一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法技术

本发明专利技术涉及煤炭开采技术领域，公开了一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，包括如下步骤：S1、确定采动工作面；通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；S2、取样获取参数；取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；S3、建立三维地质模型；获取煤层顶板的地层信息，建立三维地质模型以导入至数据模拟软件中。本发明专利技术可以更加精确地模拟出煤层采动工作面在开采过程中及过后“两带”高度发育较为准确的发展过程，为后期设计实际探测“两带”发高度的钻孔倾角计倾向提供合理数据指导。孔倾角计倾向提供合理数据指导。孔倾角计倾向提供合理数据指导。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法


[0001]本专利技术涉及煤炭开采
，尤其涉及一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法。

技术介绍

[0002]当前我国煤矿开采主要是井下开采，当目标工作面煤层开采过后，煤层顶底板由于失去原有的应力束缚，采动煤层上部受到采动应力场影响的岩体，我们称之为上覆岩层。煤层上覆岩体由于开采后缺少原有的束缚，煤层的上覆岩体会产生下滑、断裂与位移等现象，产生空间采动裂隙。此外，其由采动产生的裂隙，依据其相关性质，系统地分为三类：一为竖向破断裂隙，二为岩层层间离层裂隙，三为采动节理活化。
[0003]依据工作面的向前推进，煤层开采后的顶板的破坏形式，可将上覆岩层“垮落带、裂隙带、弯曲带”这三部分。其中垮落带是指上覆岩层在采空区己经垮落，在采场由支架暂时支撑，继而上覆岩体无法与四周岩体时刻由传递力的联系。裂隙带岩层位于垮落带的上部，在开采方向上上部岩石裂隙较发育且岩层的裂隙深度已扩展到较高位置。弯曲带的岩层在采场推进很长一段距离后才会运动，其影响范围为裂隙带之上直到地表。
[0004]研究上覆岩体的垮落带高度及导水裂隙带不仅对顶底板突水水害治理和地下水资源的溯源有重要意义，同时对于由于采动导致的瓦斯突出灾害治理与其余相关煤矿灾害防治都具有重要意义。由于不同煤矿地质条件的及工作面的埋深各不相同，继而煤层顶板上覆岩体由于煤层采掘推进导致的“两带”发育高度与由采动导致的岩石空间裂隙的分布特征同样十分复杂。此外，同时由煤层开采厚度和采煤方法的影响。目前确定“两带”高度的方法比较多，有传统公式法、工程物探法、钻孔探测法。依据《三下采煤规范》中的“两带”计算公式只适用于薄及中厚分层开采的煤层，不适用于综放开采和一次采全高的厚煤层。对于研究由于采动导致的采动裂隙分布特征，一部分学者利用建立模型进行实验室实验、图像分析以及离散元模拟的方法对采动工作面的采动裂隙分布特征进行模拟研究，揭示了煤层上覆岩体在采动作用下“垮落带及导水裂隙带”的发育规律与O型圈分布特征；一部分学者采用UDEC软件分析了采动裂隙演化规律及分布特征，同时利用研究规律计算在此种条件下导水裂隙带的发育高度；在工程物探方向利用地震技术及CT声波技术对采动裂隙的发育规律进行观测与研究；而在实际生产中不可避免的需要进行实际的钻孔探查，依据实际的钻孔岩芯的实际性质来判断实际“两带”发育高度。以上研究主要是以现场监测及软件模拟为主要手段，来观测开采条件下“两带”高度，对采动裂隙分布特征主要研究了围岩应力的作用，而对裂隙演变动态规律研究有待进一步开展。在实际的钻孔设计过程中可能影响最后观测结果的因素有很多，主要影响因素为开孔位置距离停采线距离、钻孔设计倾角、钻孔设计倾向等；钻孔设计的目的是根据取出岩芯来判断对应的垮落带、导水裂隙带发育高度，因此钻孔的设计角度及倾向是否可以打到实际的导水裂隙带及垮落带最高点是实际的一大问题，因此在设计前需要最好计算与分析判断“两带”发育规律，依据总结的规律利用实际钻孔来验证实际的“两带”发育高度。
[0005]上述研究方法虽然针对不同的问题进行了一定的改进，但是大多数都是在研究“两带”的发育规律上，仍然没有很好的解决如下问题：
[0006]“两带”高度的计算问题上：
[0007]当前煤矿在煤层开采过程中的“两带”发育高度的计算一般采用理论计算及部分力学公式推导进行计算。理论计算的方法一般采用的是《三下规范》中的“两带”发育高的计算方法进行计算，主体是依据主采煤层的采高来进行计算；在着力学公式推导的方法是依据建立均值模型来计算煤层顶板荷载极值，并与实际实验得到的顶板抗压及抗拉强度极值进行比较来判断“两带”的大致发育高度。这种方法忽略了工作面的实际地质条件及不同地层之间的压力差异和煤层埋深的实际压力的影响，导致实际计算的“两带”发育高度与开采中导致的“两带”高度有较大差异。因此，需要在开采前在最大限度的了解由于开采导致的“两带”发育高度极值，保证实际的开采安全。
[0008]煤层顶板破坏的空间分布形态：
[0009]已知，伴随着工作面逐步推进，顶板塑性区逐渐扩大。主要表现在工作面推进顶板塑性区在空间上的展布趋向于形成一个中部为“漏斗状”，塑性区边界为拱形的区域。继而，在空间上煤层顶板上部破坏部分以中部的“漏斗状”形态，导致在采动工作面的剖面上展现为“马鞍形”。即主体表现为“马鞍形”的中部为垮落带的极点，而“马鞍形”的两个坡峰为导水裂隙带的发育峰值点。此外由数值模拟结果可知顶板塑性区自下而上的塑性区范围呈现逐渐变小的趋势，且逐渐形成闭合圈状，称之为
‘
O
’
型圈。进而在设计钻孔时应当考虑“O”形圈的发育规律，来进一步提高两带发育高度的准确性。
[0010](3)“两带”探测钻孔的布置
[0011]通过收集资料可知，在以往的“两带”发育探测孔的实际中，一般都是采用理论计算破坏高度，而后根据以往的探测经验区设计探测钻孔的倾向及倾角。此种设计钻孔的技术具有较大的偶然性，会导致钻孔实际探测结果不理想。因此，我们通过数值模拟掌握煤层顶板在发育高度及空间破坏上的规律；根据数值模拟的接轨分析得到，采煤工作面的煤层顶板的“两带”发育一般呈现“马鞍形”发育形状。故而，在设计钻孔区实际探测“两带”发育高度时，理想状态下是探测孔穿过“马鞍形”形状的最低点及最高点。以此，来确定垮落带及导水裂隙带发育的最大高度。但实际设计钻孔时往往是依据矿区以往的资料及经验来设计探测孔的设计倾向及倾角，继而导致实际的钻孔并没有穿过实际“两带”发育的最高点。使得探测的“两带”发育高度较小于实际发育高度，为煤炭开采安全埋下隐患。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0013]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0014]一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，包括如下步骤：
[0015]S1、确定采动工作面；通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；
[0016]S2、取样获取参数；取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；
[0017]S3、建立三维地质模型；获取煤层顶板的地层信息，建立三维地质模型以导入至FLAC3D数值模拟软件中；
[0018]S4、数据模拟分析；通过对FLAC3D数值模拟软件保存下来的数据分析得到工作面开挖过程中垮落带H1与导水裂隙带最大高度H2；
[0019]S5、计算钻孔倾角；
[0020]具体地，根据获得的垮落带高度数据，计算钻孔倾角，并利用如下公式：
[0021][0022][0023]计算导水裂隙带高度时，利用如下公式：
[0024][0025]其中，θ1为钻孔水平面投影与工作面边界的夹角、θ2为在探测垮落带高度时实际钻孔方向与其在工作面上投影的夹角，θ3为在探测导水裂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、确定采动工作面；通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；S2、取样获取参数；取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；S3、建立三维地质模型；获取煤层顶板的地层信息，建立三维地质模型以导入至FLAC3D数值模拟软件中；S4、数据模拟分析；通过对FLAC3D数值模拟软件保存下来的数据分析得到工作面开挖过程中垮落带H1与导水裂隙带最大高度H2；S5、计算钻孔倾角；具体地，根据获得的垮落带高度数...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋涛，刘阳，鲁海峰，王天皓，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：