采空區(qū)裂隙圈形態(tài)的三維模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯抽采領(lǐng)域，特別是一種采空區(qū)裂隙圈形態(tài)的三維模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井采掘空間的瓦斯來(lái)源主要是工作面和采空區(qū)涌出瓦斯以及鄰近層涌入瓦斯，由于綜采面多為長(zhǎng)壁式回采工作面，而一般長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的30?40%以上，多者達(dá)70?80%，采空區(qū)瓦斯的大量涌出往往導(dǎo)致工作面瓦斯超限頻繁，因此被迫停產(chǎn)。
[0003]我國(guó)非常重視對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，在采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)以及抽放工藝方面已經(jīng)取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但仍存在著一些問(wèn)題，如采空區(qū)抽采效果普遍很差，抽采率低等問(wèn)題。分析其原因，是因?yàn)槌椴摄@孔布置不合理，沒(méi)有系統(tǒng)研究采空區(qū)裂隙分布的規(guī)律。因此，開(kāi)展對(duì)采空區(qū)裂隙形態(tài)分布的研究，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)以及實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004]在煤礦開(kāi)采之前，巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。隨著煤礦的開(kāi)采，形成了地下空間，打破了巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，造成了巖體應(yīng)力重新分布。在巖體應(yīng)力重新分布的過(guò)程中，巖體發(fā)生變形，移動(dòng)甚至破壞，從而在工作面前方和巷道兩側(cè)煤壁形成應(yīng)力集中區(qū)。根據(jù)礦山壓力理論，隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力在采煤工作面后垂直方向形成了 “豎三帶”，由下向上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。在水平方向上形成“橫三區(qū)”，沿工作面推進(jìn)方向分別為重新壓實(shí)區(qū)、離層區(qū)和煤壁支撐影響區(qū)。同時(shí)，隨著采煤工作面的推進(jìn)，采空區(qū)裂隙形態(tài)不斷的發(fā)生變化。因此，傳統(tǒng)的瓦斯抽采鉆孔方法很難正確確定鉆孔位置。
[0005]—些學(xué)者通過(guò)二維相似模擬，數(shù)值模擬等方法來(lái)確定采空區(qū)的裂隙分布，由于二維尺度的相似模擬不能準(zhǔn)確反映出采場(chǎng)應(yīng)力變化，數(shù)值模擬又缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，這些方法都不能準(zhǔn)確的反映出采空區(qū)裂隙形態(tài)分布狀況，從而對(duì)采空區(qū)鉆孔位置確定指導(dǎo)有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采空區(qū)裂隙圈形態(tài)的三維模擬方法，其通過(guò)三維模擬方式可全面模擬采空區(qū)裂隙發(fā)育形態(tài)，并通過(guò)采動(dòng)過(guò)程模擬和對(duì)采空區(qū)頂板應(yīng)力變化數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集，獲得采空區(qū)裂隙圈的形態(tài)，以便更加準(zhǔn)確的確定抽采孔的鉆孔位置。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0008]一種采空區(qū)裂隙圈形態(tài)的三維模擬方法，包括以下步驟:
[0009]第一步，三維相似模擬試驗(yàn)體制作:根據(jù)煤層和煤層覆巖之間的空間相似比，以及煤層工作面推進(jìn)的時(shí)間相似比，制作三維相似模擬試驗(yàn)體；
[0010]第二步，采煤工作面推進(jìn)模擬:結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采煤工作面地應(yīng)力情況、開(kāi)采工序，模擬三維應(yīng)力條件下煤礦工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程；同時(shí)，利用預(yù)埋應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中采空區(qū)頂板及底板的應(yīng)力變化，利用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；
[0011]第三步，采空區(qū)頂板及底板裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):在采煤工作面推進(jìn)模擬結(jié)束后，通過(guò)示蹤劑標(biāo)記法，鉆孔窺探觀察模擬試驗(yàn)體的采空區(qū)裂隙形態(tài)，并逐層逐段分離采空區(qū)頂板及底板，統(tǒng)計(jì)各層各段的裂隙數(shù)據(jù)；
[0012]第四步，繪制采空區(qū)裂隙圈形態(tài)模擬圖:根據(jù)統(tǒng)計(jì)的裂隙數(shù)據(jù)，利用三維軟件繪制采空區(qū)裂隙圈形態(tài)模擬圖。
[0013]采用前述技術(shù)方案的本發(fā)明，由于采用了三維模擬方式對(duì)煤巖體裂隙場(chǎng)演化規(guī)律，因此，可獲得更加接近實(shí)際情況的煤層底板變形、跨落、采場(chǎng)圍巖裂隙形成及分布規(guī)律，同時(shí)，可進(jìn)一步總結(jié)巖體內(nèi)部移動(dòng)規(guī)律。本試驗(yàn)的三維應(yīng)力條件通過(guò)“多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”對(duì)模擬試驗(yàn)體進(jìn)行加載實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)于2012年8月I日公開(kāi)，其中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為:CN102621232A，其可提供三向不等應(yīng)力環(huán)境。當(dāng)然本試驗(yàn)可以采用其他可提供三向不等應(yīng)力環(huán)境的三軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸加載模擬。以利用現(xiàn)有試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬，降低模擬試驗(yàn)成本，減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，縮短試驗(yàn)周期。其中，繪制采空區(qū)裂隙圈形態(tài)模擬圖的三維軟件包括現(xiàn)有的CAD、UG、PROE, CATIA等。
[0014]優(yōu)選的，所述模擬試驗(yàn)體的煤層由多個(gè)長(zhǎng)方體試塊組成，試塊長(zhǎng)度模擬工作面長(zhǎng)度，試塊高度和寬度分別模擬煤層厚度和采煤進(jìn)刀的吃刀深度。以提高模擬的精確度和準(zhǔn)確性。
[0015]優(yōu)選的，所述模擬試驗(yàn)體中的模擬煤層由石蠟制成；所述空間相似比由模擬試驗(yàn)體所占空間模擬。以提高模擬的精確度和準(zhǔn)確性。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述時(shí)間相似比通過(guò)模擬煤層的熔化時(shí)間進(jìn)行模擬。以便通過(guò)熔化速度控制獲時(shí)間相似比模擬的可控性，提高模擬的可靠性。
[0017]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述模擬煤層由電加熱熔化方式模擬采煤工作面推進(jìn)。以可控和可靠的實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間參數(shù)模擬。
[0018]進(jìn)一步優(yōu)選的，用于所述電加熱熔化的發(fā)熱電阻分別被埋設(shè)在相應(yīng)模擬煤層的試塊中。以便模擬煤層按設(shè)定區(qū)域和速度熔化，更進(jìn)一步提高模擬的精確度和準(zhǔn)確性。
[0019]更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述發(fā)熱電阻的阻值可調(diào)節(jié)。以方便利用現(xiàn)有技術(shù)中的可調(diào)阻值的發(fā)熱電阻實(shí)現(xiàn)時(shí)間比模擬，提高模擬試驗(yàn)的方便性、精確度和準(zhǔn)確性。
[0020]優(yōu)選的，在所述模擬試驗(yàn)體的采空區(qū)頂板及底板裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的步驟中還包括:
[0021]S1、在模擬采空區(qū)上方按照設(shè)定規(guī)律布置鉆孔，并通過(guò)加入示蹤劑的示蹤方式來(lái)確定模擬采空區(qū)上方離層區(qū)范圍；
[0022]S2、采用鉆孔電鏡窺視儀對(duì)孔鉆孔內(nèi)裂隙進(jìn)行觀測(cè)記錄，分析模擬巖層離層范圍及大??；
[0023]S3、采用手動(dòng)切割方式，沿采煤工作面推進(jìn)方向逐層逐段切開(kāi)采空區(qū)上方的模擬巖層形成分割塊，對(duì)分割塊進(jìn)行拍照記錄，測(cè)量并記錄模擬巖層之間離層量的大小。
[0024]優(yōu)選的，所述模擬巖層之間離層量大小的測(cè)量工具為塞尺。提高模擬試驗(yàn)的方便性，提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)周期。
[0025]本發(fā)明的有益效果是，煤巖體裂隙場(chǎng)演化規(guī)律三維相似模擬實(shí)驗(yàn)的主要目的為研究煤層底板變形、跨落、采場(chǎng)圍巖裂隙形成及分布規(guī)律，同時(shí)總結(jié)巖體內(nèi)部移動(dòng)規(guī)律。該試驗(yàn)為三維相似模擬試驗(yàn)，能夠更全面的模擬采空區(qū)裂隙發(fā)育形態(tài)，同時(shí)采用變功率加熱電阻能夠更加真實(shí)的模擬采動(dòng)過(guò)程。并在模擬開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)采空區(qū)頂板應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明方法的流程框圖。
[0027]圖2是通過(guò)本發(fā)明方法獲得的采動(dòng)條件下采空區(qū)上覆巖層離層裂隙分布形態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0029]參見(jiàn)圖1，一種采空區(qū)裂隙圈形態(tài)的三維模擬方法，包括以下步驟:
[0030]第一步，煤層及其覆巖基本參數(shù)測(cè)定:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)定開(kāi)采工作面的煤層長(zhǎng)度、寬度和傾角的基本空間數(shù)據(jù)；測(cè)定開(kāi)采前工作面地應(yīng)力及回采速度，以及工作面上覆巖層及底板巖層各層的厚度及物理力學(xué)性質(zhì)；
[0031]其中，工作面上的煤層上覆巖層及底板巖層物理性質(zhì)的測(cè)定通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)鉆取各層位巖芯后帶回實(shí)驗(yàn)室，再利用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行其物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定；
[0032]第二步，三維相似模擬試驗(yàn)體制作:根據(jù)第一步的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定應(yīng)力、煤層和頂板及底板之間的空間相似比，以及煤層回采速度確定的工作面推進(jìn)的時(shí)間相似比，并換算出模擬頂板及底板的材料的厚度、容重、抗壓強(qiáng)度，確定材料配比，以及模擬煤層的石蠟大小及熔化加熱功率等，制作三維相似模擬試驗(yàn)體；
[0033]其中，模擬試驗(yàn)體制作成400mmX400mmX 1200mm的長(zhǎng)方體，模擬試驗(yàn)體中的上下覆巖層或稱頂板、底板均采用不同混合比的水泥、石膏和砂子固結(jié)模擬不同性質(zhì)的巖層，模擬試驗(yàn)體巖層采用逐層堆積的方式形成，在相鄰模擬巖層之間撒少許云母粉以減少層間強(qiáng)度，并在距離模擬煤層頂板7cm和18cm深度處自開(kāi)切眼處每隔15cm預(yù)埋一電阻應(yīng)力傳感器；煤層由多個(gè)長(zhǎng)方體的石蠟試塊模擬，利用石蠟試塊所占用空間模擬空間相似比，各個(gè)石蠟試塊內(nèi)均埋設(shè)一設(shè)定阻值范圍且阻值可調(diào)節(jié)的發(fā)熱電阻；
[0034]在三維相似模擬試驗(yàn)體的制作前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面的空間及各巖層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算相似比，計(jì)算方式如下:
[0035](I)計(jì)算單個(gè)巖層中所需材料的總質(zhì)量G(kg)，即
[0036]G= (lwh Y