CN105223337A - 采空区裂隙圈形态的三维模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，包括根据煤层和覆岩之间的空间相似比和煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；并利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中采空区顶板及底板的应力变化以及动态电阻应变仪进行数据记录；在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；根据统计的裂隙数据，利用三维软件绘制采空区裂隙圈形态模拟图。本发明的有益效果是，通过三维方式模拟采空区裂隙发育形态，便于准确确定抽采孔位置。

Description

采空区裂隙圈形态的三维模拟方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽采领域，特别是一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法。

背景技术

矿井采掘空间的瓦斯来源主要是工作面和采空区涌出瓦斯以及邻近层涌入瓦斯，由于综采面多为长壁式回采工作面,而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的30～40％以上，多者达70～80％，采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁，因此被迫停产。

我国非常重视对采空区瓦斯运移规律的研究，在采空区瓦斯抽放技术以及抽放工艺方面已经取得了丰富的经验，但仍存在着一些问题，如采空区抽采效果普遍很差，抽采率低等问题。分析其原因，是因为抽采钻孔布置不合理，没有系统研究采空区裂隙分布的规律。因此，开展对采空区裂隙形态分布的研究，对煤矿安全生产以及实现煤与瓦斯共采的有着非常重要的现实意义。

在煤矿开采之前，岩层处于原岩应力状态。随着煤矿的开采，形成了地下空间，打破了岩体的原始应力状态，造成了岩体应力重新分布。在岩体应力重新分布的过程中，岩体发生变形，移动甚至破坏，从而在工作面前方和巷道两侧煤壁形成应力集中区。根据矿山压力理论，随着采煤工作面的不断推进，采动应力在采煤工作面后垂直方向形成了“竖三带”，由下向上分别为垮落带、断裂带和弯曲带。在水平方向上形成“横三区”，沿工作面推进方向分别为重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区。同时，随着采煤工作面的推进，采空区裂隙形态不断的发生变化。因此，传统的瓦斯抽采钻孔方法很难正确确定钻孔位置。

一些学者通过二维相似模拟，数值模拟等方法来确定采空区的裂隙分布，由于二维尺度的相似模拟不能准确反映出采场应力变化，数值模拟又缺乏试验验证，这些方法都不能准确的反映出采空区裂隙形态分布状况，从而对采空区钻孔位置确定指导有限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其通过三维模拟方式可全面模拟采空区裂隙发育形态，并通过采动过程模拟和对采空区顶板应力变化数据动态采集，获得采空区裂隙圈的形态，以便更加准确的确定抽采孔的钻孔位置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；

第二步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中采空区顶板及底板的应力变化，利用动态电阻应变仪进行数据记录；

第三步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；

第四步，绘制采空区裂隙圈形态模拟图：根据统计的裂隙数据，利用三维软件绘制采空区裂隙圈形态模拟图。

采用前述技术方案的本发明，由于采用了三维模拟方式对煤岩体裂隙场演化规律，因此，可获得更加接近实际情况的煤层底板变形、跨落、采场围岩裂隙形成及分布规律，同时，可进一步总结岩体内部移动规律。本试验的三维应力条件通过“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”对模拟试验体进行加载实现。该系统于2012年8月1日公开，其中国专利公开号为：CN102621232A，其可提供三向不等应力环境。当然本试验可以采用其他可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。以利用现有试验条件进行模拟，降低模拟试验成本，减少试验准备时间，缩短试验周期。其中，绘制采空区裂隙圈形态模拟图的三维软件包括现有的CAD、UG、PROE、CATIA等。

优选的，所述模拟试验体的煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。以提高模拟的精确度和准确性。

优选的，所述模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟。以提高模拟的精确度和准确性。

进一步优选的，所述时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。以便通过熔化速度控制获时间相似比模拟的可控性，提高模拟的可靠性。

进一步优选的，所述模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进。以可控和可靠的实现空间和时间参数模拟。

进一步优选的，用于所述电加热熔化的发热电阻分别被埋设在相应模拟煤层的试块中。以便模拟煤层按设定区域和速度熔化，更进一步提高模拟的精确度和准确性。

更进一步优选的，所述发热电阻的阻值可调节。以方便利用现有技术中的可调阻值的发热电阻实现时间比模拟，提高模拟试验的方便性、精确度和准确性。

优选的，在所述模拟试验体的采空区顶板及底板裂隙数据统计的步骤中还包括：

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，测量并记录模拟岩层之间离层量的大小。

优选的，所述模拟岩层之间离层量大小的测量工具为塞尺。提高模拟试验的方便性，提高试验效率，缩短试验周期。

本发明的有益效果是，煤岩体裂隙场演化规律三维相似模拟实验的主要目的为研究煤层底板变形、跨落、采场围岩裂隙形成及分布规律，同时总结岩体内部移动规律。该试验为三维相似模拟试验，能够更全面的模拟采空区裂隙发育形态，同时采用变功率加热电阻能够更加真实的模拟采动过程。并在模拟开挖过程中通过动态电阻应变仪对采空区顶板应力变化数据进行采集。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

图2是通过本发明方法获得的采动条件下采空区上覆岩层离层裂隙分布形态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1，一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，包括以下步骤：

第一步，煤层及其覆岩基本参数测定：根据现场工况测定开采工作面的煤层长度、宽度和倾角的基本空间数据；测定开采前工作面地应力及回采速度，以及工作面上覆岩层及底板岩层各层的厚度及物理力学性质；

其中，工作面上的煤层上覆岩层及底板岩层物理性质的测定通过在现场钻取各层位岩芯后带回实验室，再利用岩石力学试验机进行其物理力学性质的测定；

第二步，三维相似模拟试验体制作：根据第一步的实测数据，确定应力、煤层和顶板及底板之间的空间相似比，以及煤层回采速度确定的工作面推进的时间相似比，并换算出模拟顶板及底板的材料的厚度、容重、抗压强度，确定材料配比，以及模拟煤层的石蜡大小及熔化加热功率等，制作三维相似模拟试验体；

其中，模拟试验体制作成400mm×400mm×1200mm的长方体，模拟试验体中的上下覆岩层或称顶板、底板均采用不同混合比的水泥、石膏和砂子固结模拟不同性质的岩层，模拟试验体岩层采用逐层堆积的方式形成，在相邻模拟岩层之间撒少许云母粉以减少层间强度，并在距离模拟煤层顶板7cm和18cm深度处自开切眼处每隔15cm预埋一电阻应力传感器；煤层由多个长方体的石蜡试块模拟，利用石蜡试块所占用空间模拟空间相似比，各个石蜡试块内均埋设一设定阻值范围且阻值可调节的发热电阻；

在三维相似模拟试验体的制作前，应根据现场工作面的空间及各岩层实测数据计算相似比，计算方式如下：

(1)计算单个岩层中所需材料的总质量G(kg)，即

G＝(lwhγ_m×10³)/g

式中：γ_m为模型材料的容重；g为重力加速度，g＝9.8kN/m³；l、w、h分别为模拟试验体的长、宽、高，单位为m。

(2)单个岩层中需要某种材料的质量为m_i(kg)，即

m_i＝G×R_i

式中：R_i为某种材料在该层中总质量的比例，例如配比号为ABC，ABC分别为用阿拉伯数字代表的砂子、石膏和水泥的配比代号，其中C＝(10-B)，即BC为两个互补数；则相应材料在该层中总质量的比例按以下计算规则计算：

模型中砂子比例R_A＝A/(A+1)；石膏的比例为R_B＝B/[10×(A+1)]；碳酸钙比例为R_C＝C/[10×(A+1)]；

第三步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，通过“多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统”对三维相似模拟试验体进行加载，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中采空区顶板及底板的应力变化，并利用动态电阻应变仪进行数据记录；

其中，包括三维相似模拟试验体安装步骤和压力施加步骤；

三维相似模拟试验体安装步骤包括：用葫芦吊或行车将已在底部反作用板上堆积制作成形的三维相似模拟试验体和底部反作用板一起吊至多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统的压力加载装置的底座上，利用液压油缸和压杆将试验体和底部反作用板一同推至后方卡槽并与侧向压头对齐，然后在试验体顶部和压力加载装置的上压头之间放上顶端反作用钢板，并在试验体和压力加载装置的侧面压头之间、试验体与压力加载装置的侧面反作用架之间放上反作用钢板，再用行吊将压力加载装置的Y方向反作用架吊至压力加载装置的底座上，用螺丝将其固定在底座上并在试验体和压力加载装置的后压头之间、试验体与Y方向反作用架之间放上前后反作用钢板；

压力施加包括：先用位移控制方式使得上方、侧向、后方压头与反作用钢板之间、试验体与反作用钢板之间互相接触，再根据工作面现场实测的地应力通过相似比的计算结果对试验体施加对应三向应力环境。

第四步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；包括，

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，即在试验体顶端较小扰动处打钻孔至石蜡熔化后的空腔部分，在钻孔内加入示踪剂，使其在试验体的裂隙中充分的分散开；并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；包括利用钻孔电视对孔内进行窥探，记录下水平面内不同坐标的钻孔电视数据，在数据中统计出同一坐标不同层位的离层量；通过钻孔电视观测钻孔内部离层及垮落情况；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，测量并记录模拟岩层之间离层量的大小；包括切除时采用梯形台的方式进行逐块切除，每切除一层测量下一层水平内的裂隙发育形态，测量方法采用塞尺测量裂隙的开度，卷尺或皮尺测量裂隙的长度，量角器测量裂隙延伸的角度，并拍照在图中绘出；

第四步，绘制采空区裂隙圈形态模拟图：根据统计的裂隙数据，利用CAD、UG、PROE或CATIA等三维软件绘制采空区裂隙圈形态模拟图；包括对记录结果进行素描及分形维数统计，建立数字模型定量描述采空区裂隙分布；为进一步研究采空区瓦斯运移及富集规律，矿井瓦斯灾害防治，采空区瓦斯抽采钻孔布置以及煤与瓦斯共采技术提供重要依据。

通过前述方法获得的采动条件下采空区上覆岩层离层裂隙分布形态如图2所示。其中，图中数字代表离层边界处距开采面高度，从图中可以看出，采空区上方可以分为边界离层区、切眼离层区、重新压实区和离层发育区，采动破坏裂隙圈在较低位覆岩呈“圆角矩形”形态；随高度增加，中高位覆岩裂隙分布趋于“O型”形态。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (10)

1.一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；

第二步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中，采空区顶板及底板的应力变化，以及利用动态电阻应变仪进行数据记录；

第三步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；

第四步，绘制采空区裂隙圈形态模拟图：根据统计的裂隙数据，利用三维软件绘制采空区裂隙圈形态模拟图。

2.根据权利要求1所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟试验体的模拟煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。

3.根据权利要求2所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟。

4.根据权利要求3所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。

5.根据权利要求4所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进。

6.根据权利要求5所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，用于所述电加热熔化的发热电阻分别被埋设在相应模拟煤层的试块中。

7.根据权利要求6所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述发热电阻的阻值可调节。

8.根据权利要求1所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，在所述模拟试验体的采空区顶板及底板裂隙数据统计的步骤中还包括：

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，测量并记录模拟岩层之间离层量的大小。

9.根据权利要求8所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟岩层之间离层量大小的测量工具为塞尺。

10.根据权利要求1所述的采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其特征在于，所述三维应力条件由可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。