CN114813371B - 一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于渗透‑损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，涉及矿井采场覆岩损伤分区及高度预测技术领域。本发明的基于渗透‑损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，包括如下步骤：步骤1、岩层分布与地应力环境调查；步骤2、试件制备；步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩‑渗流试验；步骤4、建立损伤‑渗透关系；步骤5、基于损伤‑渗透关系的覆岩损伤区域划分；步骤6、损伤本构关系构建；步骤7、损伤本构关系嵌入至FLAC3D软件；步骤8、建立数值模型；步骤9、数值模拟确定各损伤区高度。本发明的基于渗透‑损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，可以对工作面开采后工作面顶板进行损伤区域划分及高度确定。

Description

一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法

技术领域

本发明涉及矿井采场覆岩损伤分区及高度预测技术领域，具体地说是涉及一种在保水开采时基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法。

背景技术

煤层工作面开采后，覆岩运动变形产生破裂损伤，不同层位的岩层损伤也不尽相同，当工作面埋藏较浅或工作面上方有含水层时，覆岩的移动损伤很可能引发地表的沉陷和含水层水的流失。尤其在我国生态环境脆弱的西部矿区，浅部煤层的开采会导致地表宝贵潜水的流失，危害矿区生态环境安全。

工作面上方水的流失与隔水岩层的损伤程度直接相关，当损伤岩层内的裂隙间相互联通时，含水层水才有可能通过联通裂隙流失，也就是说，产生损伤裂隙但裂隙间没有联通的隔水岩层仍具有隔水能力。现阶段，人们一般将运动破裂的覆岩在竖直方向上通常划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中垮落带和裂隙带一般被视为导水裂隙带，显然这种划分方式对于隔水覆岩层的判断不够科学，鉴于此，有必要从损伤的角度出发，通过建立岩层损伤与渗透能力的关系，对煤层开采后的移动破坏岩层进行区域划分，准确识别良好隔水、可隔水以及导水岩层范围。

覆岩损伤分区后还需对各损伤区范围进行确定，从而指导煤层保水开采。现阶段确定和预判覆岩导水范围的方法包括经验方法、地球物理方法、钻孔观测方法和数值模拟方法等，其中经验方法缺乏理论基础，计算误差往往波动较大，地球物理方法对裂隙的探测精度低，现场探测方法一般可得到较准确的结果，但现场探测工作量大，而且探测出来的只是局部区域的，指导整个工作面的生产需要大量的探测孔布设及探测工作。而数值模拟方法作可直观显示整个煤层开采覆岩运动破坏过程，近年来被越来越多应用于煤层导水裂隙发育范围的判断。

数值模拟方法准确判断覆岩导水范围关键是需要基于准确描述岩体变形损伤行为的本构关系，由于目前数值模拟软件自带的理论模型做了一定的简化，虽然具有一定的普适性，但一定程度上影响了岩层破坏模拟的精准性，因此还需建立适用于描述西部矿区软岩力学行为的本构关系并实现其在模拟软件中的二次开发，进而准确模拟覆岩损伤发育程度和范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，可以对工作面开采后工作面顶板进行损伤区域划分及高度确定，以科学指导煤层保水开采。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1、岩层分布与地应力环境调查

根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征；

步骤2、试件制备

在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件；

步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩-渗流试验

在多场耦合试验系统上对标准试件进行三轴压缩-渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏；围压通过前期的地应力测试确定，水压以流量控制方式对标准试件施加；试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力-应变和渗流-应变关系，其中，渗透率的计算公式为：

式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa·s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm²，ΔP为水力压差，MPa；

步骤4、建立损伤-渗透关系

根据岩石三轴压缩-渗流试验中的应力-应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量表达式为：

式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；

式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε_A为压密闭合点处的应变；

以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤-应变和渗透率-应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系；

步骤5、基于损伤-渗透关系的覆岩损伤区域划分

根据渗透率-应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透阶段，此阶段岩石损伤急剧增加，裂隙联通导致岩石失去隔水能力；

对应的，岩层变形后水可以轻微渗透、中等渗透和快速渗透的区域分别成为轻微损伤区、中等损伤区和严重损伤区，其中，轻微损伤区与中等损伤区界值为D_A，中等损伤区与严重损伤区界值为D_B。

一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤区高度确定方法，在上述的一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区方法之后，还包括以下步骤：

步骤6、损伤本构关系构建

将作用在岩石上的力分为基质和裂隙两部分，作用在岩石上的应力可用基质部分应力和裂隙部分应力之和表示，即

σ＝σ_e(1-D)+σ_crD；

其中，σ_e为基质部分应力，σ_cr为残余应力；

步骤7、损伤本构关系嵌入至FLAC3D软件

采用中心差分法推导得到自定义本构方程的三维差分格式：

球应力：

偏应力：

其中，α＝2G(1-D_t)，β＝K(1-D_t)；

式中，为一个时间步内新、老球应力；Δε_kk为时间步Δt内的球应变；δ_ij为kronecker delta符号；/>分别为一个时间增量步内新、老偏应力；D_t为材料在t时刻的损伤变量；G为材料剪切模量，GPa，K为材料体积模量，GPa，Δe_ij为时间步Δt内的偏应变；

将自定义本构方程的三维差分格式嵌入到FLAC3D软件中，得到新建本构模型的二次开发程序，用于对岩层变形损伤行为的模拟；

步骤8、建立数值模型

根据需要研究的煤层开采及覆岩水文地质条件，建立数值模型，设置边界条件并赋予各模拟岩层力学参数，岩层受力-变形演化采用步骤7的二次开发程序进行运算；

步骤9、数值模拟确定各损伤区高度

模拟煤层开采后上覆岩层的变形损伤规律，在运算结束后，对发生塑性破坏单元体的损伤情况进行调取，通过和岩石损伤区域界值对比，确定出轻微、中等及严重损伤区范围。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明对采动损伤岩层渗透性能进行了科学具体的划分，通过建立损伤-渗透的关系，划分了岩层轻微损伤时轻微渗透、中等损伤时中等渗透以及严重损伤时快速渗透三个阶段，对应的划分了采动覆岩轻微、中等和严重损伤三个区域，并给出了相邻损伤区分界处的损伤界值，可很好并且准确的对覆岩损伤范围进行分区。

2、本发明采动覆岩的损伤高度确定方法依据现场地质资料以及真实反映岩石损伤变形行为的本构关系，不用现场大量打孔探测便可直观得到覆岩损伤程度和区域分布特征，实现过程快捷方便。

3、本发明可通过对比工作面覆岩严重损伤区发育高度与含水层的位置关系，结合相关安全开采规范，判断煤层能否实现保水开采，为矿井煤层安全、保水开采提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例压缩-渗流试验示意图；

图3为本发明实施例损伤-渗流-应变关系及阶段划分示意图；

图4为本发明实施例覆岩损伤分区示意图；

图5为本发明实施例数值模拟获得损伤区高度示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，应用于西部某生态脆弱区典型潜水下煤层开采矿井，请参考图1至图5所示。

上述方法包括如下步骤：

步骤1、岩层分布与地应力环境调查

根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征，为后续的压缩-渗流试验及数值模型构建提供依据。

步骤2、试件制备

在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，岩芯进行防风化包装并运送到实验室，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件。具体的，通过对取自现场的砂质泥岩和细砂岩岩芯进行钻取、切割及断面打磨，制作成为直径50mm、高度100mm的圆柱形标准试件。

步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩-渗流试验

在多场耦合试验系统上对标准试件(砂质泥岩试件和细砂岩试件)进行三轴压缩-渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏。其中，试验设计峰前加载6～10个等级，峰后加载8～12个等级。围压通过前期的地应力测试确定为1.5MPa、3.0MPa、4.5MPa和6MPa，水压以流量控制方式对标准试件施加；

试验过程中保持室内温度在25℃，岩石三轴压缩-渗流试验的具体步骤为：

①岩样饱水处理。将制取的岩石标准试件放在水盆里，淹没试件高度的1/4，浸泡2h，然后加水至试件高度的1/2，2h后，升高水面至试件的3/4处，浸泡2h，再加水全部淹没试件，直至试件质量连续不再变化。

②试件安装。将试件安装在三轴压力室内，如图2所示，试件上下表面加透水板并与试验机上下压头用橡胶管连接密封，安装轴向和环向变形传感器并将其调整到合理量程，封闭三轴压力室内，对传感器数值清零。

③施加围压。向压力室内充油至出油管内没有气泡产生为止，关闭出油管路，施加至预定围压并进行伺服控制。

④三轴室饱和岩样。围压稳定后，以流量控制方式对试件施加0.1mL/min的恒定水压，对岩样进行三轴室内饱和，直到出水口有水流出时加载水压至预定值。

⑤轴向加载。轴压加载采用分级加载，加载速率为0.06mm/min，每级加载后待孔隙水压稳定后再进行下一级加载，直到试件破坏。

试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力-应变和渗流-应变关系，其中，渗透率的计算公式为：

式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa·s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm²，ΔP为水力压差，MPa。

步骤4、建立损伤-渗透关系

根据岩石三轴压缩-渗流试验中的应力-应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量表达式为：

式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；

式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε_A为压密闭合点处的应变；

以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤-应变和渗透率-应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系，如图3所示。

步骤5、基于损伤-渗透关系的覆岩损伤区域划分

根据渗透率-应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透阶段，此阶段岩石损伤急剧增加，裂隙联通导致岩石失去隔水能力；

对应的，岩层变形后水可以轻微渗透、中等渗透和快速渗透的区域分别成为轻微损伤区、中等损伤区和严重损伤区，如图4所示。通过划分损伤-渗透-应变关系曲线得到砂质泥岩和细砂岩轻轻微损伤区与中等损伤区、中等损伤区与严重损伤区界值D_A、D_B。

步骤6、损伤本构关系构建

将作用在岩石上的力分为基质和裂隙两部分，作用在岩石上的应力可用基质部分应力和裂隙部分应力之和表示，即

σ＝σ_e(1-D)+σ_crD；

其中，σ_e为基质部分应力，σ_cr为残余应力。

步骤7、损伤本构关系嵌入至FLAC3D软件

采用中心差分法推导得到自定义本构方程的三维差分格式：

球应力：

偏应力：

其中，α＝2G(1-D_t)，β＝K(1-D_t)；

式中，为一个时间步内新、老球应力；Δε_kk为时间步Δt内的球应变；δ_ij为kronecker delta符号；/>分别为一个时间增量步内新、老偏应力；D_t为材料在t时刻的损伤变量；G为材料剪切模量，GPa，K为材料体积模量，GPa，Δe_ij为时间步Δt内的偏应变；

将自定义本构方程的三维差分格式嵌入到FLAC3D软件中，得到新建本构模型的二次开发程序，用于对岩层变形损伤行为的模拟。

步骤8、建立数值模型

根据需要研究的煤层开采及覆岩水文地质条件，建立数值模型，设置边界条件并赋予各模拟岩层力学参数，岩层受力-变形演化采用步骤7的二次开发程序进行运算，直至运算达到平衡状态为止。

步骤9、数值模拟确定各损伤区高度

模拟煤层开采后上覆岩层的变形损伤规律，在运算结束后，对发生塑性破坏单元体的损伤情况进行调取，通过和岩石损伤区域界值(D_A、D_B)对比，确定出轻微、中等及严重损伤区范围，如图5所示。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法有了清楚的认识。本发明对采动损伤岩层渗透性能进行了科学具体的划分，通过建立损伤-渗透的关系，划分了岩层轻微损伤时轻微渗透、中等损伤时中等渗透以及严重损伤时快速渗透三个阶段，对应的划分了采动覆岩轻微、中等和严重损伤三个区域，并给出了相邻损伤区分界处的损伤界值，可很好并且准确的对覆岩损伤范围进行分区。本发明采动覆岩的损伤高度确定方法依据现场地质资料以及真实反映岩石损伤变形行为的本构关系，不用现场大量打孔探测便可直观得到覆岩损伤程度和区域分布特征，实现过程快捷方便。本发明可通过对比工作面覆岩严重损伤区发育高度与含水层的位置关系，结合相关安全开采规范，判断煤层能否实现保水开采，为矿井煤层安全、保水开采提供依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1、岩层分布与地应力环境调查

根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征；

步骤2、试件制备

在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件；

步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩-渗流试验

在多场耦合试验系统上对标准试件进行三轴压缩-渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏；围压通过前期的地应力测试确定，水压以流量控制方式对标准试件施加；试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力-应变和渗流-应变关系，其中，渗透率的计算公式为：

式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa·s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm²，ΔP为水力压差，MPa；

步骤4、建立损伤-渗透关系

根据岩石三轴压缩-渗流试验中的应力-应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量D表达式为：

式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；

式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε_A为压密闭合点处的应变；

以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤-应变和渗透率-应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系；

步骤5、基于损伤-渗透关系的覆岩损伤区域划分

根据渗透率-应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透阶段，此阶段岩石损伤急剧增加，裂隙联通导致岩石失去隔水能力；

对应的，岩层变形后水可以轻微渗透、中等渗透和快速渗透的区域分别成为轻微损伤区、中等损伤区和严重损伤区，其中，轻微损伤区与中等损伤区界值为D_A，中等损伤区与严重损伤区界值为D_B。

2.一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤区高度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、岩层分布与地应力环境调查

根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征；

步骤2、试件制备

在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件；

步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩-渗流试验

在多场耦合试验系统上对标准试件进行三轴压缩-渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏；围压通过前期的地应力测试确定，水压以流量控制方式对标准试件施加；试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力-应变和渗流-应变关系，其中，渗透率的计算公式为：

式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa·s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm²，ΔP为水力压差，MPa；

步骤4、建立损伤-渗透关系

根据岩石三轴压缩-渗流试验中的应力-应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量D表达式为：

式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；

式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε_A为压密闭合点处的应变；

以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤-应变和渗透率-应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系；

步骤5、基于损伤-渗透关系的覆岩损伤区域划分

根据渗透率-应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透阶段，此阶段岩石损伤急剧增加，裂隙联通导致岩石失去隔水能力；

对应的，岩层变形后水可以轻微渗透、中等渗透和快速渗透的区域分别成为轻微损伤区、中等损伤区和严重损伤区，其中，轻微损伤区与中等损伤区界值为D_A，中等损伤区与严重损伤区界值为D_B；

步骤6、损伤本构关系构建

将作用在岩石上的力分为基质和裂隙两部分，作用在岩石上的应力可用基质部分应力和裂隙部分应力之和表示，即

σ＝σ_e(1-D)+σ_crD；

其中，σ_e为基质部分应力，σ_cr为残余应力；

步骤7、损伤本构关系嵌入至FLAC3D软件

采用中心差分法推导得到自定义本构方程的三维差分格式：

球应力：

偏应力：

其中，α＝2G(1-D_t)，β＝K(1-D_t)；

式中，为一个时间步内新、老球应力；Δε_kk为时间步Δt内的球应变；δ_ij为kronecker delta符号；/>分别为一个时间增量步内新、老偏应力；D_t为材料在t时刻的损伤变量；G为材料剪切模量，GPa，K为材料体积模量，GPa，Δe_ij为时间步Δt内的偏应变；

将自定义本构方程的三维差分格式嵌入到FLAC3D软件中，得到新建本构模型的二次开发程序，用于对岩层变形损伤行为的模拟；

步骤8、建立数值模型

根据需要研究的煤层开采及覆岩水文地质条件，建立数值模型，设置边界条件并赋予各模拟岩层力学参数，岩层受力-变形演化采用步骤7的二次开发程序进行运算；

步骤9、数值模拟确定各损伤区高度

模拟煤层开采后上覆岩层的变形损伤规律，在运算结束后，对发生塑性破坏单元体的损伤情况进行调取，通过和岩石损伤区域界值对比，确定出轻微、中等及严重损伤区范围。