一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法技术

技术编号:17970803 阅读:23 留言:0更新日期:2018-05-16 11:33
本发明专利技术公开了一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,本发明专利技术基于二维离散元计算软件UDEC4.0程序中的FISH内嵌语言,对UDEC4.0进行二次开发。工作面煤层开挖后,在模型运算过程中,判断松散承压含水层作用在含水层底界面上的围岩压力是否小于含水层水压力,如是,则在含水层底界面上施加补偿面力。本发明专利技术通过FISH语句,可以实现承压含水层水压力均匀地作用于含水层底界面上,且开挖过程中载荷保持恒定,从而模拟了承压含水层应力传递特性,为进一步开展松散承压含水层下开采覆岩结构失稳致灾机理研究提供了数值模拟方法。

【技术实现步骤摘要】
一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法
本专利技术属于采矿工程数值模拟
,具体涉及一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法。
技术介绍
缩小防水煤柱,提高回采上限开采,可以延长矿井第一水平服务年限,缓解接替紧张,提高煤炭资源回收率。近几年来,随着“三下”开采技术水平的不断提高,许多矿井已将防水煤柱高度由原来的80m缩小到20~30m。但是一些矿井的缩小防水煤岩柱开采也付出了沉重的代价,如两淮矿区在提高回采上限开采,由于对煤岩层赋存状况、地质构造、煤层和上覆岩层结构特征,以及含、隔水层的物理力学特征、结构特征等地质资料掌握不清,回采期间尤其是在初次来压、周期来压和过地质异常区期间,发生工作面“压架”、“压架突水”或“溃砂”事故,对人员、设备构成一定威胁,制约了该条件下煤炭的安全开采。UDEC4.0离散元数值计算工具主要应用于地下岩体采动过程中岩体节理、断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评价。UDEC4.0提供了适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模型,能够适应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动的需要,是目前模拟岩层破断后运动过程较为理想的数值模拟软件。在数值模拟中,数值分析结果的合理性在很大程度上取决于模型建立的正确性和输入参数的可靠性。目前,许多学者已经在松散承压含水层下开采工作面压架致灾机理方面开展了相关的数值模拟研究,一般取松散承压含水层下、工作面底板以上(包括部分底板)的岩层作为分析对象,承压含水层以上的岩层以均布载荷作用于模型上。但是,在已有的数值模拟研究中,对于松散承压含水层的载荷传递力学特性却未有涉及,这将导致无法深入揭示工作面开采和松散承压含水层耦合作用下上覆基岩-关键层复合破断致灾机理。因此,在松散承压含水层下开采数值模拟中,松散承压含水层在数值模拟中的正确实现是至关重要的一步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补现有技术的不足,提供一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法。为了解决
技术介绍
所存在的问题,本专利技术采用以下技术方案:一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,它包括以下步骤:(1)建立数值模拟模型,设定初始条件;(2)进行模型初始平衡状态计算;(3)对工作面进行开挖;(4)判断作用于承压含水层底界面上的围岩压力是否小于含水层水压力,如是,则在承压含水层底界面上施加补偿面力,模拟承压含水层载荷恒定特性;(5)数值模拟模型运算500时步;(6)判断模型运算是否达到平衡状态或覆岩结构已经发生滑落失稳,如是,程序运算终止,进行保存;如否,程序回到步骤(4)。进一步的,在步骤(1)中,所述工程地质条件是选用典型的松散承压含水层薄基岩工作面条件,根据工作面钻孔柱状图构建数值模拟模型;所述设定初始条件包括以下步骤:①在现场采取煤岩样,通过实验室试验,获得煤岩物理力学参数;②对数值模型煤岩层属性进行赋值;③根据工作面埋深及原岩应力大小设置模型边界条件和初始条件。进一步的,在步骤(3)中,所述对工作面进行开挖,工作面开切眼位于模型的左侧40m,推进方向为由左到右,由于在实际生产中,工作面每天约推进5m,因此数值模拟中每次开挖5m,模型运算平衡后,再进行下一次的开挖。进一步的,在步骤(4)中,所述的模拟承压含水层载荷恒定特性,包括以下步骤:①遍历承压含水层底界面围岩压力q;②判断松散承压含水层作用在承压含水层底界面上的围岩压力q是否大于含水层水压力q0;③根据判断结果有两种处理方法:a.若作用于承压含水层底界面上的围岩压力q小于含水层水压力q0,则通过内部应力边界命令在承压含水层底界面上施加补偿面力△q=q0-q,然后进入到步骤(5);b.若作用于承压含水层底界面上的围岩压力q大于含水层水压力q0,则直接进入到步骤(5)。进一步的,在步骤(5)中,所述的数值模拟模型运算500时步,具体运算时步数可根据模型运算速度和试验精度要求进行调整。进一步的,在步骤(6)中,所述的覆岩结构已经发生滑落失稳,是在工作面顶板选择特征点进行监测,当特征点的垂直位移大于1.5m时,可认为工作面顶板已经发生滑落失稳,程序运算终止。进一步的,在步骤(6)中,所述的程序运算终止,包括以下步骤:①提取模型最大不平衡力和工作面顶板特征点垂直位移;②判断最大不平衡力是否小于设定值或顶板特征点垂直位移是否大于1.5m;③根据判断结果有两种处理方法:a.若最大不平衡力小于设定值或顶板特征点垂直位移大于1.5m,则程序运算终止,进行保存;b.若最大不平衡力大于设定值且顶板特征点垂直位移小于1.5m,则程序重新回到步骤(4)。本专利技术对比现有技术,有如下的有益效果:①本专利技术所述的松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,可以很好的再现承压含水层应力传递特性。模型在每次运算前,需要判断承压含水层水压力大小,若作用于承压含水层底界面上的围岩压力小于含水层水压力,则通过内部应力边界命令在承压含水层底界面上施加补偿面力,从而保证了承压含水层作用于承压含水层底界面上的压力恒定。②本专利技术所述的松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,可模拟覆岩结构、含水层水压、关键层强度、支架工作阻力和基岩厚度对关键层复合破断的影响,为深入揭示承压含水层下开采覆岩结构失稳压架致灾机理,防水煤柱合理确定等研究提供了实验方法。附图说明此处用来说明的附图是为了对本专利技术的进一步解释和说明,为本申请的一部分,但并不能限定本专利技术。图1为本专利技术松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法流程图。图2为本专利技术实例数值模拟模型图。图3为本专利技术实例含水层水压为4.0Mpa覆岩结构失稳模型。图4为本专利技术实例含水层水压为4.0Mpa顶板监测点下沉曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明:图1为本专利技术松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法流程图,如图1所示,该方法包括以下步骤:(1)根据工程地质条件,建立数值模拟模型,设定初始条件;(2)进行模型初始平衡状态计算;(3)对工作面进行开挖;(4)判断作用于承压含水层底界面上的围岩压力是否小于含水层水压力,如是,则在承压含水层底界面上施加补偿面力,模拟承压含水层载荷恒定特性;(5)数值模拟模型运算500时步;(6)判断模型运算是否达到平衡状态或覆岩结构已经发生滑落失稳,如是,程序运算终止,进行保存;如否,程序回到步骤(4)。以下结合具体实例,对上述每一步骤进行解释说明。(1)根据工程地质条件,建立数值模拟模型,设定初始条件;在本专利技术实例中,以淮南某矿典型松散承压含水层薄基岩工作面地质条件为背景,结合该工作面钻孔柱状图,通过UDEC4.0软件建立相应的数值模拟模型(图2)。工作面煤层倾角3~7°,为近水平煤层,所以在数值模拟中简化为水平煤层。模型长200m,高150m。数值模拟中岩块采用莫尔-库仑模型,节理面采用库伦-滑移模型。设定边界条件及初始条件包括以下步骤:①在工作面采取煤岩样,通过实验室试验,获得煤岩物理力学参数。②对数值模型煤岩层块体力学属性进行赋值(表1),对数值模型煤岩层接触面力学属性进行赋值(表2)。③根据工作面埋深及原岩应力大小设置模型边界条件和初始条件。工作面煤层埋深515m。模型左右边界限制水平方向的位移,下部边界限制竖直方向的位移,上部边界以上的松散层作为外载荷9.7本文档来自技高网
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一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法

【技术保护点】
一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:(1)根据工程地质条件,建立数值模拟模型,设定初始条件;(2)进行模型初始平衡状态计算;(3)对工作面进行开挖;(4)判断作用于承压含水层底界面上的围岩压力是否小于含水层水压力,如是,则在含水层底界面上施加补偿面力,模拟承压含水层载荷恒定特性;(5)数值模拟模型运算500时步;(6)判断模型运算是否达到平衡状态或覆岩结构已经发生滑落失稳,如是,程序运算终止,进行保存;如否,程序回到步骤(4)。

【技术特征摘要】
1.一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:(1)根据工程地质条件,建立数值模拟模型,设定初始条件;(2)进行模型初始平衡状态计算;(3)对工作面进行开挖;(4)判断作用于承压含水层底界面上的围岩压力是否小于含水层水压力,如是,则在含水层底界面上施加补偿面力,模拟承压含水层载荷恒定特性;(5)数值模拟模型运算500时步;(6)判断模型运算是否达到平衡状态或覆岩结构已经发生滑落失稳,如是,程序运算终止,进行保存;如否,程序回到步骤(4)。2.根据权利要求1所述的一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述工程地质条件是选用典型的厚松散层薄基岩工作面条件,根据工作面钻孔柱状图构建数值模拟模型;所述设定初始条件包括以下步骤:①在现场采取煤岩样,通过实验室试验,获得煤岩物理力学参数;②对数值模型煤岩层属性进行赋值;③根据工作面埋深及原岩应力大小设置模型边界条件和初始条件。3.根据权利要求1所述的一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述对工作面进行开挖,工作面开切眼位于模型的左侧40m,推进方向为由左到右,由于在实际生产中,工作面每天约推进5m,因此数值模拟中每次开挖5m,模型运算平衡后,再进行下一次的开挖。4.根据权利要求1所述的一种松散承压含水层下开采载荷传递数值模拟方法,其特征在于,在步骤(4)中,所述的模拟承压含水层载荷恒定特性,包括以下步骤:①遍...

【专利技术属性】
技术研发人员:李志华华心祝杨科刘钦杰李迎富陈登红杨朋池小楼
申请(专利权)人:安徽理工大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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