CN112903966A - 基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法 - Google Patents

基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法 Download PDF

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贾胜
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赵毅鑫
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling

Abstract

本发明提供了一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，包括地面钻井确定覆岩各岩层厚度，并进行取样；实验室采用单轴压缩方法实测各岩层弹性模量E、峰值应变εm、塑性应变εu以及残余弹性应变εe；根据煤层开采尺寸、煤层密度γ和光速C求出煤层开采总质能Es＝DLMγC2；根据能量守恒原则及已经发生损伤岩层的塑性损伤耗散能、残余应变弹性能和扰动区弹性应变能求出剩余能量Ec；判断剩余能量Ec与下一未损伤岩层的极限应变能Em之间的大小。本发明能够理清煤层开采覆岩损伤传导机理，预测开采造成的损伤扰动范围，为实现损伤控制提供基础。

Description

基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法
技术领域
本发明涉及煤层开采领域，具体涉及一种煤矿地下开采过程中覆岩损伤范围和传导机制的确定方法，尤其是一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法。
背景技术
中国井工煤矿规模由上世纪九十年代的百万吨级(100-300万吨/年)发展到本世纪初的千万吨级(1000-3000万吨/年)，开采集约化水平不断提高，成为提高煤矿安全保障程度、资源回收率和经济效益的重要途径。按照集约化开发布局，中国14个大型煤炭基地产量占全国的95％以上。高强度开采是集约化开采的重要方式，但带来的地表沉降快和变形大，进而损伤生态严重问题亟待解决。中国煤炭赋存与生态环境容量分布不均衡，“神东”矿区为代表的西部晋陕蒙宁甘煤炭产量占全国的3/4，但该区域生态脆弱、水资源匮乏，高强度开采加剧了矿区及周边的沙漠化、荒漠化。以“两淮”矿区为代表的东部矿区保障了华东地区能源供应，但高强度开采造成土地塌陷，造成矿业城市土地资源更加紧张。矿区地表生态损伤源于煤炭开采引起的覆岩变形、破断、运动造成的下位岩层采动损伤和由此造成的上位岩层和地表层传递损伤。但由于地下岩土层结构具有连续和非连续的介质特征，力学性质复杂，开采引起的“覆岩-地表”损伤(称为“开采损伤”)传导和控制模型难以建立。
综上所述，现有技术中存在以下问题：煤层开采覆岩损伤传导机理不清楚，损伤范围难以确定。
发明内容
本发明提供一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，以解决煤层开采覆岩损伤传导机理不清楚，损伤范围难以确定的问题。
为此，本发明提出一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，所述基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法包括以下步骤：
步骤a、针对研究矿井在地面向开采煤层打地面钻孔，针对覆岩每一层进行取样及厚度Hi的测量；
步骤b、对每一层岩样进行实验室单轴压缩试验，测量各岩层弹性模量E、峰值应变εm、塑性应变εu以及残余弹性应变εe；
步骤c、根据质能方程计算煤层开采释放的总能量Es，单位为焦耳，具体计算方法为Es＝DLMγC2，D为工作面长度，单位为米，L为工作面推进长度，单位为米，M为工作面采高，单位为米，γ为煤层密度，单位为kg/m3，C为光速，单位为km/s。
步骤d、根据能量守恒原则计算得出传导过程中损伤至第i层时的剩余能量Eci，剩余能量
Figure BDA0002906723880000021
Eu为损伤塑性耗散能、Ee为损伤区残余应变能、Er为扰动区弹性应变能；
步骤j、判断剩余能量Eci与i+1岩层的极限应变能Emi+1之间的大小。
进一步地，还包括：
步骤k、当Eci≥Emi+1时，第i+1岩层将发，生损伤，损伤能量继续往i+2岩层传递，回到步骤d继续计算剩余能量Ec+1，重新判断与i+2岩层极限应变能Emi+2之间的大小。
进一步地，还包括：
步骤j、当Eci<Emi+1时，i+1岩层不发生损伤，损伤传递停止，此时煤层开采造成的损伤范围至i岩层为止，进而计算出损伤范围总体积
Figure BDA0002906723880000022
进一步地，步骤d具体包括以下步骤：
步骤d1、首先计算第i层的损伤体积
Figure BDA0002906723880000023
其中
Figure BDA0002906723880000024
Figure BDA0002906723880000025
H为第i层岩层距开采煤层底板的距离，单位为米，Hi为第i层岩层的厚度，单位为米，θ为倾向损伤角，β为走向损伤角。
步骤d2、计算第i层的开采扰动体积
Figure BDA0002906723880000026
其中
Figure BDA0002906723880000027
Figure BDA0002906723880000028
θ1为倾向损伤角，β1为走向损伤角。
步骤d3、第i岩层的塑性耗散应变能
Figure BDA0002906723880000029
Ei和εui分别为第i层岩层的弹性模量和塑性应变；
步骤d4、第i岩层的损伤区残余弹性应变能
Figure BDA0002906723880000031
εsei为第i层岩层损伤区的残余弹性应变；
步骤d5、第i岩层的扰动区残余弹性应变能
Figure BDA0002906723880000032
εrei为第i层岩层扰动区的弹性应变；
步骤d6、第i+1岩层的极限应变能
Figure BDA0002906723880000033
εmi+1为第i+1岩层峰值应变，Vmi+1为第i+1层发生损伤后的损伤体积，与Vm计算方法相同。
随着煤炭开采技术与装备的提升，集约化、高强度开采已成为我国安全高效矿井的主要模式。但集约化高强度开采引发的覆岩、地表及生态损伤严重，修复难度大、成本高，是制约煤炭绿色开采的共性关键技术难题。而掌握高强度开采对覆岩和地表的损伤及传导机理、规律，进而从开采源头出发研发高效低成本修复技术，是解决这一问题的根本途径。
本发明通过地面钻井确定覆岩各岩层厚度，并进行取样；实验室采用单轴压缩方法实测各岩层弹性模量E、峰值应变εm、塑性应变εu以及残余弹性应变εe；根据煤层开采尺寸、煤层密度γ和光速C求出煤层开采总质能Es＝DLMγC2；根据能量守恒原则及已经发生损伤岩层的塑性损伤耗散能、残余应变弹性能和扰动区弹性应变能求出剩余能量Ec；判断剩余能量Ec与下一未损伤岩层的极限应变能Em之间的大小；当Ec≥Em时，该岩层发生损伤，损伤能量继续往上一岩层传递；当Ec<Em时，该岩层不发生损伤，损伤传递停止，此时覆岩开采造成的损伤范围最终传导至该岩层，进而可以求出损伤范围总体积Vm，该方法的实施能够理清煤层开采覆岩损伤传导机理，预测开采造成的损伤扰动范围，为实现损伤控制提供基础。
附图说明
图1为本发明的煤层开采损伤传导过程中损伤区域及扰动区域剖面示意图；
图2为本发明的第i层岩层损伤区域俯视示意图。
附图标号说明：
1、开采煤层；2、覆岩；3、开采损伤区；4、煤层回采空间；5、地面钻孔；6、开采扰动区；7、第i层岩层；8、第i+1层岩层；9、开采空间走向；10、开采空间倾向。
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。
如图1和图2所示，本发明的基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法具体包括以下步骤：
a、针对研究矿井在地面向开采煤层1打地面钻孔5，针对覆岩2每一层进行取样及厚度Hi的测量；
b、对每一层岩样进行实验室单轴压缩试验，测量各岩层弹性模量E(单位MPa)、峰值应变εm、塑性应变εu以及残余弹性应变εe；上述应变均无单位；
c、根据质能方程计算煤层1开采释放的总能量Es(单位J)，具体计算方法为Es＝DLMγC2，D为工作面长度，单位为米，L为工作面推进长度，单位为米，M为工作面采高，单位为米，γ为煤层密度，单位为kg/m3，C为光速，单位为km/s。
d、根据能量守恒原则计算得出传导过程中损伤至第i层7时的剩余能量Eci，剩余能量
Figure BDA0002906723880000041
单位J
e、第i岩层7的塑性耗散应变能
Figure BDA0002906723880000042
单位J，Ei和εui分别为第i层岩层7的弹性模量(单位MPa)和塑性应变；
f、第i岩层7的损伤区3残余弹性应变能
Figure BDA0002906723880000043
单位J，εsei为第i层岩层7损伤区3的残余弹性应变；
g、第i岩层7的扰动区6残余弹性应变能
Figure BDA0002906723880000044
单位J，εrei为第i层岩层7扰动区6的弹性应变；
h、第i层岩层7的损伤体积
Figure BDA0002906723880000045
如图2所示，其中
Figure BDA0002906723880000046
Figure BDA0002906723880000047
H为第i层岩层7距开采煤层1底板的距离，单位为米，Hi为第i层岩层7的厚度，单位为米，θ为倾向10损伤角，β为走向9b损伤角。a，a1，b和b1，单位均为米。
i、第i层岩层7的开采扰动体积
Figure BDA0002906723880000051
其中
Figure BDA0002906723880000052
Figure BDA0002906723880000053
θ1为倾向10扰动角，β1为走向9扰动角。
j、判断剩余能量Eci与i+1岩层8的极限应变能Emi+1之间的大小，
Figure BDA0002906723880000054
单位J，εmi+1为第i+1岩层8峰值应变，Vmi+1为第i+1层8发生损伤后的损伤体积，单位为m3，可根据步骤h进行计算；
k、当Eci≥Emi+1时，第i+1岩层8将发生损伤，损伤能量继续往i+2岩层11传递，回到步骤d继续计算剩余能量Eci+1，重新判断与i+2岩层11极限应变能Emi+2之间的大小；
j、当Eci<Emi+1时，i+1岩层8不发生损伤，损伤传递停止，此时煤层1开采造成的损伤区3范围至i岩层7为止，进而计算出损伤区3范围总体积
Figure BDA0002906723880000055
单位为m3。
本发明的实施有助于确定高强度开采覆岩传导规律，进而确定相应的损伤范围和扰动范围，为开采损伤修复提供支撑。
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 (4)

1.一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，所述基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法包括以下步骤：
步骤a、针对研究矿井在地面向开采煤层打地面钻孔，针对覆岩每一层进行取样及厚度Hi的测量；
步骤b、对每一层岩样进行实验室单轴压缩试验，测量各岩层弹性模量E、峰值应变εm、塑性应变εu以及残余弹性应变εe；
步骤c、根据质能方程计算煤层开采释放的总能量Es，单位为焦耳，具体计算方法为Es＝DLMγC2，D为工作面长度，单位为米，L为工作面推进长度，单位为米，M为工作面采高，单位为米，γ为煤层密度，单位为kg/m3，C为光速，单位为km/s。
步骤d、根据能量守恒原则计算得出传导过程中损伤至第i层时的剩余能量Eci，剩余能量
Figure FDA0002906723870000011
Eu为损伤塑性耗散能、Ee为损伤区残余应变能、Er为扰动区弹性应变能；
步骤j、判断剩余能量Eci与i+1岩层的极限应变能Emi+1之间的大小。
2.如权利要求1所述的基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，还包括：
步骤k、当Eci≥Emi+1时，第i+1岩层将发，生损伤，损伤能量继续往i+2岩层传递，回到步骤d继续计算剩余能量Ec+1，重新判断与i+2岩层极限应变能Emi+2之间的大小。
3.如权利要求1所述的基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，还包括：
步骤j、当Eci<Emi+1时，i+1岩层不发生损伤，损伤传递停止，此时煤层开采造成的损伤范围至i岩层为止，进而计算出损伤范围总体积
Figure FDA0002906723870000012
4.如权利要求1所述的基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，步骤d具体包括以下步骤：
步骤d1、首先计算第i层的损伤体积
Figure FDA0002906723870000013
其中
Figure FDA0002906723870000014
Figure FDA0002906723870000015
H为第i层岩层距开采煤层底板的距离，单位为米，Hi为第i层岩层的厚度，单位为米，θ为倾向损伤角，β为走向损伤角。
步骤d2、计算第i层的开采扰动体积
Figure FDA0002906723870000021
其中
Figure FDA0002906723870000022
Figure FDA0002906723870000023
θ1为倾向损伤角，β1为走向损伤角；
步骤d3、第i岩层的塑性耗散应变能
Figure FDA0002906723870000024
Ei和εui分别为第i层岩层的弹性模量和塑性应变；
步骤d4、第i岩层的损伤区残余弹性应变能
Figure FDA0002906723870000025
εsei为第i层岩层损伤区的残余弹性应变；
步骤d5、第i岩层的扰动区残余弹性应变能
Figure FDA0002906723870000026
εrei为第i层岩层扰动区的弹性应变；
步骤d6、第i+1岩层的极限应变能
Figure FDA0002906723870000027
εmi+1为第i+1岩层峰值应变，Vmi+1为第i+1层发生损伤后的损伤体积，与Vm计算方法相同。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104361211A (zh) * 2014-10-24 2015-02-18 中冶长天国际工程有限责任公司 岩石统计损伤本构模型的构建和应用方法
CN105044305A (zh) * 2015-06-25 2015-11-11 中国矿业大学(北京) 一种煤矿覆岩破断预测实验装置
CN106528965A (zh) * 2016-10-21 2017-03-22 重庆大学 工作面端头应力集中系数的获取方法
CN111382504A (zh) * 2020-02-28 2020-07-07 中国矿业大学 一种煤层采动覆岩沉降状态辨识方法
CN112096380A (zh) * 2020-01-17 2020-12-18 中国矿业大学(北京) 一种高强度开采岩层运移注浆控制及注浆量计算方法
CN112160752A (zh) * 2020-09-07 2021-01-01 山东建筑大学 巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106353836A (zh) * 2016-08-10 2017-01-25 三峡大学 一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法
CN107784150B (zh) * 2017-01-19 2020-11-24 中国石油大学(华东) 一种裂缝封闭性预测方法
CN109063257B (zh) * 2018-07-02 2019-04-26 山东科技大学 一种煤岩体分区注水渗流-损伤-应力耦合数值模拟方法
CN109798106B (zh) * 2018-11-13 2022-09-20 辽宁工程技术大学 一种冲击地压危险性的预测方法及防治措施
CN111007231B (zh) * 2019-12-23 2022-04-15 鞍钢集团矿业有限公司 一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法
CN111189711B (zh) * 2020-01-15 2023-03-21 西安理工大学 一种基于能量耗散的岩石屈服强度确定方法
CN112098523B (zh) * 2020-09-18 2024-02-09 玉溪矿业有限公司 一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104361211A (zh) * 2014-10-24 2015-02-18 中冶长天国际工程有限责任公司 岩石统计损伤本构模型的构建和应用方法
CN105044305A (zh) * 2015-06-25 2015-11-11 中国矿业大学(北京) 一种煤矿覆岩破断预测实验装置
CN106528965A (zh) * 2016-10-21 2017-03-22 重庆大学 工作面端头应力集中系数的获取方法
CN112096380A (zh) * 2020-01-17 2020-12-18 中国矿业大学(北京) 一种高强度开采岩层运移注浆控制及注浆量计算方法
CN111382504A (zh) * 2020-02-28 2020-07-07 中国矿业大学 一种煤层采动覆岩沉降状态辨识方法
CN112160752A (zh) * 2020-09-07 2021-01-01 山东建筑大学 巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
凌海秋 等: "《基础物理教程》", 30 August 2010 *
孟祥军 等: "《煤矿动力灾害防治理论与实践》", 30 June 2012 *
李全生 等: "基于采动空间守恒的西部矿区高强度开采损伤传导模型及应用", 《采矿与安全工程学报》 *

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