算机图形处理技术，通过包括图像滤波、锐化增强、图像分割、噪音过滤和检测细化在内的处理后，生成矢量化的裂隙数据，将矢量化的裂隙数据作为矢量图形。

具体的，所述步骤(7)中，材料属性包括流体密度ρ、流体动力粘度μ、裂隙周围煤岩体渗透率k和煤岩体孔隙率ε；边界条件的设定具体为：上部裂隙入口压力p₀设为大气压力，下部裂隙出口压力设为采空区侧压力，左右边界设为无流动边界。

更为具体的，所述步骤(7)中，裂隙周围煤岩体渗透率k和孔隙率ε的求解方法为：在模型平面上取上下相邻的四个位移监测点构成一个四边形ABCD，煤层开采，当上覆岩层发生塌陷后，四边形ABCD的面积由S变为S'：

计算煤岩体碎胀系数为：K_p＝S'/S；

根据煤岩体碎胀系数计算孔隙率为：

煤岩体渗透率k和孔隙率ε满足：

其中，d为破碎煤岩体粒径，C为系数，一般取C＝172.8。

具体的，所述步骤(7)中，几何模型按照如下方式进行描述：

1)裂隙区域内部不存在多孔介质，不属于渗流，采用Navier-Stokes方程描述：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂u}{\∂t}-\▿\mathrm{\μ}(\▿\mathrm{\μ}+{(\▿\mathrm{\μ})}^T)+\mathrm{\ρ\μ}\·\▿u+\▿p=F$

其中，ρ表示流体密度，u表示流体速度，μ表示流体动力粘度，p表示单位流体压力差，F单位流体体积力；

2)裂隙区域周围煤岩体处理为多孔介质，属于渗流，采用Darcy定律描述：

$q=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\▿p+\mathrm{\ρg}\▿Z)$

其中，μ表示流体动力粘度，k为煤岩体的渗透率，q流体流量，p为单位流体压力差，Z为高度改变量。

有益效果：本发明提供的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，具有如下优点：

1、提出了通过测定含水量来确定相似材料强度的方法，具有简单、方便等优点；

2、本发明通过相似材料模拟实验可以得到模拟煤层开采后模型上覆岩层裂隙分布特征图，可以直观观察煤层开采后不同区域裂隙的分布情况，可以用于覆岩裂隙漏风特征的数值模拟分析；

3、通过将相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法，可以降低将裂隙处理为等效连续介质或裂隙网络模型时产生的误差，使得数值模拟结果与实际情况更加吻合。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为采空区碎胀系数计算示意图；

图3为电阻应变片及位移监测点分布图；

图4为模拟煤层开采后裂隙分布图；

图5为矢量图形；

图6为裂隙漏风速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法实施流程图，下面结合实例对本发明做出进一步的说明。

神东矿区某煤矿属浅埋矿井，煤层开采后地面裂隙发育，采空区漏风严重，引起煤炭自燃，利用本发明方法给出漏风通道封堵方案，具体步骤如下：

(1)确定模型与原岩的比例为1:100，模型长为2.5m，宽为0.5m，根据矿方提供的岩层岩性、厚度和物理力学参数，计算模型中模拟各层岩层时不同材料的配比及用量，如表1所示：

表1模型相似材料模拟配比(1:100)

(2)根据得到的材料的配比及用量，按照原岩的岩层层位关系及倾角按顺序从下至上分层铺设实验岩层形成模型并静置，在相邻岩层中布置电阻应变片；电阻应变片的布置方法为：在同一检测平面内电阻应变片呈网状布置，同一检测平面内相邻两电阻应变片之间的间距为30cm，电阻应变片的布置情况如图3所示。

(3)模型铺设完成后静置10天，然后从模型上部边缘取一小块试样，用称重法测量含水量，与和原岩强度相似时同层试样的含水量进行对比发现二者含水量差别小于5％，在差别范围内，认为模型材料强度与原岩强度相似，可以进行开挖。

(4)由矿井的实际推进速度计算每次模拟开挖的长度为10cm，开挖后放置1小时，再次进行开挖。

(5)每次开挖均使用静态应变测量处理仪通过计算机记录相关数据，整个模型开挖完成后，当计算机记录的数据不再变动时，模型达到应力平衡，用专业相机拍摄模型裂隙发育的照片，如图4所示。

(6)利用图形处理软件将拍摄的裂隙发育照片处理为矢量图形，如图5所示。

(7)将步骤(6)得到的矢量图形导入COMSOL数值模拟软件并设为初始几何图形。调整几何模型的大小，设定流体密度ρ＝1.29kg/m³、流体动力粘度μ＝17.9×10^-6Pa·s、煤岩体渗透率k和煤岩体孔隙率ε；边界条件的设定具体为：上部裂隙入口压力p₀＝1atm，下部裂隙出口压力设为采空区侧压力101.12kpa，左右边界设为无流动边界。

(8)裂隙周围煤岩体渗透率k和孔隙率ε的求解方法为：在模型平面上取上下相邻的四个位移监测点构成一个四边形ABCD，煤层开采，当上覆岩层发生塌陷后，四边形ABCD的面积由S变为S'：

计算煤岩体碎胀系数为：K_p＝S'/S；

根据煤岩体碎胀系数计算孔隙率为：

煤岩体渗透率k和孔隙率ε满足：

其中，d为破碎煤岩体粒径，C为系数，一般取C＝172.8。

根据矿方提供的资料将煤岩体原始孔隙率和渗透率带入上式求得裂隙周围煤岩体孔隙率和渗透率。

(9)由于裂隙区域内不存在多孔介质，故不属于渗流，采用Navier-Stokes(纳维-斯托克斯)方程描述：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂u}{\∂t}-\▿\mathrm{\μ}(\▿\mathrm{\μ}+{(\▿\mathrm{\μ})}^T)+\mathrm{\ρ\μ}\·\▿u+\▿p=F$

其中，ρ表示流体密度，u表示流体速度，μ表示流体动力粘度，p表示单位流体压力差，F单位流体体积力。

将裂隙区域周围煤岩体处理为多孔介质，属于渗流，采用Darcy定律描述：

$q=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\▿p+\mathrm{\ρg}\▿Z)$

其中，μ表示流体动力粘度，k为煤岩体的渗透率，q流体流量，p为单位流体压力差，Z为高度改变量。

(10)对模型进行网格剖分，求解系统方程组，获得裂隙漏风风速和压力分布图，如图6所示。

(11)根据现场检测点的位置，从数值模型中取出与之对应的点。通过对比发现现场监测点的风速、风压与数值模型中对应点的风速、风压，发现二者差值小于20％，模拟数据与实际数据吻合良好，不需要对模型进行修正。模拟结果可以反映浅埋煤层裂隙分布和漏风特征，用于指导对采空区漏风通道的封堵，从而防止矿井的煤自燃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定模型与原岩的比例，根据矿区煤层埋藏的岩层岩性、厚度和物理力学参数，计算模型中模拟各层岩层时不同材料的配比及用量；

(2)根据得到的材料的配比及用量，按照原岩的岩层层位关系及倾角按顺序铺设实验岩层形成模型并静置，在相邻岩层中布置电阻应变片；

(3)当模型强度与原岩强度差在阈值范围内时，模拟现场实际对原型的开采条件，准备对模型中的煤层进行开挖；

(4)根据对原型进行实际开挖时的推进速度和每次开挖的长度，设置对模型进行开挖的推进速度和每次开挖的长度，并且每次开挖结束后，放置40～80min再继续开挖；

(5)在对模型开挖的进行过程中，记录电阻应变片的检测数据，当各个电阻应变片的数据均不再变动或变动幅度均在阈值范围内时，模型达到应力平衡，使用相机拍摄模型应力平衡后裂隙发育的照片；

(6)将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形；

(7)将矢量图形导入COMSOL数值模拟软件并设为初始几何模型，调整几何模型大小，设定几何模型材料属性、边界条件；

(8)对设定好的几何模型进行网格剖分后求解计算，获得裂隙漏风风速和压力分布；

(9)将获得的裂隙漏风风速及压力分布与针对原型进行现场实测的各点的漏风数据进行对比分析，通过不断地调整几何模型的设计参数，从而获得与现场实测相吻合的裂隙漏风风速和压力分布规律，为封堵漏风通道提供参考。

2.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，电阻应变片布置在相邻两个岩层之间，在同一个水平检测平面内的电阻应变片呈网状布置，相邻两电阻应变片之间的水平距离为30cm，以采集检测数据。

3.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，判断模型强度与原岩强度差是否在阈值范围内，具体方法为：在铺设模型前，通过力学性能实验确定模拟材料达到与原岩力学性能差在阈值范围内时的含水量w₀；在模型铺设完成并静置一段时间后，测量模型材料的含水量w，当w＝w₀时，即可认为模型强度与原岩强度差在阈值范围内。

4.根据权利要求3所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，确定材料含水量的方法是称重法，具体为：取一定量的材料作为试样，使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m，在105℃的烘箱内将试样烘烤至恒重，再次使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m_s，计算含水量w＝m_s/m。

5.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形的方法为：利用计算机图形处理技术，通过包括图像滤波、锐化增强、图像分割、噪音过滤和检测细化在内的处理后，生成矢量化的裂隙数据，将矢量化的裂隙数据作为矢量图形。

6.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，材料属性包括流体密度ρ、流体动力粘度μ、裂隙周围煤岩体渗透率k和煤岩体孔隙率ε；边界条件的设定具体为：上部裂隙入口压力p₀设为大气压力，下部裂隙出口压力设为采空区侧压力，左右边界设为无流动边界。

7.根据权利要求6所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，裂隙周围煤岩体渗透率k和孔隙率ε的求解方法为：在模型平面上取上下相邻的四个位移监测点构成一个四边形ABCD，煤层开采，当上覆岩层发生塌陷后，四边形ABCD的面积由S变为S'：

计算煤岩体碎胀系数为：K_p＝S'/S；

根据煤岩体碎胀系数计算孔隙率为：

煤岩体渗透率k和孔隙率ε满足：

其中，d为破碎煤岩体粒径，C为系数。

8.根据权利要求7所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，几何模型按照如下方式进行描述：

1)裂隙区域内部不存在多孔介质，不属于渗流，采用Navier-Stokes方程描述：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂u}{\∂t}-\mathrm{\Δ\μ}(\mathrm{\Δ\μ}+{\left(\mathrm{\Δ\μ}\right)}^T)+\mathrm{\ρ\μ}\·\▿u+\▿p=F$

其中，ρ表示流体密度，u表示流体速度，μ表示流体动力粘度，p表示单位流体压力差，F单位流体体积力；

2)裂隙区域周围煤岩体处理为多孔介质，属于渗流，采用Darcy定律描述：

$q=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\▿p+\mathrm{\ρg}\▿Z)$

其中，μ表示流体动力粘度，k为煤岩体的渗透率，q流体流量，p为单位流体压力差，Z为高度改变量。