CN112883542A - 考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法 - Google Patents

考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，包括以下步骤：a、实测获得卸压开采各岩层力学参数，并进行相似模拟配比；b、采用相似模拟开采获得应力演化特征；c、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体；d、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征获得破碎煤岩体加载阶段，e、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力‑渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式、裂隙煤岩体第一次加卸载渗透率公式和第二次加载渗透率公式、完整岩体的第一次加卸载渗透率公式；f、构建卸压开采数值模型更新渗透率。

Description

考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法
技术领域
本发明涉及煤层开采领域，具体涉及一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法。
背景技术
对于高瓦斯煤层卸压开采覆岩渗透率发育情况的研究主要采用现场实测，实验室相似模拟及数值模拟研究。现场实测一般视为最直接可靠的描述覆岩裂隙及渗透率演化规律的手段，国内外均有大量使用。但是在很多情况下由于费用高，安全性差，可行性低等原因，不能全方位，大面积的进行测量，只能进行定点定性的分析。国内外很多学者采用实验室相似模拟或者数值模拟等手段结合现场观测进行覆岩裂隙发育及渗透率分布特征的研究。但数值模拟研究同样存在多种假设，参数的合理选取对模拟结果至关重要，因此，实验室不同损伤程度煤样应力渗透率研究成为数值模拟参数选取的基础。
综上可以看出，对于卸压开采过程中覆岩渗透率演化规律大多仍处于定性分析阶段，缺乏进一步的定量描述。现有的数值模拟方法主要通过围岩破坏情况间接的反映保护层开采对本煤层和被保护层瓦斯渗流的影响，或者根据经验直接设置渗透率的分布情况。
综上所述，现有技术中存在以下问题：深部高瓦斯煤层卸压开采过程中应力路径复杂多变、各区域损伤程度差别大，渗透率无法量化计算。
发明内容
本发明提供一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，以解决深部高瓦斯煤层卸压开采过程中应力路径复杂多变、各区域损伤程度差别大、渗透率无法量化计算的问题。
为此，本发明提出一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，包括以下步骤：
步骤a、实测获得卸压开采各岩层力学参数，并进行相似模拟配比；
步骤b、采用相似模拟开采获得卸压开采过程中各区域的应力演化特征；
步骤c、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体，破碎煤岩体位于垮落带，裂隙煤岩体位于裂隙带，弹性煤岩体位于弯曲下沉带；
步骤d、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征设计渗透率测试的应力路径，获得破碎煤岩体加载阶段，其中裂隙煤岩体为卸载-加载阶段，弹性煤岩体为加载-卸载阶段；
步骤e、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式、裂隙煤岩体第一次加卸载渗透率公式和第二次加载渗透率公式、完整岩体的第一次加卸载渗透率公式；
步骤f、构建卸压开采数值模型，在模拟过程中根据获得的不同应力状态、不同损伤程度煤岩体的渗透率公式更新渗透率。
进一步地，步骤f中，在模拟过程中利用FISH语言更新渗透率。
进一步地，步骤f中，在模拟过程中利用FISH语言更新渗透率具体包括：
步骤f1、首先判断卸压开采过程中覆岩所处分区；
步骤f2、判断为弯曲下沉带的块体进一步判断块体的膨胀变形，当膨胀变形大于等于0.3％时，则认为该区域处于离层裂隙带；
步骤f3、损伤程度判断完毕后，进一步判断块体所处的加卸载状态；
步骤f4、加卸载判断完毕后，进一步判断块体所经历的加卸载次数；
步骤f5、判断为垮落带的块体的水平渗透率和垂直渗透率均采用破碎煤岩体渗透率模型计算；
步骤f6、判断为裂隙带的块体的水平渗透率和垂直渗透率均采用裂隙煤岩体渗透率模型计算；
步骤f7、判断为离层裂隙带的块体的水平渗透率采用裂隙煤岩体渗透率模型计算，垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型；
步骤f8、膨胀变形小于0.3％的弹性块体的水平渗透率和垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型。
进一步地，步骤f1中，垮落带分区根据采高和直接顶系数在模拟过程中直接设置；裂隙带分区则根据模拟过程中的弹塑性状态判断：其中，弹性区属于弯曲下沉带，塑性区属于裂隙带。
进一步地，步骤f1中，垮落带分区确定采用如下方法：
f11、根据直接顶单轴抗压强度对直接顶分成3类，分别是：Ⅰ类，单轴抗压强度大于40MPa；Ⅱ类，单轴抗压强度在20～40MPa；和Ⅲ类，单轴抗压强度小于20MPa；
f12、Ⅰ类直接顶c1，c2和c3分别为2.1、16和2.5
f13、Ⅱ类直接顶c1，c2和c3分别为4.7、19和2.2
f14、Ⅲ类直接顶c1，c2和c3分别为6.2、32和1.5
f15、根据公式
Figure BDA0002893182500000031
计算获得垮落带范围高度H1。
进一步地，具体包括以下步骤：
步骤S1、实测获得卸压开采各岩层力学参数，并进行相似模拟配比；
步骤S2、采用相似模拟开采获得卸压开采过程中各区域的应力演化特征；
步骤S3、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体，破碎煤岩体位于垮落带，裂隙煤岩体位于裂隙带，弹性煤岩体位于弯曲下沉带；
步骤S4、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征设计渗透率测试的应力路径，获得破碎煤岩体加载阶段，裂隙煤岩体为卸载-加载阶段，弹性煤岩体是加载-卸载阶段；
步骤S5、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式、裂隙煤岩体第一次加卸载渗透率公式和第二次加载渗透率公式、完整岩体的第一次加卸载渗透率公式；
步骤S6、构建卸压开采数值模型，在模拟过程中运行利用FISH语言更新渗透率；
步骤S7、首先判断卸压开采过程中覆岩所处分区，垮落带分区根据公式
Figure BDA0002893182500000032
计算获得；
根据直接顶单轴抗压强度对直接顶进行分类：Ⅰ类，单轴抗压强度大于40MPa；Ⅱ类，单轴抗压强度在20～40MPa；Ⅲ类，单轴抗压强度小于20MPa；Ⅰ类直接顶c1，c2和c3分别为2.1、16和2.5；Ⅱ类直接顶c1，c2和c3分别为4.7、19和2.2；Ⅲ类直接顶c1，c2和c3分别为6.2、32和1.5；其中，c1是硬岩垮落系数，c2是中硬岩垮落系数，c3是软岩垮落系数；
步骤S8、裂隙带分区则根据模拟过程中的弹塑性状态判断：弹性区属于弯曲下沉带，塑性区属于裂隙带。
步骤S9、判断为弯曲下沉带的块体进一步判断块体的膨胀变形，当膨胀变形大于等于0.3％时，则认为该区域处于离层裂隙带；
步骤S10、损伤程度判断完毕后，进一步判断块体所处的加卸载状态；
步骤S11、加卸载判断完毕后，进一步判断块体所经历的加卸载次数；
步骤S12、判断为垮落带的块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率均采用破碎煤岩体渗透率模型计算；
步骤S13、判断为裂隙带的块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率均采用裂隙煤岩体渗透率模型计算；
步骤S14、判断为离层裂隙带的块体的水平渗透率采用裂隙煤岩体渗透率模型计算，垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型；
步骤S15、膨胀变形小于0.3％的弹性块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型。
本发明涉及深部高瓦斯煤层卸压开采效果评价方法中的渗透率计算方法，本发明按照覆岩“三带”损伤裂隙煤岩体特征将煤岩体进行分类并进行了循环加卸载应力-渗透率实验得到了不同加卸载阶段不同损伤程度煤样渗透率的拟合公式，从而建立了卸压开采覆岩渗透率更新模型。本发明对于卸压开采过程中覆岩渗透率演化规律实现了定量分析，能够准确高效的实现卸压开采覆岩渗透率的更新，对卸压开采效果评价及瓦斯抽采具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的覆岩渗透率更新方法的工作原理流程图；
图2为本发明的覆岩损伤分区示意图；
图3为本发明的破碎岩样的拟合曲线；
图4为本发明的裂隙煤样的拟合曲线；
图5为本发明的完整煤样的拟合曲线。
附图标号说明：
1、采煤工作面；2、保护层；3、垮落带；4、裂隙带；5、弯曲下沉带；6、地表；7、直接顶；8、离层裂隙带；9、被保护层。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明。
本发明通过实验室实测获得卸压开采矿井各岩层力学参数，运用相似模拟获得采空区垮落带、裂隙带和弯曲下沉带内煤岩层的应力路径。按照覆岩损伤程度将煤岩体分成完整煤岩体(弯曲下沉带以上)、裂隙煤岩体(裂隙带)和破碎煤岩体(垮落带)。根据实际采动应力路径实测不同损伤岩体的应力-渗透率演化规律，获得加卸载条件下不同损伤程度渗透率模型。基于不同加卸载阶段不同损伤程度渗透率模型利用FISH语言嵌入至FLAC3D数值模拟软件中对其进行二次开发。采用开发的数值模型进行卸压开始数值模拟，并实时判断岩体损伤程度和加卸载状态更新渗透率模拟卸压开采过程中渗透率与瓦斯压力的演化规律，进而评价被保护层的卸压效果及卸压范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，具体如下：
a、实测获得卸压开采各岩层力学参数，包括保护层2和被保护层9，并进行相似模拟配比；
b、采用相似模拟开采获得卸压开采过程中各区域的应力演化特征；
c、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体，破碎煤岩体位于垮落带3、裂隙煤岩体位于裂隙带4、弹性煤岩体位于弯曲下沉带5；
d、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征设计渗透率测试的应力路径，获得破碎煤岩体加载阶段，裂隙煤岩体卸载-加载阶段，弹性煤岩体加载-卸载阶段；
e、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000051
裂隙煤岩体第一次加载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000052
第一次卸载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000053
和第二次加载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000054
完整岩体的第一次加载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000055
第一次卸载渗透率公式
Figure BDA0002893182500000056
公式中k1为渗透率，单位md，σ1为有效应力，单位MPa。
上述公式可以按照建立模型和拟合得到，例如具体过程如下：
基于火柴棍模型，建立了同样适用于本文不规则裂隙煤岩体以及孔隙煤岩体的渗透率模型。为了使得拟合出来的公式尽量覆盖整个有效应力范围，将模型中初始应力状态假设为0，该处的渗透率也由拟合曲线得出。3个模型具体拟合公式如下：
Figure BDA0002893182500000061
式中，kf0为应力状态为0时的渗透率；cf0是原始裂隙的压缩系数，αf是裂隙压缩系数随有效应力的改变比率，σ1为有效应力，单位MPa。
基于火柴棍模型图提出了基于有效应力的渗透率理论模型：
Figure BDA0002893182500000062
式中，kf为煤层节理裂隙的渗透率；cf为裂隙压缩系数；σ1为有效应力；kf0，σ10为初始状态的渗透率及有效应力，σ10单位为MPa。
裂隙压缩系数cf并不是一个定值，随着有效应力的变化而变化，一般利用数据拟合得出的平均裂隙压缩系数
Figure BDA0002893182500000063
来代替：
Figure BDA0002893182500000064
式中，cf0是原始裂隙的压缩系数，αf是裂隙压缩系数随有效应力的改变比率。将式(5-2)带入式(5-1)得到简化公式：
Figure BDA0002893182500000065
根据公式(1)结合实验室不同应力条件下渗透率的测试数据拟合获得不同加卸载不同损伤程度的渗透率公式，具体如图3、图4和图5所示。
f、构建卸压开采数值模型，在模拟过程中运行利用FISH语言更新渗透率；
g、首先判断卸压开采过程中覆岩所处分区，垮落带3分区根据公式
Figure BDA0002893182500000066
计算获得(该公式根据以往实测数据统计获得，为经验公式)。根据直接顶7单轴抗压强度对直接顶7进行分类：Ⅰ类(单轴抗压强度大于40MPa)、Ⅱ类(单轴抗压强度在20～40MPa)和Ⅲ类(单轴抗压强度小于20MPa)。Ⅰ类直接顶c1，c2和c3分别为2.1、16和2.5；Ⅱ类直接顶c1，c2和c3分别为4.7、19和2.2；Ⅲ类直接顶c1，c2和c3分别为6.2、32和1.5；其中，c1是硬岩垮落系数，c2是中硬岩垮落系数，c3是软岩垮落系数；
h、裂隙带4分区则根据模拟过程中的弹塑性状态判断：弹性区属于弯曲下沉带5，塑性区属于裂隙带4。
i、判断为弯曲下沉带5的块体进一步判断块体的膨胀变形，当膨胀变形大于等于0.3％时，则认为该区域处于离层裂隙带8；
j、损伤程度判断完毕后，进一步判断块体所处的加卸载状态；
k、加卸载判断完毕后，进一步判断块体所经历的加卸载次数；
l、判断为垮落带3的块体水平和垂直渗透率均采用破碎煤岩体渗透率模型计算；
m、判断为裂隙带4的块体水平和垂直渗透率均采用裂隙煤岩体渗透率模型计算；
n、判断为离层裂隙带8的块体水平渗透率采用裂隙煤岩体渗透率模型计算，垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型；
o、膨胀变形小于0.3％的弹性块体水平和垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型。
本发明按照覆岩“三带”损伤裂隙煤岩体特征将煤岩体进行分类并进行了循环加卸载应力-渗透率实验得到了不同加卸载阶段不同损伤程度煤样渗透率的拟合公式，从而建立了卸压开采覆岩渗透率更新模型，能够高效快速精确的更新渗透率。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，所述考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法包括以下步骤：
步骤a、实测获得卸压开采各岩层力学参数，并进行相似模拟配比；
步骤b、采用相似模拟开采获得卸压开采过程中各区域的应力演化特征；
步骤c、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体，破碎煤岩体位于垮落带，裂隙煤岩体位于裂隙带，弹性煤岩体位于弯曲下沉带；
步骤d、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征设计渗透率测试的应力路径，获得破碎煤岩体加载阶段，其中裂隙煤岩体为卸载-加载阶段，弹性煤岩体为加载-卸载阶段；
步骤e、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式、裂隙煤岩体第一次加卸载渗透率公式和第二次加载渗透率公式、完整岩体的第一次加卸载渗透率公式；
步骤f、构建卸压开采数值模型，在模拟过程中根据获得的不同应力状态、不同损伤程度煤岩体的渗透率公式更新渗透率。
2.如权利要求1所述的考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，步骤f中，在模拟过程中利用FISH语言更新渗透率。
3.如权利要求2所述的考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，步骤f中，在模拟过程中利用FISH语言更新渗透率具体包括：
步骤f1、首先判断卸压开采过程中覆岩所处分区；
步骤f2、判断为弯曲下沉带的块体进一步判断块体的膨胀变形，当膨胀变形大于等于0.3％时，则认为该区域处于离层裂隙带；
步骤f3、损伤程度判断完毕后，进一步判断块体所处的加卸载状态；
步骤f4、加卸载判断完毕后，进一步判断块体所经历的加卸载次数；
步骤f5、判断为垮落带的块体的水平渗透率和垂直渗透率均采用破碎煤岩体渗透率模型计算；
步骤f6、判断为裂隙带的块体的水平渗透率和垂直渗透率均采用裂隙煤岩体渗透率模型计算；
步骤f7、判断为离层裂隙带的块体的水平渗透率采用裂隙煤岩体渗透率模型计算，垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型；
步骤f8、膨胀变形小于0.3％的弹性块体的水平渗透率和垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型。
4.如权利要求1所述的考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，步骤f1中，垮落带分区根据采高和直接顶系数在模拟过程中直接设置；裂隙带分区则根据模拟过程中的弹塑性状态判断：其中，弹性区属于弯曲下沉带，塑性区属于裂隙带。
5.如权利要求1所述的考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，步骤f1中，垮落带分区确定采用如下方法：
f11、根据直接顶单轴抗压强度对直接顶分成3类，分别是：Ⅰ类，单轴抗压强度大于40MPa；Ⅱ类，单轴抗压强度在20～40MPa；和Ⅲ类，单轴抗压强度小于20MPa；
f12、Ⅰ类直接顶c1，c2和c3分别为2.1、16和2.5
f13、Ⅱ类直接顶c1，c2和c3分别为4.7、19和2.2
f14、Ⅲ类直接顶c1，c2和c3分别为6.2、32和1.5
f15、根据公式
Figure FDA0002893182490000021
计算获得垮落带范围高度H1。
6.如权利要求1所述的考虑采动应力路径与围岩损伤程度的覆岩渗透率更新方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、实测获得卸压开采各岩层力学参数，并进行相似模拟配比；
步骤S2、采用相似模拟开采获得卸压开采过程中各区域的应力演化特征；
步骤S3、根据卸压开采覆岩损伤度将覆岩分为破碎煤岩体、裂隙煤岩体和弹性煤岩体，破碎煤岩体位于垮落带，裂隙煤岩体位于裂隙带，弹性煤岩体位于弯曲下沉带；
步骤S4、根据卸压开采过程中不同区域的应力演化特征设计渗透率测试的应力路径，获得破碎煤岩体加载阶段，裂隙煤岩体为卸载-加载阶段，弹性煤岩体是加载-卸载阶段；
步骤S5、采用渗透率测试系统分别进行不同损伤程度煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体加载渗透率公式、裂隙煤岩体第一次加卸载渗透率公式和第二次加载渗透率公式、完整岩体的第一次加卸载渗透率公式；
步骤S6、构建卸压开采数值模型，在模拟过程中运行利用FISH语言更新渗透率；
步骤S7、首先判断卸压开采过程中覆岩所处分区，垮落带分区根据公式
Figure FDA0002893182490000031
计算获得；
根据直接顶单轴抗压强度对直接顶进行分类：Ⅰ类，单轴抗压强度大于40MPa；Ⅱ类，单轴抗压强度在20～40MPa；Ⅲ类，单轴抗压强度小于20MPa；Ⅰ类直接顶c1，c2和c3分别为2.1、16和2.5；Ⅱ类直接顶c1，c2和c3分别为4.7、19和2.2；Ⅲ类直接顶c1，c2和c3分别为6.2、32和1.5；
步骤S8、裂隙带分区则根据模拟过程中的弹塑性状态判断：弹性区属于弯曲下沉带，塑性区属于裂隙带。
步骤S9、判断为弯曲下沉带的块体进一步判断块体的膨胀变形，当膨胀变形大于等于0.3％时，则认为该区域处于离层裂隙带；
步骤S10、损伤程度判断完毕后，进一步判断块体所处的加卸载状态；
步骤S11、加卸载判断完毕后，进一步判断块体所经历的加卸载次数；
步骤S12、判断为垮落带的块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率均采用破碎煤岩体渗透率模型计算；
步骤S13、判断为裂隙带的块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率均采用裂隙煤岩体渗透率模型计算；
步骤S14、判断为离层裂隙带的块体的水平渗透率采用裂隙煤岩体渗透率模型计算，垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型；
步骤S15、膨胀变形小于0.3％的弹性块体的水平垂直渗透率和垂直渗透率采用弹性煤岩体渗透率计算模型。
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