一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法技术

一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，包含步骤：计算在采掘时间

【技术实现步骤摘要】
一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法
本专利技术涉及多煤层地下开采、煤炭地下气化等开发
，特别是涉及一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法。
技术介绍
煤炭开采过后，往往形成采空区，不可避免地对其上覆岩层、下伏岩层及未开采煤层产生重要影响。地下煤岩的开采，从本质上来说是一种卸载作用，而加载作用和卸载作用有着本质的区别。煤岩在开采过程中被卸去了围压，应力状态由三向变成了两向。由于围压被完全卸除或部分卸除，造成煤岩承载能力降低并被破坏，导致工作面及巷道变形或破坏，诱发滑坡、地表塌陷、地下水污染、断层活化及有害气体释放等多种地质灾害，严重影响工作人员的生命安全和正常生产。前人对煤炭开采影响下岩石性质的变化多集中在工作面煤层、工作面上覆岩层和下伏岩层，如CN106050237A公开的采空区下伏煤层的综采冲击地压防治系统及其方法，对多煤层条件下上覆煤储层性质变化特征的研究较少。多煤层条件下，下部煤层的开采势必引起周围围岩性质的变化，带动上覆煤层发生断裂变形或塑性变形，且上覆煤层发生变形有一定的波及范围，不同范围内不同位置处煤岩的孔隙、裂隙以及吸附性等影响煤层气开采的重要物性参数变化特征必然具有较大的差异，因而对煤矿安全生产、煤层气开采影响程度不同。
技术实现思路
为了弥补上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法。一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，包括如下步骤：步骤1：获取生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算在采掘时间tj时刻的采空区面积Aj1；步骤2：依据步骤1得出的采空区面积Aj1求取采空区上方岩层所受的垂向应力σi；步骤3：根据岩层破裂破坏前垂向应力σi和垂向应变εvi间的关系，求取在采掘时间tj时刻上方第i层岩石的垂向位移di；步骤4：根据步骤3中的垂向应变εvi反推求取在采掘时间tj时刻上方第i层岩石的水平应变εhi；步骤5：计算第i层岩石的碎胀系数Kpi；步骤6：根据垂向应变εvi以及步骤5得出的碎胀系数Kpi，计算岩体的实际形变量εhti；步骤7：根据步骤6得到的岩体的实际形变量εhti，计算上方第i层岩石的实际受力面积Aj2；步骤8：通过碎胀系数Kpi校正任意时刻tj下岩层i的垂向位移dti；步骤9：将生产现场铺设的应变电缆获取的原始平行岩层横向半径距离x与求取的原始岩层垂向位移dti进行归一化处理，计算任意时刻tj下岩层i的煤岩破坏指数CDI，完成煤层变形定量评价。进一步地，在上述步骤1中，获取生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算开采时间tj时刻的采空区的面积Aj1：Aj1＝v*tj*b(1)(1)式中，v为生产工作面实际开挖速度，tj为开采时间，b为所采工作面宽度，Aj1为tj时刻下采空区的面积。进一步地，在上述步骤2中，依据岩层密度、岩层高度及重力加速度来计算所评价岩层所受的垂向应力σi：(2)式中，σi为第i层岩层所受垂向应力，ρi+1为第i+1层岩层密度，hi+1为第i+1层岩层高度，g为重力加速度。进一步地，在上述步骤3中，包括如下分步骤：步骤3.1，求取对于第i层岩层而言，破裂破坏前垂向应力和垂向应变间的关系：σi＝Ei*εvi+ci(3)(3)式中，Ei为第i层岩层的弹性模量，该参数通过岩石三轴力学实验测试直接获取，εvi为第i层岩层的垂向应变，ci为第i层岩层与力学相关的常数，该常数通过岩石三轴力学试验测试直接读取；步骤3.2，求取tj时刻，岩层i在垂向上的位移：(4)式中，di为第i层的垂向位移，hi为第i层岩层高度，σi为第i层岩层破裂破坏前垂向应力，ci为第i层岩层与力学相关的常数，该常数通过岩石三轴力学试验测试直接读取，Ei为第i层岩层的弹性模量，该参数通过岩石三轴力学实验测试直接获取。进一步地，在上述步骤4中，根据体积不变原则，依据垂向应变反推水平应变εhi：(5)式中，εhi为第i层岩层的水平应变，εvi为第i层岩层的垂向应变。进一步地，在上述步骤5中，计算第i层煤岩的碎胀系数KPi：(6)式中，Kpi为第i层煤岩的碎胀系数，max(di)为岩层最大垂向位移，di为第i层的垂向位移。进一步地，计算岩体的实际变形量εhti：(7)式中，εhti为第i层岩层的的实际水平应变，Kpi为第i层煤岩的碎胀系数，εvi为第i层岩层的垂向应变。进一步地，在上述步骤7中，计算第i层岩层的实际受力面积Aj2：Aj2＝(1-εhti)v*tj*b(8)(8)式中，Aj2为tj时刻下第i层岩层的实际受力面积，εhti为第i层岩层的实际水平应变，v为生产工作面实际开挖速度，tj为开采时间，b为所采工作面宽度。进一步地，在上述步骤8中，校正任意时刻tj下第i层岩层的垂向位移dti：(9)式中，dti为待评价煤层的垂向位移，hi、hi+1分别为第i层和第i+1层岩层厚度，ρi+1为第i+1层岩层密度，v为生产工作面实际开挖速度，tj为工作面开采时间，b为所采工作面宽度，εvi为第i层岩层的垂向应变，ci为第i层岩层与力学相关的常数，该常数通过岩石三轴力学试验测试直接读取，Ei为第i层岩层的弹性模量，该参数通过岩石三轴力学实验测试直接获取，Kpi为煤岩碎胀系数，g为重力加速度。进一步地，在上述步骤9中，将生产现场铺设的应变电缆获取的原始平行岩层横向半径距离x与求取的原始岩层垂向位移dti进行归一化处理，最终获得待评价地层煤岩破坏指数CDI：(10)式中，CDI为待评价地层归一化的煤岩破坏指数，xl为生产现场铺设的应变电缆获取的原始平行岩层横向半径距离。本专利技术达到的有益效果为：将现场生产获得的数据与理论计算数据相结合且采用的定量评价参数容易获取，通过计算采动过程中上覆岩层的实际垂向位移，能够定量评价上覆岩层的实际变形量，并实现上覆岩层变形破坏的定量评价，实施难度较低，能够较为准确的评价上覆煤层受采动影响的变形特征，并提出了煤岩破坏指数CDI，对于后期的煤矿安全生产及多煤层区煤层气勘探开发具有重要的支撑作用。附图说明图1为本专利技术实施例中所述上覆煤层变形定量评价方法的流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。本专利技术所采用的技术方案是：一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，包含以下步骤：步骤1：计算在采掘时间tj时刻的采空区面积Aj1。获取生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算开采时间tj时刻的采空区的面积Aj1：Aj1＝v*tj*b(1)(1)式中，v为生产工作面实际开挖速度，tj为开采时间，b为所采工作面宽度，Aj1为tj时刻下采空区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n步骤1：基于生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算在采掘时间t

【技术特征摘要】
1.一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：基于生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算在采掘时间tj时刻的采空区面积Aj1；
步骤2：依据步骤1得出的采空区面积Aj1求取采空区上方岩层所受的垂向应力σi；
步骤3：根据岩层破裂破坏前垂向应力σi和垂向应变εvi间的关系，求取在采掘时间tj时刻上方第i层岩石的垂向位移di；
步骤4：根据步骤3中的垂向应变εvi反推求取在采掘时间tj时刻上方第i层岩石的水平应变εhi；
步骤5：计算第i层岩石的碎胀系数Kpi；
步骤6：根据垂向应变εvi以及步骤5得出的碎胀系数Kpi，计算岩体的实际形变量εhti；
步骤7：根据步骤6得到的岩体的实际形变量εhti，计算上方第i层岩石的实际受力面积Aj2；
步骤8：通过碎胀系数Kpi校正任意时刻tj下岩层i的垂向位移dti；
步骤9：将生产现场铺设的应变电缆获取的原始平行岩层横向半径距离x与求取的原始岩层垂向位移dti进行归一化处理，计算任意时刻tj下岩层i的煤岩破坏指数CDI，完成煤层变形定量评价。


2.根据权利要求1所述的一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，其特征在于：在上述步骤1中，获取生产工作面实际开采速度、开采时间及所采工作面的宽度，计算开采时间tj时刻的采空区的面积Aj1：
Aj1＝v*tj*b(1)
(1)式中，v为生产工作面实际开挖速度，tj为开采时间，b为所采工作面宽度，Aj1为tj时刻下采空区的面积。


3.根据权利要求1所述的一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，其特征在于：在上述步骤2中，依据岩层密度、岩层高度及重力加速度来计算所评价岩层所受的垂向应力σi：



(2)式中，σi为第i层岩层所受垂向应力，ρi+1为第i+1层岩层密度，hi+1为第i+1层岩层厚度，g为重力加速度。


4.根据权利要求1所述的一种多煤层区采动过程中上覆煤层变形定量评价方法，其特征在于：在上述步骤3中，包括如下分步骤：
步骤3.1，求取对于第i层岩层而言，破裂破坏前垂向应力和垂向应变间的关系：
σi＝Ei*εvi+ci(3)
(3)式中，Ei为第i层岩层的弹性模量，该参数通过岩石三轴力学实验测试直接获取，εvi为第i层岩层的垂向应变，ci为第i层岩层与力学相关的常数，该常数可过岩石三轴力学试验测试直接读取；
步骤3.2，求取tj时刻，岩层i在垂向上的位移：



(4)式中，di为第i层的垂向位移，hi为第i层岩层高度，σi为第i层岩层破裂破坏前垂向应力，ci为第i层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李腾，吴财芳，韩江，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61