一种顶板充注通道的垂向层位设计方法技术

本发明专利技术公开了一种顶板充注通道的垂向层位设计方法，包括构建并简化地质模型

【技术实现步骤摘要】
一种顶板充注通道的垂向层位设计方法


[0001]本专利技术属于煤矿开采
，涉及一种顶板充注通道的垂向层位设计方法
。

技术介绍

[0002]在煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法中，将沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔布设在煤层的顶板岩层内，进而形成充填膏体的充注通道
。
在工作面开采过程中，顶板充注通道的套管前段需要在开采后一段时间随着顶板垮落而出露于采空区，这种延时垮落对顶板充注通道的垂向层位选择提出了较高的要求
。
当顶板充注通道距离煤层过近时，煤层直接顶易在煤层开采后直接垮落，影响回采线附近设备的正常运行；当顶板充注通道距离煤层过远时，采空区的煤层顶板垮落困难，即使有现场辅助设备
(
空气炮
、
水力切割等
)
，也增加了采空区持续充填的难度，进而影响随采随充的整体精度
。
目前随采随充生态采煤方法中的顶板充注通道一般布设于煤层的直接顶中，具体的层位依靠相近地质条件工作面开采过程中的顶板垮落情况等已知信息来给出
。
但该方法存在以下不足：其一，没有考虑不同工作面在地质条件上的差异的影响，如煤层顶板厚度
、
岩性
、
岩层走向
、
是否存在直接顶等；其二，没有考虑同一工作面内局部地质构造的影响，如工作面内局部断层或裂隙的发育情况等；其三，没有考虑充注通道自身对煤层顶板的破坏
。
[0003]综上，煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法对顶板充注通道的垂向层位要求较高，依靠地质条件类似的工作面顶板垮落情况等已知信息来设计存在较大不足，亟需一套针对性强
、
适用性广的顶板充注通道的垂向层位设计方法
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种顶板充注通道的垂向层位设计方法，以解决目前顶板充注通道方案设计针对性不强
、
适用性差等问题
。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种顶板充注通道的垂向层位设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，根据综采工作面的采掘设计和钻孔资料构建地质模型，并根据不同岩性地层的力学参数，对地质模型进行简化，简化后的地质模型从上到下依次为煤层顶板岩层
、
煤层
、
煤层底板岩层，还包括特殊地质构造断层带或陷落柱；
[0008]步骤2，在简化后的地质模型中加入综采工作面中顶板充注通道，形成带有顶板充注通道的地质模型；顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离初始值先依据顶板充注通道的钻孔直径确定，再根据后续步骤5的结果判断是否调整；
[0009]步骤3：根据步骤2中带有顶板充注通道的地质模型，模拟顶板充注通道形成后综采工作面煤层顶板的应力应变，作为后续步骤4中计算未充填的采空区煤层顶板的应力应变的初始值；
[0010]步骤4：采用分步开采工作面
、
分步回填采空区的方法，逐段模拟工作面开采过程中未充填的采空区煤层顶板的应力应变，并根据未充填的采空区煤层顶板的应变计算未充
填的采空区煤层顶板的垂直位移；
[0011]步骤5：根据综采工作面垮落辅助系统的可切割岩层厚度，判断顶板充注通道的垂直距离设计是否满足要求，若当前孔组全部符合判断标准，则设计方案满足随采随充生态采煤需求，结束流程；若不符合判断标准时，调整顶板充注通道的位置后返回步骤2；
[0012]步骤6：经步骤5判断得到符合标准的各段顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离，将各顶板充注通道的垂向层位逐段相连，进而绘制出各顶板充注通道的垂向层位设计路径
。
[0013]本专利技术还包括如下技术特征：
[0014]具体的，所述步骤1中，钻孔资料包括研究区域内的地层类型及各地层分界面的高程变化；地层的力学参数包括弹性模量
、
泊松比
、
密度
、
内聚力和内摩擦角
。
[0015]具体的，所述步骤1包括：从综采工作面的采掘设计，确定研究区域的水平范围；从综采工作面的钻孔资料，获取研究区域内的地层类型及各地层分界面的高程变化；进而在研究区域的水平范围和研究区域内各地层分界面的基础上构建地质模型，地质模型的水平范围相对于研究区域的水平范围向外延伸；根据不同岩性地层的力学参数，对地质模型进行简化，将力学参数接近的不同地层合并为一层
。
[0016]具体的，所述步骤2中，顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离初始值与顶板充注通道的钻孔直径成正比
。
[0017]具体的，模拟所述顶板充注通道形成后煤层顶板的应力应变，包括如下步骤：根据带有顶板充注通道的地质模型，在模拟软件中建立几何模型；根据地质模型的力学参数，对几何模型在不同区域的物理参数进行设定，形成模拟需要的地质模型；定义地质模型在模拟过程中的本构模型
、
屈服准则和边界条件；对地质模型进行网格剖分；求解计算结果，即顶板充注通道形成后综采工作面煤层顶板的应力应变
。
[0018]具体的，所述模拟中采用的本构模型和屈服准则根据研究区域各地层的力学参数确定
。
[0019]具体的，所述模拟中使用
comsol
进行模拟计算，边界条件为位移约束边界，其中模型前后和左右边界均设置水平位移约束，模型底部设置为全约束
。
[0020]具体的，所述步骤4中，逐段模拟工作面开采过程包括：设工作面每天开采
A
米，回填速度与开采速度相同；工作面开采第一天，形成采空区
A
米，此时进行第1段模拟中，地质模型与步骤3相比为第一天的开采区域的煤层由采空区代替；工作面开采第二天，此时第一天开采形成的采空区尚未完成充填充，充填体对上覆岩层无支撑作用，形成采空区
2A
米，此时进行第2段模拟中，地质模型与步骤3相比为第一天和第二天的开采区域的煤层由采空区代替；工作面开采第三天，第一天开采形成的采空区完成充填，默认该区域充填体强度足够支撑上覆岩层的压力，该区域的煤层顶板不再发生位移，第二天开采形成的采空区尚未完成充填，形成采空区
2A
米，此时进行第3段模拟中，地质模型与步骤3相比为第一天的开采区域煤层由充填体代替，第二天和第三天的开采区域的煤层由采空区代替；此后依次类推，直至完成整个工作面的开采与回填
。
[0021]具体的，所述步骤5中，记第
k
段中编号为
j
的顶板充注通道，其中心距离煤层的垂直距离为
H
jk
，该段采空区的顶板最大垂向位移为
w
jk
，其中
1≤j≤m
，
1≤k≤n
，
m
为综采工作面中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据综采工作面的采掘设计和钻孔资料构建地质模型，并根据不同岩性地层的力学参数，对地质模型进行简化，简化后的地质模型从上到下依次为煤层顶板岩层
、
煤层
、
煤层底板岩层，还包括特殊地质构造断层带或陷落柱；步骤2，在简化后的地质模型中加入综采工作面中顶板充注通道，形成带有顶板充注通道的地质模型；顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离初始值先依据顶板充注通道的钻孔直径确定，再根据后续步骤5的结果判断是否调整；步骤3：根据步骤2中带有顶板充注通道的地质模型，模拟顶板充注通道形成后综采工作面煤层顶板的应力应变，作为后续步骤4中计算未充填的采空区煤层顶板的应力应变的初始值；步骤4：采用分步开采工作面
、
分步回填采空区的方法，逐段模拟工作面开采过程中未充填的采空区煤层顶板的应力应变，并根据未充填的采空区煤层顶板的应变计算未充填的采空区煤层顶板的垂直位移；步骤5：根据综采工作面垮落辅助系统的可切割岩层厚度，判断顶板充注通道的垂直距离设计是否满足要求，若当前孔组全部符合判断标准，则设计方案满足随采随充生态采煤需求，结束流程；若不符合判断标准时，调整顶板充注通道的位置后返回步骤2；步骤6：经步骤5判断得到符合标准的各段顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离，将各顶板充注通道的垂向层位逐段相连，进而绘制出各顶板充注通道的垂向层位设计路径
。2.
如权利要求1所述的顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，所述步骤1中，钻孔资料包括研究区域内的地层类型及各地层分界面的高程变化；地层的力学参数包括弹性模量
、
泊松比
、
密度
、
内聚力和内摩擦角
。3.
如权利要求2所述的顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：从综采工作面的采掘设计，确定研究区域的水平范围；从综采工作面的钻孔资料，获取研究区域内的地层类型及各地层分界面的高程变化；进而在研究区域的水平范围和研究区域内各地层分界面的基础上构建地质模型，地质模型的水平范围相对于研究区域的水平范围向外延伸；根据不同岩性地层的力学参数，对地质模型进行简化，将力学参数接近的不同地层合并为一层
。4.
如权利要求1所述的顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，所述步骤2中，顶板充注通道中心距离煤层的垂直距离初始值与顶板充注通道的钻孔直径成正比
。5.
如权利要求1所述的顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，模拟所述顶板充注通道形成后煤层顶板的应力应变，包括如下步骤：根据带有顶板充注通道的地质模型，在模拟软件中建立几何模型；根据地质模型的力学参数，对几何模型在不同区域的物理参数进行设定，形成模拟需要的地质模型；定义地质模型在模拟过程中的本构模型
、
屈服准则和边界条件；对地质模型进行网格剖分；求解计算结果，即顶板充注通道形成后综采工作面煤层顶板的应力应变
。6.
如权利要求5所述的顶板充注通道的垂向层位设计方法，其特征在于，所述模拟中采用的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁博，鲁晶津，王海军，王云宏，崔伟雄，王冰纯，李宇腾，房哲，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：