大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法技术

本发明专利技术公开了一种大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，包括：采用数值计算构建不同开采条件的数值模型并进行开挖计算，初步明确工作面倾向不同区域、走向不同位置煤壁力学环境动态变化规律；物理相似模拟实验方法铺装与数值计算同开采条件分区走向物理相似模型并开挖，综合数值计算结果确定倾角及层间效应耦合作用下回采过程中不同区域煤壁承载环境演变规律；进行多路径力学性能测试及逐级分区性加载物理相似材料实验，系统性研究大采高采场煤壁采动力学行为演变规律。其能够反映煤壁承载环境动态变化状况，不同承压路径下煤壁形变位移及内部结构状态演变等力学响应行为演变规律，为大倾角大采高采场煤壁灾变防控提供科学指导。壁灾变防控提供科学指导。壁灾变防控提供科学指导。

Research method of dynamic behavior evolution law of coal wall mining in large dip and high mining height stope

【技术实现步骤摘要】
大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法


[0001]本专利技术涉及大倾角大采高采场煤壁防控
，具体是涉及一种大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法。

技术介绍

[0002]大采高由于具有单面产效高、资源损耗少等技术性优势，现已在部分大倾角厚煤层开采中得到应用，虽取得了良好的经济效益，但煤壁片帮问题较为突出，大采高技术优势严重受限。大倾角工作面围岩控制的核心是“顶板
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支护体
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底板”系统动态稳定性控制，煤壁作为支护结构的组成元素之一，承载作用会多向耦合，无约束高度大，自稳性差，其一旦片帮，极易诱使工作面承载系统失衡，加剧围岩灾变，形成冒顶、飞矸等衍生动力灾害，制约工作面安全生产，煤壁灾变防控理论需求迫切。
[0003]煤壁灾变防控是确保大采高技术高效化开采大倾角等复杂难采优质煤炭资源的关键，学者们对此从多角度展开了研究，但目前着眼点主要聚焦在煤壁灾变形态、力学分析模型、支承压力分布演化、灾变机理及控制措施等方面，虽取得了一定成果，但仍存在局限性，煤壁灾变可理解为是其内部煤体力
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行为(变形、位移等)响应过程中由煤介质位移、变形等行为量变动态发展为结构质变，内部结构劣化后使得介质状态改变，完整性结构演变为松散、破碎结构，进而发生大尺度运移所表现出的宏观性破坏现象，可见，煤壁采动过程中力
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行为动态变化规律是其灾变研究的核心内容。为有效防控大倾角大采高采场煤壁失稳，亟需一种方法来有效确定倾角及层间效应下煤壁承载时空分布演变规律，煤体形变、内部结构破坏演变及裂隙发育演变等行为动态变化规律，以此为大倾角大采高工作面围岩动力灾害预测与控制提供基础。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种大倾角大采高采场煤壁采动力学研究方法，其能够反映煤壁承载环境动态变化状况，不同承压路径下煤壁形变位移及内部结构状态演变等力学响应行为演变规律，为大倾角大采高采场煤壁灾变防控提供科学指导。
[0005]为实现上述目的，专利技术采用的技术方案是：一种大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，包括：
[0006]采用数值计算构建不同开采条件的数值模型并进行开挖计算，绘制煤壁承载空间分布及其演变曲线，初步明确工作面倾向不同区域、走向不同位置煤壁承载强度、增载系数、扰动范围等力学环境动态变化规律；
[0007]采用物理相似模拟实验方法构建不同开采条件的物理相似材料模型并进行开挖计算，对数值模型下开采实验来辅证，并确定倾角及层间效应耦合作用下回采过程中承载环境演变规律；
[0008]基于煤壁承载规律，进行多路径力学性能测试及逐级分区性加载物理相似材料实
验，并将物理力学性能测试、力学性能数值计算实验及逐级分区性加载物理相似材料实验的结果综合分析，系统性研究大采高采场煤壁采动力学行为演变规律。
[0009]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述数值模型直接顶与数值模型煤层间嵌入有一层介质层，所述介质层厚度为数值模型直接顶厚度的1/5～1/2；所述数值模型直接顶及介质层自开切眼至边界区域内布置有多条应力测线；
[0010]其中，所述数值模型直接顶内的应力测线布置在到所述介质层的距离为1/5～1/4数值模型直接顶厚度处，测线间距为1m～2m，测点间距为0.2m～0.5m；介质层内沿其垂向中部布置测线、测点，测线、测点间距与数值模型基本顶内测线、测点的位置相对应；煤层中测线从模拟煤壁至边界面区域布设，所述数值模型煤层沿垂向上按数值模型煤层厚度划分为上、中、下三个层位，分别在不同层位的1/6层厚处布置测线、测点，所述测线、测点间距与直接顶测线、测点间距一致。
[0011]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述物理相似材料模型铺设时，在物理相似材料模型煤层底部埋设压力传感器，物理相似材料模型直接顶、介质层及煤层内沿工作面走向预埋土压力盒，且埋设间距与所述数值模型测点间距满足几何比列关系，并在实验后综合分析数值计算及物理相似材料实验监测数据，确定倾角及层间效应下工作面不同区域煤壁应力区划及其分布状况。
[0012]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述采用数值计算构建不同开采条件的数值模型并进行开挖计算，具体是基于研究工程背景下的现场煤层综合柱状图及煤岩力学参数，借助FLAC3D数值计算软件，建立不同倾角、层间属性数值计算模型并进行开挖计算。
[0013]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述力学性能测试包括物理试样力学性能测试和数值模型力学仿真测试。
[0014]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述物理试样力学性能测试具体为：现场从工作面上、中、下各区域中部位置进行取样，并加工成测试试样，借助超声波检测仪进行声波测试，试样端部涂抹耦合剂并将其竖直置于探头间，统计波速变化情况，剔除同类型中波速明显异化的试样，采用SEM电镜扫描差异化表征工作面不同区域煤体初始化状态，力学性能测试过程中借助高带宽声波信号采集仪及高速摄像仪动态监测并记录煤体内部结构损伤破坏状况及其破断形成演变过程，测试时将试样置于声波信号探头间，并一同放于压力试验机压头间，实时监测波速变化及其能量变化状况，加载值依据煤壁前方3m～5m处煤体采动过程中应力演变状况来确定，测试后可借助SME电镜确定煤体破断类型。
[0015]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述数值模型力学仿真测试具体为：借助3DEC数值计算软件进行，加压方式设定为加轴压
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卸围压和循环性加轴压
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卸围压两种路径加压，以确保研究条件一致，数值模型与物理试样等效；两种路径加压实验均需将轴、侧压根据煤层原岩应力水平进行加压，以模拟初始应力状态，并进行100～200计算时步的稳压操作，而后加轴压、卸侧压直至模型破坏，对于循环实验来说，其循环次数及强度根据煤壁前方3m～5m处承载环境确定。
[0016]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所
述逐级分区性加载物理相似实验具体为：借助可调加载模拟实验装置，铺装工作面分区性相似材料模型，拟采关键区煤层铺装时预设横、纵向交叉状斜切节理，节理切入角度可参照煤样力学实验破断角进行设定；煤层内逐层预埋光纤、土压力盒，实验前用液压加载装置施载模拟原岩应力状态，实验中依据煤壁采动过程中承载规律，确定最大支承压力所处位置，进行逐级分区性加载，采用光纤、土压力盒、微震系统进行动态监测。
[0017]上述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，综合分析物理力学性能测试、力学性能数值计算实验及逐级分区性加载物理相似材料实验结果，揭示大采高采场煤壁采动力学行为演变规律。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，包括：采用数值计算构建不同开采条件的数值模型并进行开挖计算，绘制煤壁承载空间分布及其演变曲线，初步明确工作面倾向不同区域、走向不同位置煤壁承载强度、增载系数、扰动范围的力学环境动态变化规律；采用物理相似模拟实验方法构建与数值计算同开采条件的分区走向物理相似材料模型并进行开挖计算，对数值模型下开采实验来辅证，并确定倾角及层间效应耦合作用下回采过程中承载环境演变规律；基于煤壁承载规律，进行多路径力学性能测试及逐级分区性加载物理相似材料实验，并将物理力学性能测试、力学性能数值计算实验及逐级分区性加载物理相似材料实验的结果综合分析，系统性研究大采高采场煤壁采动力学行为演变规律。2.按照权利要求1所述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述数值模型直接顶与数值模型煤层间嵌入有一层介质层，所述介质层厚度为数值模型直接顶厚度的1/5～1/2；所述数值模型直接顶及介质层自开切眼至边界区域内布置有多条应力测线；其中，所述数值模型直接顶内的应力测线布置在到所述介质层的距离为1/5～1/4数值模型直接顶厚度处，测线间距为1m～2m，测点间距为0.2m～0.5m；介质层内沿其垂向中部布置测线、测点，测线、测点间距与数值模型基本顶内测线、测点的位置相对应；煤层中测线从模拟煤壁至边界面区域布设，所述数值模型煤层沿垂向上按数值模型煤层厚度划分为上、中、下三个层位，分别在不同层位的1/6层厚处布置测线、测点，所述测线、测点间距与直接顶测线、测点间距一致。3.按照权利要求1所述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述物理相似材料模型铺设时，在物理相似材料模型煤层底部埋设压力传感器，物理相似材料模型直接顶、介质层及煤层内沿工作面走向预埋土压力盒，且埋设间距与所述数值模型测点间距满足几何比列关系，并在实验后综合分析数值计算及物理相似材料实验监测数据，确定倾角及层间效应下工作面不同区域煤壁应力区划及其分布状况。4.按照权利要求1所述的大倾角大采高采场煤壁采动力学行为演变规律研究方法，其特征在于，所述采用数值计算构建不同开采条件的数值模型并进行开挖计算，具体是基于研究工程背景下的现场煤层综合柱状图及煤岩力学参数，借助FLAC3D数值计算软件，建立不同倾角、采高、层间属性数值计算模型并进行开挖计算。5.按照权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，伍永平，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：