基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，包括地面钻井确定覆岩各岩层厚度，并进行取样；实验室采用单轴压缩方法实测各岩层弹性模量E、峰值应变ε

【技术实现步骤摘要】
基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法


[0001]本专利技术涉及煤层开采领域，具体涉及一种煤矿地下开采过程中覆岩损伤范围和传导机制的确定方法，尤其是一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法。

技术介绍

[0002]中国井工煤矿规模由上世纪九十年代的百万吨级(100
‑
300万吨/年)发展到本世纪初的千万吨级(1000
‑
3000万吨/年)，开采集约化水平不断提高，成为提高煤矿安全保障程度、资源回收率和经济效益的重要途径。按照集约化开发布局，中国14个大型煤炭基地产量占全国的95％以上。高强度开采是集约化开采的重要方式，但带来的地表沉降快和变形大，进而损伤生态严重问题亟待解决。中国煤炭赋存与生态环境容量分布不均衡，“神东”矿区为代表的西部晋陕蒙宁甘煤炭产量占全国的3/4，但该区域生态脆弱、水资源匮乏，高强度开采加剧了矿区及周边的沙漠化、荒漠化。以“两淮”矿区为代表的东部矿区保障了华东地区能源供应，但高强度开采造成土地塌陷，造成矿业城市土地资源更加紧张。矿区地表生态损伤源于煤炭开采引起的覆岩变形、破断、运动造成的下位岩层采动损伤和由此造成的上位岩层和地表层传递损伤。但由于地下岩土层结构具有连续和非连续的介质特征，力学性质复杂，开采引起的“覆岩
‑
地表”损伤(称为“开采损伤”)传导和控制模型难以建立。
[0003]综上所述，现有技术中存在以下问题：煤层开采覆岩损伤传导机理不清楚，损伤范围难以确定。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，以解决煤层开采覆岩损伤传导机理不清楚，损伤范围难以确定的问题。
[0005]为此，本专利技术提出一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，所述基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法包括以下步骤：
[0006]步骤a、针对研究矿井在地面向开采煤层打地面钻孔，针对覆岩每一层进行取样及厚度H
i
的测量；
[0007]步骤b、对每一层岩样进行实验室单轴压缩试验，测量各岩层弹性模量E、峰值应变ε
m
、塑性应变ε
u
以及残余弹性应变ε
e
；
[0008]步骤c、根据质能方程计算煤层开采释放的总能量E
s
，单位为焦耳，具体计算方法为E
s
＝DLMγC2，D为工作面长度，单位为米，L为工作面推进长度，单位为米，M为工作面采高，单位为米，γ为煤层密度，单位为kg/m3，C为光速，单位为km/s。
[0009]步骤d、根据能量守恒原则计算得出传导过程中损伤至第i层时的剩余能量E
ci
，剩余能量E
u
为损伤塑性耗散能、E
e
为损伤区残余应变能、E
r
为扰动区弹性应变能；
[0010]步骤j、判断剩余能量E
ci
与i+1岩层的极限应变能E
mi+1
之间的大小。
[0011]进一步地，还包括：
[0012]步骤k、当E
ci
≥E
mi+1
时，第i+1岩层将发，生损伤，损伤能量继续往i+2岩层传递，回到步骤d继续计算剩余能量E
c+1
，重新判断与i+2岩层极限应变能E
mi+2
之间的大小。
[0013]进一步地，还包括：
[0014]步骤j、当E
ci
<E
mi+1
时，i+1岩层不发生损伤，损伤传递停止，此时煤层开采造成的损伤范围至i岩层为止，进而计算出损伤范围总体积
[0015]进一步地，步骤d具体包括以下步骤：
[0016]步骤d1、首先计算第i层的损伤体积其中其中H为第i层岩层距开采煤层底板的距离，单位为米，H
i
为第i层岩层的厚度，单位为米，θ为倾向损伤角，β为走向损伤角。
[0017]步骤d2、计算第i层的开采扰动体积其中其中θ1为倾向损伤角，β1为走向损伤角。
[0018]步骤d3、第i岩层的塑性耗散应变能E
i
和ε
ui
分别为第i层岩层的弹性模量和塑性应变；
[0019]步骤d4、第i岩层的损伤区残余弹性应变能ε
sei
为第i层岩层损伤区的残余弹性应变；
[0020]步骤d5、第i岩层的扰动区残余弹性应变能ε
rei
为第i层岩层扰动区的弹性应变；
[0021]步骤d6、第i+1岩层的极限应变能ε
mi+1
为第i+1岩层峰值应变，V
mi+1
为第i+1层发生损伤后的损伤体积，与V
m
计算方法相同。
[0022]随着煤炭开采技术与装备的提升，集约化、高强度开采已成为我国安全高效矿井的主要模式。但集约化高强度开采引发的覆岩、地表及生态损伤严重，修复难度大、成本高，是制约煤炭绿色开采的共性关键技术难题。而掌握高强度开采对覆岩和地表的损伤及传导机理、规律，进而从开采源头出发研发高效低成本修复技术，是解决这一问题的根本途径。
[0023]本专利技术通过地面钻井确定覆岩各岩层厚度，并进行取样；实验室采用单轴压缩方法实测各岩层弹性模量E、峰值应变ε
m
、塑性应变ε
u
以及残余弹性应变ε
e
；根据煤层开采尺寸、煤层密度γ和光速C求出煤层开采总质能E
s
＝DLMγC2；根据能量守恒原则及已经发生损伤岩层的塑性损伤耗散能、残余应变弹性能和扰动区弹性应变能求出剩余能量E
c
；判断剩余能量E
c
与下一未损伤岩层的极限应变能E
m
之间的大小；当E
c
≥E
m
时，该岩层发生损伤，损
伤能量继续往上一岩层传递；当E
c
<E
m
时，该岩层不发生损伤，损伤传递停止，此时覆岩开采造成的损伤范围最终传导至该岩层，进而可以求出损伤范围总体积V
m
，该方法的实施能够理清煤层开采覆岩损伤传导机理，预测开采造成的损伤扰动范围，为实现损伤控制提供基础。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的煤层开采损伤传导过程中损伤区域及扰动区域剖面示意图；
[0025]图2为本专利技术的第i层岩层损伤区域俯视示意图。
[0026]附图标号说明：
[0027]1、开采煤层；2、覆岩；3、开采损伤区；4、煤层回采空间；5、地面钻孔；6、开采扰动区；7、第i层岩层；8、第i+1层岩层；9、开采空间走向；10、开采空间倾向。
具体实施方式
[0028]为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本专利技术。
[0029]如图1和图2所示，本专利技术的基于能量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，所述基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法包括以下步骤：步骤a、针对研究矿井在地面向开采煤层打地面钻孔，针对覆岩每一层进行取样及厚度H
i
的测量；步骤b、对每一层岩样进行实验室单轴压缩试验，测量各岩层弹性模量E、峰值应变ε
m
、塑性应变ε
u
以及残余弹性应变ε
e
；步骤c、根据质能方程计算煤层开采释放的总能量E
s
，单位为焦耳，具体计算方法为E
s
＝DLMγC2，D为工作面长度，单位为米，L为工作面推进长度，单位为米，M为工作面采高，单位为米，γ为煤层密度，单位为kg/m3，C为光速，单位为km/s。步骤d、根据能量守恒原则计算得出传导过程中损伤至第i层时的剩余能量E
ci
，剩余能量E
u
为损伤塑性耗散能、E
e
为损伤区残余应变能、E
r
为扰动区弹性应变能；步骤j、判断剩余能量E
ci
与i+1岩层的极限应变能E
mi+1
之间的大小。2.如权利要求1所述的基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法，其特征在于，还包括：步骤k、当E
ci
≥E
mi+1
时，第i+1岩层将发，生损伤，损伤能量继续往i+2岩层传递，回到步骤d继续计算剩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张村，贾胜，赵伟，赵毅鑫，李全生，张晨曦，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：