CN117172040A - 一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法 - Google Patents
一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，1、在待评价区域安装微震监测系统；2、建立待评价区域的数值模型；3、遍历待评价区域的数值模型，获取模型单元体的坐标；4、导入压裂产生的微震坐标及能量；5、遍历整个模型的单元体和所有微震，形成该单元体的累积变形能；6、计算模型单元体的损伤参量值；7、获取单元体的参数，并根据每个单元体的损伤参量值进行单元体参数弱化，实现注水弱化地层；8、若单元体的损伤参量值大于0.5，则将该单元体赋为null模型，实现压裂劣化地层，否则不做处理；9、进行工作面开挖并运算平衡，对比无压裂状态下工作面前方的应力分布情况，进行压裂效果评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法。
背景技术
冲击地压是由于煤岩体中积聚的弹性能突然释放，从而造成巨大破坏作用的一种矿山动力现象，它的瞬时爆发性会给矿山安全带来严重的威胁。近年来，随着计算机技术和数值仿真技术的快速发展，数值模拟正成为现代工程分析和理论研究工作面采掘过程中高应力潜在区域的不可替代方法。
一方面，一般数值模拟结果普遍性太强，无法反映具体工作面采掘过程中特殊的应力集中区域，而微震聚集之处往往凸显该处应力集中的可能性。另一方面，采用水力压裂可以实现注水弱化地层和压裂劣化地层，降低压裂区域下方煤层的整体静载水平，但高位岩层压裂是一个不可逆过程，实际现场中无法比对压裂是否具有防冲的效果。因此，急需一种解决方案，以解决上述问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，通过分析压裂后工作面开采过程中围岩的应力分布情况，并通过比对没有压裂情况下工作面开采围岩的应力分布，来评估高位岩层压裂的防冲效果。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，包括如下步骤：
步骤1、在待评价区域安装微震监测系统，包括地面安装采集记录设备和井下安装探头，利用微震监测系统采集压裂诱发的矿震波形信号并进行震源参数求解；
步骤2、根据实际煤系特征及开采情况建立待评价区域的数值模型；
步骤3、遍历待评价区域的数值模型，获取模型单元体的坐标；
步骤4、导入压裂产生的微震坐标及能量；
步骤5、遍历整个模型的单元体和所有微震，以模型单元体中心为中心点，以椭球体为区域统计窗口，判断微震是否在单元体的统计窗口内：若微震在单元体的统计窗口内，则将区域内的变形能进行累加，形成该单元体的累积变形能；
步骤6、遍历整个模型，计算模型单元体的损伤参量值；
步骤7、遍历整个模型，获取单元体的参数，并根据每个单元体的损伤参量值进行单元体参数弱化，实现注水弱化地层；
步骤8、遍历整个模型，若单元体的损伤参量值大于0.5，则将该单元体赋为null模型，实现压裂劣化地层，否则不做处理；
步骤9、进行工作面开挖并运算平衡，对比无压裂状态下工作面前方的应力分布情况，进行压裂效果评估。
优选，步骤1中，微震监测系统根据各个接收通道反馈的矿震信号求解微震的坐标及能量大小。
优选，步骤2中，具体包括如下步骤：
a)根据实际煤系特征和开采条件建立数值模型，确定模型尺寸，并构建煤层及其顶底板的岩性和参数；
b)设置模型的位移边界条件；
c)设置模型的应力边界条件；
d)初始地应力平衡。
优选，步骤5中，椭球体统计窗口的x轴方向和y轴方向半径均为θ，z轴方向半径为δ，其中，δ大于θ。
优选，θ为20m，δ为50m。
优选，单元体的累积变形能通过下式计算：
式中，εEi为单元体i的累积变形能；Ni为单元体i椭球体统计窗口内的微震数量；Eij为单元体i椭球体统计窗口内的第j个微震事件的能量。
优选，单元体的损伤参量值通过下式计算：
式中，Di为单元体i的损伤参量值；εF为平均累积变形能；max{εEi}为整个模型中最大的累积变形能；DC为完全损伤状态下对应的损伤参量数值；exp为以自然常数e为底的指数函数。
优选，步骤7中，对单元体的粘聚力、抗拉强度和内摩擦角参数进行弱化。
优选，步骤7中，通过下式进行注水弱化地层：
Ci＝Ci0(1-Di)
σit＝σit0(1-Di)
式中，Ci为单元体i弱化后的粘聚力；Ci0为单元体i弱化前的粘聚力；σit为单元体i弱化后的抗拉强度；σit0为单元体i弱化前的抗拉强度；为单元体i弱化后的内摩擦角；/>为单元体i弱化前的内摩擦角。
优选，采用FLAC3D有限差分法进行综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价。
本发明的有益效果是：
本发明采用数值模拟的方法，通过压裂期间产生的微震计算煤岩体的损伤参量，并根据损伤参量值对煤岩体参数进行了弱化，以及赋予单元体null模型从而生成裂隙，以实现水力压裂注水弱化地层和压裂劣化地层的效果，来分析压裂后工作面开采过程中围岩的应力分布情况，并通过比对没有压裂情况下工作面开采围岩的应力分布，来评估高位岩层压裂的防冲效果，方法科学可靠，实用性强，适用范围广。
附图说明
图1是本发明一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法的流程图；
图2是本发明实施例中数值模型示意图；
图3是本发明实施例中401106工作面压裂期间产生微震的分布示意图；
图4是本发明实施例中401106工作面无压裂状态下开挖后的模拟结果；
图5是本发明实施例中401106工作面压裂状态下开挖后的模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1、在待评价区域安装微震监测系统，包括地面安装采集记录设备和井下安装探头，利用微震监测系统采集压裂诱发的矿震波形信号并进行震源参数求解，比如，求解微震的坐标及能量大小。
步骤2、根据实际煤系特征及开采情况建立待评价区域的数值模型，优选，包括：
a)根据实际煤系特征和开采条件建立数值模型，确定模型尺寸，并构建煤层及其顶底板的岩性和参数；
b)设置模型的位移边界条件；
c)设置模型的应力边界条件；
d)初次使用时，还需要进行初始地应力平衡。
步骤3、遍历待评价区域的数值模型，获取模型单元体的坐标。
步骤4、导入压裂产生的微震坐标及能量。
步骤5、遍历整个模型的单元体和所有微震，以模型单元体中心为中心点，以椭球体为区域统计窗口，判断微震是否在单元体的统计窗口内：若微震在单元体的统计窗口内，则将区域内的变形能进行累加，形成该单元体的累积变形能。
其中，椭球体统计窗口的x轴方向和y轴方向半径均为θ，z轴方向半径为δ，其中，δ大于θ。优选，θ为20m，δ为50m。
优选，单元体的累积变形能通过下式计算：
式中，εEi为单元体i的累积变形能；Ni为单元体i椭球体统计窗口内的微震数量；Eij为单元体i椭球体统计窗口内的第j个微震事件的能量。
步骤6、遍历整个模型，计算模型单元体的损伤参量值，优选，单元体的损伤参量值通过下式计算：
式中，Di为单元体i的损伤参量值；εF为平均累积变形能；max{εEi}为整个模型中最大的累积变形能；DC为完全损伤状态下对应的损伤参量数值；exp为以自然常数e为底的指数函数。
为了方便对采集数据的管理和读取，可以建立三个矩阵，分别为模型坐标矩阵Mat_mod_coord(n_zone,4)、震源参量矩阵Mat_seic_coord(n_seic,4)和损伤参量矩阵Mat_dam(n_zone,1)；其中：模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的前三列存放模型单元体的坐标，第四列存放模型单元体的累积变形能；震源参数矩阵Mat_seic_coord()的前三列存放微震的坐标，第四列存放微震的能量；损伤参量矩阵Mat_dam()存放模型单元体的损伤参量值；其中n_zone为整个模型单元体的个数，n_seic为微震的个数。
则：获取的模型单元体的坐标，可以存储在模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的前三列中；导入的压裂产生的微震坐标及能量，可以存储在震源参数矩阵Mat_seic_coord()中；单元体的累积变形能可以存储在模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的第四列中；单元体的损伤参量值可以存储在损伤参量矩阵Mat_dam()中。
步骤7、遍历整个模型，获取单元体的参数，并根据每个单元体的损伤参量值进行单元体参数弱化，实现注水弱化地层，比如，可以对单元体的粘聚力、抗拉强度和内摩擦角参数进行弱化。
优选，步骤7中，通过下式进行注水弱化地层：
Ci＝Ci0(1-Di)
σit＝σit0(1-Di)
式中，Ci为单元体i弱化后的粘聚力；Ci0为单元体i弱化前的粘聚力；σit为单元体i弱化后的抗拉强度；σit0为单元体i弱化前的抗拉强度；为单元体i弱化后的内摩擦角；/>为单元体i弱化前的内摩擦角。
步骤8、遍历整个模型，若单元体的损伤参量值大于0.5，则将该单元体赋为null模型，实现压裂劣化地层，否则不做处理；
步骤9、进行工作面开挖并运算平衡，使围岩应力分布趋于稳定。对比无压裂状态下工作面前方的应力分布情况，进行压裂效果评估：若压裂后工作面前方的超前支承压力低于无压裂状态下工作面的超前支承压力，则说明压裂具有卸压的效果，压裂效果良好。
本发明通过微震计算煤岩体的损伤参量，并通过弱化地层参数和产生随机裂隙实现水力压裂的注水弱化和压裂劣化效果，来评估高位岩层压裂的防冲效果，可以采用FLAC3D有限差分法进行综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价，下面结合具体实施例进行进一步介绍。
采用本发明对胡家河某矿401106工作面进行了压裂防冲效果的评价，具体步骤为：
(1)利用安装在煤矿的井上采集记录设备和井下安装的探头组成微震监测网，以采样频率500Hz实时采集工作面生产和巷道掘进过程中煤岩体内发生矿震释放的震动波，通过地面接收单元实时记录各个接收通道反馈的矿震信号，并求解微震的坐标及能量大小。
(2)根据胡家河的实际煤系特征和开采条件建立数值模型，确定模型尺寸为800m×800m×350m(长×宽×高)，模型共973261个单元体，煤层及其顶底板的岩性和参数如表1所示，其模型如图2所示。
表1煤岩层力学参数
(3)设置模型的位移边界条件：首先在模型的四周各边界各施加水平约束，即四周边界的水平位移为0；然后再将模型的底部边界固定，即底部边界的水平、垂直位移都为0；最后将模型的顶部设为自由边界；
(4)设置模型的应力边界条件：根据公式σ＝γH计算模型顶部所需施加的等效载荷，其中σ为等效载荷，Pa；γ为覆岩的容重，本次取25kN/m3；H为模型顶界的深度，本模型顶部距地表550m。故本发明中数值模拟在模型顶部施加13.75MPa的等效载荷；设重力加速度为9.8m/s2。
(5)利用model solve命令初始地应力平衡。
(6)401106工作面压裂效果评估具体步骤为：
①利用matrix函数建立三个矩阵，模型坐标矩阵Mat_mod_coord(973261,4)、震源参数矩阵Mat_seic_coord(1826,4)和损伤参量矩阵Mat_dam(973261,1)；模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的前三列存放模型单元体的坐标，第四列存放模型单元体的累积变形能；震源参数矩阵Mat_seic_coord()的前三列存放压裂产生微震的坐标，第四列存放微震的能量；损伤参量矩阵Mat_dam()存放模型单元体的损伤参量值。
②遍历整个模型，利用zone.pos()获取模型单元体的坐标，并存放在模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的前三列中。
③利用table函数导入401106工作面回采前压裂产生的微震坐标及能量，并存放在震源参数矩阵Mat_seic_coord()中，压裂期间共产生1826个微震事件，401106工作面回采产生的微震分布示意图如图3所示。
④遍历整个模型的单元体和所有微震，以模型单元体中心为中心点，以椭球体为区域统计窗口，判断微震是否在单元体的统计窗口内；若微震在单元体的统计窗口内，则将区域内的变形能进行累加，形成该单元体的累积变形能，并将其存放在模型坐标矩阵Mat_mod_coord()的第四列中。
⑤遍历整个模型，利用公式计算模型单元体的损伤参量值，并将其存放在损伤参量矩阵Mat_dam()中。
⑥遍历整个模型，利用函数zone.prop()获取单元体的参数，并根据每个单元体的损伤参量值进行弱化，实现注水弱化地层；
⑦遍历整个模型，若单元体的损伤参量值大于0.5，则将该单元体赋为null模型，实现压裂劣化地层，否则不做处理；
⑧开挖401106工作面，然后采用model cycle命令进行模型平衡运算，修正401106工作面的数值模拟结果，优化其应力分布情况，401106工作面修正前后的模拟结果如图4和图5所示，比对有无压裂状态下围岩的应力分布情况；由图5可看出压裂后存在明显卸压区域，401106工作面前方的超前支承压力有所降低，说明此次压裂对防冲具有良好效果。
本发明采用数值模拟的方法，通过压裂期间产生的微震计算煤岩体的损伤参量，并根据损伤参量值对煤岩体参数进行了弱化，以及赋予null模型从而生成裂隙，以实现水力压裂注水弱化地层和压裂劣化地层的效果，来分析压裂后工作面开采过程中围岩的应力分布情况，并通过比对没有压裂情况下工作面开采围岩的应力分布，来评估高位岩层压裂的防冲效果，方法科学可靠，实用性强，适用范围广。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在待评价区域安装微震监测系统，包括地面安装采集记录设备和井下安装探头，利用微震监测系统采集压裂诱发的矿震波形信号并进行震源参数求解；
步骤2、根据实际煤系特征及开采情况建立待评价区域的数值模型；
步骤3、遍历待评价区域的数值模型，获取模型单元体的坐标；
步骤4、导入压裂产生的微震坐标及能量；
步骤5、遍历整个模型的单元体和所有微震，以模型单元体中心为中心点，以椭球体为区域统计窗口，判断微震是否在单元体的统计窗口内：若微震在单元体的统计窗口内，则将区域内的变形能进行累加，形成该单元体的累积变形能；
步骤6、遍历整个模型，计算模型单元体的损伤参量值；
步骤7、遍历整个模型，获取单元体的参数，并根据每个单元体的损伤参量值进行单元体参数弱化，实现注水弱化地层；
步骤8、遍历整个模型，若单元体的损伤参量值大于0.5，则将该单元体赋为null模型，实现压裂劣化地层，否则不做处理；
步骤9、进行工作面开挖并运算平衡，对比无压裂状态下工作面前方的应力分布情况，进行压裂效果评估。
2.根据权利要求1所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，步骤1中，微震监测系统根据各个接收通道反馈的矿震信号求解微震的坐标及能量大小。
3.根据权利要求1所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，步骤2中，具体包括如下步骤：
a)根据实际煤系特征和开采条件建立数值模型，确定模型尺寸，并构建煤层及其顶底板的岩性和参数；
b)设置模型的位移边界条件；
c)设置模型的应力边界条件；
d)初始地应力平衡。
4.根据权利要求3所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，步骤5中，椭球体统计窗口的x轴方向和y轴方向半径均为θ，z轴方向半径为δ，其中，δ大于θ。
5.根据权利要求4所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，θ为20m，δ为50m。
6.根据权利要求4所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，单元体的累积变形能通过下式计算：
式中，εEi为单元体i的累积变形能；Ni为单元体i椭球体统计窗口内的微震数量；Eij为单元体i椭球体统计窗口内的第j个微震事件的能量。
7.根据权利要求6所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，单元体的损伤参量值通过下式计算：
式中，Di为单元体i的损伤参量值；εF为平均累积变形能；max{εEi}为整个模型中最大的累积变形能；DC为完全损伤状态下对应的损伤参量数值；exp为以自然常数e为底的指数函数。
8.根据权利要求7所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，步骤7中，对单元体的粘聚力、抗拉强度和内摩擦角参数进行弱化。
9.根据权利要求8所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，步骤7中，通过下式实现注水弱化地层：
Ci＝Ci0(1-Di)
σit＝σit0(1-Di)
式中，Ci为单元体i弱化后的粘聚力；Ci0为单元体i弱化前的粘聚力；σit为单元体i弱化后的抗拉强度；σit0为单元体i弱化前的抗拉强度；为单元体i弱化后的内摩擦角；/>为单元体i弱化前的内摩擦角。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价方法，其特征在于，采用FLAC3D有限差分法进行综合数值模型与微震数据驱动的高位岩层压裂防冲效果评价。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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