CN113742940B - 一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法，具体包括以下步骤：三维数值模型计算、块散组合体本构关系推演、采动卸压位置应力边界时空演化过程确定和卸压边界时空曲线簇绘制。本发明充分考虑了时间和空间因素对卸压边界的影响，可以保证采动卸压边界的真实性和客观性，能够获得更为准确的采动卸压边界，这对于确定被保护层消突范围具有重要意义。

Description

一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法

技术领域

本发明涉及安全工程技术领域，特别是涉及一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法。

背景技术

在煤炭开采过程中瓦斯灾害依旧是煤矿的主要灾害之一，极易造成群死群伤，社会影响极大，煤与瓦斯突出是其中典型的瓦斯灾害之一，随着煤炭开采向深部推进，煤层地应力、瓦斯压力显著增大，渗透率逐渐降低，岩体的流变特性更加明显，更易发生煤与瓦斯突出。卸压开采是煤与瓦斯突出防治最有效最经济的方法，卸压边界的准确判定对于确定邻近煤层卸压范围有至关重要的影响。目前，卸压边界的确定主要通过特定岩层顶底板相对位移量的测量或者采用弹性波瞬变电磁法来间接测量，上述方法测定的卸压边界不准确，难以有效确定消突范围。

因此，亟需开发一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法，以解决现有的卸压边界不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法，具体包括以下步骤：

S1、构建工作面的三维数值计算模型，并对所述三维数值计算模型进行开采计算，获取覆岩的初始应力分布；

S2、推演采动下垮落带与裂隙带形成的覆岩块散组合体的考虑时间因素的本构关系，即卸压边界位置不同岩层的本构关系；

S3、计算所述覆岩块散组合体水平推力沿煤层倾向的分布，获得卸压边界位置的应力边界条件；

S4、将所述应力边界条件代入卸压边界位置不同岩层的本构关系中进行解算，得到卸压边界位置的应力随时间演化规律；

S5、取特定时间内垮落带、裂隙带内块散组合体的水平推力分布，进而获得卸压边界位置的应力边界条件，最终获得不同层位岩层的卸压位置，将其连成线，即可获得特定时间的卸压边界分布；

S6、基于所述S5，并取不同时间点，从而获得不同时刻的卸压边界曲线，即卸压边界动态演化时空曲线簇。

优选的，所述S1具体为：

S1.1、根据工作面的地质条件，构建三维数值计算模型；

S1.2、确定所述三维数值计算模型的相关参数，对所述三维数值计算模型进行开挖计算；

S1.3、基于所述S1.1～S1.2，获取煤岩体的初始应力分布。

优选的，所述三维数值计算模型采用摩尔-库伦屈服准则进行相关参数计算。

优选的，所述S2具体为：

S2.1、通过岩石力学实验仪器，得到所述覆岩块散组合体在应力恢复过程中岩层位移随时间的演化关系式；

S2.2、通过3D-DIC装置在像素级别上观察所述覆岩块散组合体在径向变形场的变化，并计算其径向应力，以此确定本构关系中的拟合参数，从而得到所述覆岩块散组合体的本构关系。

优选的，所述S3具体为：

S3.1、基于所述初始应力分布，建立覆岩卸压力学模型；

S3.2、对达到初始平衡后的所述覆岩力学模型进行工作面开采，获得垂直应力云图和位移云图，进而得到上层的垂直应力分布；

S3.3、利用摩擦系数计算上层岩层摩擦力，通过累加岩层厚度计算出下层岩层摩擦力，再通过水平推力，计算出覆岩块散组合体一侧断裂块体的水平推力；然后通过覆岩块散组合体由一侧断裂块体向每层的水平推力进行循环迭代，得到卸压位置应力值空间演化过程，即卸压边界位置的应力边界条件。

优选的，所述S4具体为：

S4.1、将所述应力边界条件代入所述卸压边界位置不同岩层的本构关系中进行解算，得到各岩层边界卸压范围量化表达式；

S4.2、将实际垂直应力作为参量，构建典型组合体扰动损伤流变力学模型，即所述覆岩块散组合体的应力随时间演化的规律。

优选的，所述S6具体为：

S6.1、通过所述典型组合体扰动损伤流变力学模型，逐层计算某一时刻所述裂隙带和垮落带内各层岩层的水平推力；

S6.2、将各层的实际垂直应力进行叠加，得到卸压边界位置处的垂直应力，结合所述S6.1得到的水平推力，计算卸压边界位置处煤岩实际应力，在各层卸压范围内选取实际应力等于原岩应力的点；

S6.3、将所述S6.2得到的点进行连接，得到一条覆岩组合体卸压边界动态演化曲线；

S6.4、取不同时刻得到的覆岩组合体卸压边界动态演化曲线，得到覆岩组合体的卸压边界动态演化曲线簇。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明充分考虑了空间和时间因素对卸压边界的影响，以采空区中心点为计算中心分别计算卸压边界位置的应力条件，然后代入本构模型获得不同时期的卸压边界簇，实现对采动卸压边界进行进一步准确估计，基本保障了采动卸压边界的真实性和客观性，能够获得较为真实的采动卸压边界，这对于消除煤与瓦斯突出危险性具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的两带覆岩组合体卸压边界时空演化模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-2所示，本发明提出一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法，选取特定矿井作为研究对象，收集相关的矿区地质和开采数据，确定卸压位置应力边界演化特征，代入组合体扰动损伤流变力学模型中，得出特定时间特定采动条件下的卸压边界曲线。

具体包括以下步骤：

S1、构建工作面的三维数值计算模型，并通过所述三维数值计算模型进行开采计算，得到覆岩初始应力分布；

以实际工作面地质条件为依据，建立三维数值计算模型，并通过摩尔-库伦屈服准则来进行相关参数计算，确定该模型的几何尺寸倾向、走向、垂直高度等参数和保护层工作面的采高，并分析获取覆岩的应力变化，即初始应力分布；

S2、将采动下垮落带与裂隙带形成的覆岩散块组合体作为研究对象，推演其考虑时间因素的本构关系，即卸压边界位置不同岩层的本构关系；

在垮落带与裂隙带形成的覆岩组合体中取单个的块散连接组合体试样，通过岩石力学实验仪器，对块散连接组合体试样持续加载轴向压力至固定值，并持续施压一定时间，观察试样位移情况，并将试样位移情况作为因变量，时间作为自变量进行拟合，从而得到应力恢复过程中岩层位移形变随时间演化关系式，即块散连接组合体流变响应特征。同时煤矿井下的开采活动势必引起岩层的移动也有水平推力的作用，可以通过3D-DIC装置在像素级别上精准观察试件在径向上变形场的变化并计算径向应力，再通过煤岩的力学特点，表征煤岩的本构关系，即卸压边界位置不同岩层的本构关系，以此确定本构关系中的拟合参数，从而间接反映出水平推力随时间的演化规律。

S3、计算所述覆岩块散组合体水平推力沿煤层倾向的分布，获得卸压边界位置的应力边界条件；

基于所述S1得到的初始应力分布，建立覆岩卸压力学模型；所述覆岩卸压力学模型选取煤岩采动裂隙带范围内某一岩梁，建立覆岩卸压力学模型。其中，选取的岩梁为理想弹性体、水平无倾角，并且忽略了构造应力、岩梁端部载荷及其反力对移动形态的影响，且只考虑岩梁受载荷、自重应力及其反力的影响。

通过位移函数法求解力学平面问题中函数表达式所需的采空区各数据，并采用数学计算软件对所述覆岩卸压力学模型进行初始平衡解算，通过初始平衡解算使初始应力模型处于原始应力状态。模型达到初始平衡后开始进行工作面的正常开采模拟，模拟开采推进沿模型的长度方向(X轴负方向)进行，推进完成后分别获取相应的垂直应力云图、位移云图，以此算出上层的垂直应力(上下岩层成分相同且不变，摩擦系数恒定)；利用摩擦系数计算出上摩擦力后，此时，由于力可以完全从上部传到下部，从而累加岩层厚度计算出下层摩擦力，再结合水平推力即可计算出实际推力，再通过单个块体到边界进行循环累加从而对卸压位置应力边界空间演化过程进行量化，即卸压边界位置的应力边界条件。

S4、将所述应力边界条件代入卸压边界位置不同岩层的本构关系中进行解算，得到卸压边界位置的应力随时间演化规律；

将S3中所得的覆岩组合体的边界条件代入所推演的块散组合体所得的本构关系，推演卸压边界处的水平推力作用，确定卸压边界，代入卸压边界处不同岩石的本构模型，得到各岩层边界卸压范围量化表征公式；将实际垂直应力与卸压范围作为研究参量，推演得到典型组合体扰动损伤流变力学模型，实现对覆岩组合体卸压位置应力边界时间演化进行量化表征，所述覆岩组合体的应力随时间演化的规律。

S5、取特定时间内垮落带、裂隙带内块散组合体的水平推力分布，进而获得卸压边界位置的应力边界条件，最终获得不同层位岩层的卸压位置，将其连成线，即可获得特定时间的卸压边界分布；

S6、基于所述S5，并取不同时间点，从而获得不同时刻不同位置的卸压边界曲线，即卸压边界动态演化时空曲线簇。

通过典型组合体扰动损伤流变力学模型，逐层计算所研究裂隙带、垮落带内各层岩层，依次得到各层卸压边界位置实际垂直应力水平推力；将各层计算所得垂直应力进行叠加，在各层卸压范围内选取垂直应力等于原岩应力的点，并将各层卸压范围内原岩应力点进行连接，从而得到一条组合体卸压边界动态演化曲线，随着时间的变化煤层不同位置的应力会发生变化，卸压效果会不同，与原岩应力大小相等的点的位置也会随之发生变化。将不同时刻各层卸压范围内原岩应力点进行连接会得到多条组合体卸压边界动态演化曲线，从而形成组合体卸压边界动态演化曲线簇。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种采动卸压边界时空曲线簇确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、构建工作面的三维数值计算模型，并对所述三维数值计算模型进行开采计算，获取覆岩的初始应力分布；

S2、推演采动作用下垮落带与裂隙带形成的覆岩块散组合体的考虑时间因素的本构关系，即不同岩层卸压边界位置的本构关系；

S3、计算所述覆岩块散组合体水平推力沿煤层倾向的分布，获得卸压边界位置的应力边界条件；

S4、将所述应力边界条件代入卸压边界位置不同岩层的本构关系中进行解算，得到卸压边界位置的应力随时间演化规律；

S5、取特定时间块散组合体的水平推力分布，进而获得卸压边界位置的应力边界条件，最终获得不同层位岩层的卸压位置，将其连成线，即可获得特定时间的卸压边界分布；

S6、基于所述S5，并取不同时间点，从而获得不同时刻的卸压边界曲线，即卸压边界动态演化时空曲线簇；

所述S3具体为：

S3.1、基于所述初始应力分布，建立覆岩卸压力学模型；

S3.2、对达到初始平衡后的所述覆岩卸压力学模型进行工作面开采，获得垂直应力云图和位移云图，进而得到上层的垂直应力分布；

S3.3、利用摩擦系数计算上层岩层摩擦力，通过累加岩层厚度计算出下层岩层摩擦力，再通过水平推力，计算出覆岩块散组合体一侧断裂块体的水平推力；然后通过覆岩块散组合体由一侧断裂块体向每层的水平推力进行循环迭代，得到卸压位置应力值空间演化过程，即卸压边界位置的应力边界条件；

所述S4具体为：

S4.1、将所述应力边界条件代入所述卸压边界位置不同岩层的本构关系中进行解算，得到各岩层边界卸压范围量化表达式；

S4.2、将实际垂直应力作为参量，构建典型组合体扰动损伤流变力学模型，即所述覆岩块散组合体的应力随时间演化的规律；

所述S6具体为：

S6.1、通过所述典型组合体扰动损伤流变力学模型，逐层计算某一时刻所述裂隙带和垮落带内各层岩层的水平推力；

S6.2、将各层的实际垂直应力进行叠加，得到卸压边界位置处的垂直应力，结合所述S6.1得到的水平推力，计算卸压边界位置处煤岩实际应力，在各层卸压范围内选取实际应力等于原岩应力的点；

S6.3、将所述S6.2得到的点进行连接，得到一条覆岩组合体卸压边界动态演化曲线；

S6.4、取不同时刻得到的覆岩组合体卸压边界动态演化曲线，得到覆岩组合体的卸压边界动态演化曲线簇。

2.根据权利要求1所述的采动卸压边界时空曲线簇确定方法，其特征在于，所述S1具体为：

S1.1、根据工作面条件，构建三维数值计算模型；

S1.2、确定所述三维数值计算模型的相关参数，对所述三维数值计算模型进行开挖计算；

S1.3、基于所述S1.1~S1.2，获取采动后覆岩初始应力分布。

3.根据权利要求2所述的采动卸压边界时空曲线簇确定方法，其特征在于，所述三维数值计算模型采用摩尔-库伦屈服准则进行相关参数计算。

4.根据权利要求1所述的采动卸压边界时空曲线簇确定方法，其特征在于，所述S2具体为：

S2.1、通过岩石力学实验仪器，得到所述覆岩块散组合体在应力恢复过程中岩层位移随时间的演化关系式；

S2.2、通过3D-DIC装置在像素级别上观察覆岩块散组合体在变形场的变化，并确定其对应应力，以此确定本构关系中的拟合参数，从而得到所述覆岩块散组合体的本构关系。