本發(fā)明涉及一種分析煤巖強(qiáng)度劣化耦合特征的方法,具體涉及一種分析工程擾動(dòng)影響下煤巖強(qiáng)度劣化耦合特征的方法,屬于礦業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
天然巖體中存在大量原生裂隙、孔隙,這些結(jié)構(gòu)缺陷在地應(yīng)力的作用下成為應(yīng)力集中-釋放區(qū)域,不僅大幅降低工程巖體的穩(wěn)定性,也嚴(yán)重影響巖體的滲透特性。裂隙煤巖的滲流場(chǎng)受區(qū)域地應(yīng)力環(huán)境的影響很大,而滲流場(chǎng)的改變反過(guò)來(lái)又對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生作用。因此,“應(yīng)力-滲流”耦合作用是裂隙煤巖力學(xué)中一個(gè)重要的特征。
已有研究表明:在力學(xué)領(lǐng)域,水-巖體相互作用為“流固耦合作用”,研究水-巖體相互作用的多場(chǎng)耦合理論模型與數(shù)值模擬方法等為主要研究?jī)?nèi)容之一,主要代表性學(xué)者有oda、唐春安、仵彥卿、王媛等;在地球科學(xué)領(lǐng)域,水-巖體相互作用主要涉及水對(duì)巖體物理力學(xué)性質(zhì)、破裂特性等方面的研究,代表性學(xué)者有馮夏庭、黃潤(rùn)秋、唐輝明、湯連生等。
現(xiàn)有的研究成果主要集中在巖體水力學(xué)的流固耦合模型和水-巖體相互作用的力學(xué)性能及水物理化學(xué)作用對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響。而針對(duì)我國(guó)西北生態(tài)脆弱區(qū)特定地質(zhì)條件與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境下區(qū)域生態(tài)-水-巖體空間賦存結(jié)構(gòu)特征、水-巖體相互作用下區(qū)域地應(yīng)力特征-結(jié)構(gòu)-滲透性變化規(guī)律及采礦誘發(fā)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制,則研究成果還相對(duì)較少,有待進(jìn)一步深入研究。
此外,針對(duì)裂隙煤巖中裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)獲取技術(shù)的研究較少,現(xiàn)有技術(shù)較少實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集裂隙場(chǎng)數(shù)據(jù),且現(xiàn)有裂隙煤巖的強(qiáng)度劣化特證研究多無(wú)法將應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)完全耦合分析,多是裂隙場(chǎng)演化條件下分析裂隙煤巖滲流規(guī)律,而忽略應(yīng)力場(chǎng)與其它物理-力學(xué)場(chǎng)間的互相作用。
現(xiàn)有的研究主要聚焦基礎(chǔ)理論研究,并未涉及裂隙煤巖強(qiáng)度劣化對(duì)環(huán)境,尤其是西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭高強(qiáng)度開(kāi)采下水資源保護(hù)等問(wèn)題。
烏魯木齊礦區(qū)賦存著大量的急傾斜特厚煤層,工作面上采動(dòng)覆層中多存在由季節(jié)性水源(如冬季積雪融化)所形成的承壓水體?!傲严?滲流”耦合作用下煤巖體結(jié)構(gòu)性畸變致誘巖體強(qiáng)度劣化,導(dǎo)致采動(dòng)覆層中形成宏觀裂隙網(wǎng)絡(luò),為承壓水體向工作面運(yùn)移提供流動(dòng)通道,特別是承壓水體滲流過(guò)程中常攜帶大量泥土、沙石,造成工作面突水潰沙現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。此外,巖體在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間水體浸泡后,其力學(xué)性能急劇劣化,采動(dòng)覆層出現(xiàn)大尺度突發(fā)性斷裂,大體積冒落和大面積片幫頻發(fā)并誘發(fā)沖擊地壓,更甚出現(xiàn)井下泥石流等動(dòng)力災(zāi)害,對(duì)工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大隱患。
烏魯木齊礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)環(huán)境極其復(fù)雜,礦區(qū)內(nèi)急傾斜煤層的地層賦存環(huán)境在世界范圍內(nèi)都極具特殊性,區(qū)域地質(zhì)力學(xué)特征以強(qiáng)擠壓應(yīng)力為主,“應(yīng)力-裂隙”耦合作用的存在進(jìn)一步增加煤巖體的強(qiáng)度劣化程度。此外,采用連續(xù)介質(zhì)的方法求解煤巖體滲流相關(guān)問(wèn)題時(shí),裂隙寬度的微小改變將引起裂隙滲流量的巨大變化,而裂隙隙寬受裂隙面上的應(yīng)力控制,所以通過(guò)裂隙面的滲流量與應(yīng)力環(huán)境緊密相關(guān)。另一方面,滲流水壓也可以影響裂隙面上的有效應(yīng)力。
綜上分析可知,為準(zhǔn)確分析巖體裂隙中的滲流問(wèn)題,在進(jìn)行巖體滲流研究時(shí)應(yīng)考慮巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力與滲流相互耦合(多場(chǎng)耦合條件)作用下煤巖體強(qiáng)度劣化時(shí)空演化機(jī)理,揭示多場(chǎng)耦合作用下裂隙煤巖強(qiáng)度劣化機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
現(xiàn)有的礦山巖石力學(xué)大多建立在標(biāo)準(zhǔn)化巖石全應(yīng)力-應(yīng)變力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,從準(zhǔn)靜態(tài)的研究視角出發(fā),獲得的煤巖體基本力學(xué)性質(zhì)及宏觀強(qiáng)度參量,受限于實(shí)驗(yàn)條件,考慮工程擾動(dòng)應(yīng)力環(huán)境影響的煤巖體強(qiáng)度劣化演化研究較少。
然而,忽略工程擾動(dòng)應(yīng)力環(huán)境的影響所得出相應(yīng)結(jié)論將失去科學(xué)性、針對(duì)性,甚至沒(méi)有意義。
因此,揭示基于工程擾動(dòng)下煤巖體強(qiáng)度耦合演化機(jī)理及采動(dòng)覆巖的穩(wěn)定性協(xié)同判據(jù)是研究西部生態(tài)脆弱區(qū)保護(hù)性煤炭開(kāi)采理論的基礎(chǔ)之一,具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種在考慮工程擾動(dòng)影響的情況下、能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)分析多場(chǎng)耦合作用(應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng))下煤巖體強(qiáng)度劣化耦合特征的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種分析工程擾動(dòng)影響下煤巖強(qiáng)度劣化耦合特征的方法,其特征在于,包括以下步驟:
step1:改造現(xiàn)有壓力機(jī),使其能與x射線機(jī)配套使用并且能輸出多種類型的載荷;
step2:現(xiàn)場(chǎng)采集煤巖體試樣,加工后進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取在不同工程擾動(dòng)環(huán)境影響下裂隙巖體內(nèi)部裂隙的演化過(guò)程的dr掃描圖像;
step3:對(duì)matlab軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),使其能二值化處理dr掃描圖像,利用matlab軟件二值化處理dr掃描圖像,在處理圖像的過(guò)程中,dr掃描圖像的透光區(qū)定義為1,非透光區(qū)定義為0,結(jié)果矢量化處理后得到裂隙數(shù)據(jù);
step4:開(kāi)展地應(yīng)力反演計(jì)算,推導(dǎo)區(qū)域地應(yīng)力反演計(jì)算的解析表達(dá)式,得出區(qū)域地應(yīng)力變化規(guī)律,給出采樣區(qū)域的垂直地應(yīng)力與水平主應(yīng)力的數(shù)值;
step5:用comsolmultiphysics滲流計(jì)算軟件構(gòu)建應(yīng)力-裂隙-滲流作用下煤巖強(qiáng)度耦合特征計(jì)算模型,并將裂隙數(shù)據(jù)以及采樣區(qū)域的垂直地應(yīng)力、水平主應(yīng)力融入計(jì)算模型,完成耦合模型的構(gòu)建。
前述的方法,其特征在于,在step1中,前述多種類型的載荷包括:靜載荷、靜載荷+不同沖擊速率的沖擊載荷、靜載荷+正弦波動(dòng)載荷、靜載荷+地震波載荷、靜載荷+正弦波動(dòng)載荷+地震波載荷、靜載荷+恒定沖擊速率的沖擊載荷+地震波載荷和靜載荷+正弦波動(dòng)載荷+不同沖擊速率的沖擊載荷。
前述的方法,其特征在于,在step2中,按國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的巖石測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),將煤巖體試樣加工成邊長(zhǎng)為60mm的立方體。
前述的方法,其特征在于,在step4中,區(qū)域地應(yīng)力反演計(jì)算的解析表達(dá)式為:
式中,a為過(guò)度矩陣;σ0為應(yīng)力矩陣;
前述的方法,其特征在于,在step5中,comsolmultiphysics滲流計(jì)算軟件所構(gòu)建的應(yīng)力-裂隙-滲流作用下煤巖強(qiáng)度耦合特征計(jì)算模型為:
式中,ρs為煤巖體的密度;ρ為水體的密度;ε為煤巖體應(yīng)變系數(shù);t為時(shí)間;v為水的粘性系數(shù);vs為煤巖體的粘性系數(shù);μ為泊松比;k為煤巖體的初始滲透率。
本發(fā)明的有益之處在于:
(1)本發(fā)明的分析方法考慮了工程擾動(dòng)的影響,實(shí)現(xiàn)了對(duì)西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采中工程擾動(dòng)環(huán)境的仿真模擬,能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)分析多場(chǎng)耦合作用(應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng))下煤巖體強(qiáng)度劣化特征,準(zhǔn)確獲取裂隙煤巖中裂隙場(chǎng)數(shù)據(jù),重點(diǎn)考慮了應(yīng)力場(chǎng)與其它物理-力學(xué)場(chǎng)間的互相作用,本發(fā)明的分析方法為西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭高強(qiáng)度開(kāi)采下水資源保護(hù)等問(wèn)題的研究提供了基礎(chǔ)。
(2)本發(fā)明的分析方法基于數(shù)值計(jì)算程序,考慮了采用巖體滲流的brinkman方程,該方程可充分考慮水體流速足夠快并在煤巖體內(nèi)部出現(xiàn)層流現(xiàn)象、裂隙與水體間出現(xiàn)滑移以至無(wú)法忽略剪切能量耗散的條件,巖體滲流的brinkman方程適合描述煤巖體中水體快速流動(dòng),通過(guò)輸入粘性、剪切參數(shù)描述裂隙的動(dòng)能耗散,并給出了應(yīng)力-裂隙-滲流耦合作用下煤巖平均孔隙度(φave)和滲透率(kave)計(jì)算式,簡(jiǎn)化了煤巖平均孔隙度和滲透率量化過(guò)程;
(3)本發(fā)明的分析方法充分考慮了區(qū)域地應(yīng)力的變化規(guī)律,并將該規(guī)律納入計(jì)算模型之中,現(xiàn)場(chǎng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅收集圍巖位移數(shù)據(jù),便可反演煤巖體區(qū)域地應(yīng)力數(shù)值,本發(fā)明的分析方法可方便現(xiàn)場(chǎng)人員快速推算地應(yīng)力的變化規(guī)律,為動(dòng)力災(zāi)害動(dòng)態(tài)防控提供支持。
附圖說(shuō)明
圖1是試樣a在試驗(yàn)前的外部情況圖;
圖2(a)是試樣a在3.48mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖2(b)是與圖2(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖;
圖3(a)是試樣a在4.27mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖3(b)是與圖3(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖;
圖4(a)是試樣a在9.68mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖4(b)是與圖4(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖;
圖5是試樣b在試驗(yàn)前的外部情況圖;
圖6(a)是試樣b在10.70mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖6(b)是與圖6(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖;
圖7(a)是試樣b在14.65mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖7(b)是與圖7(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖;
圖8(a)是試樣b在20.12mpa載荷下的dr掃描圖像;
圖8(b)是與圖8(a)對(duì)應(yīng)的二值化處理結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的分析方法將西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭高強(qiáng)度開(kāi)采作為基本前提,在分析過(guò)程中重點(diǎn)考慮了如何實(shí)現(xiàn)工程擾動(dòng)環(huán)境的仿真模擬,實(shí)現(xiàn)了在工程擾動(dòng)環(huán)境作用下的裂隙強(qiáng)度劣化耦合特征的分析,為西部煤炭開(kāi)發(fā)提供了實(shí)踐性指導(dǎo)。
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
本發(fā)明的分析工程擾動(dòng)影響下煤巖強(qiáng)度劣化耦合特征的方法,其包括以下步驟:
step1:改造現(xiàn)有壓力機(jī)
改造現(xiàn)有壓力機(jī),使其能與x射線機(jī)配套使用,并且能輸出多種類型的載荷,多種類型的載荷包括:
(1)靜載荷;
(2)靜載荷+不同沖擊速率的沖擊載荷;
(3)靜載荷+正弦波動(dòng)載荷;
(4)靜載荷+地震波載荷;
(5)靜載荷+正弦波動(dòng)載荷+地震波載荷;
(6)靜載荷+恒定沖擊速率的沖擊載荷+地震波載荷和靜載荷+正弦波動(dòng)載荷+不同沖擊速率的沖擊載荷。
對(duì)現(xiàn)有壓力機(jī)進(jìn)行改造的方法如下:增加一個(gè)數(shù)控油壓加載模塊,通過(guò)預(yù)編代碼實(shí)現(xiàn)載荷形式的改變,并且把現(xiàn)有壓力機(jī)的放置試樣區(qū)域盡量做大,使得x射線可順利完全進(jìn)入試樣,避免干擾。
step2:進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)
在烏魯木齊烏東煤礦現(xiàn)場(chǎng)采集煤巖體試樣,并按國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的巖石測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)加工成邊長(zhǎng)為60mm的立方體,然后進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取在不同工程擾動(dòng)環(huán)境影響下裂隙巖體內(nèi)部裂隙的演化過(guò)程的dr掃描圖像。
圖1是試樣a在試驗(yàn)前的外部情況圖,圖2(a)、圖3(a)和圖4(a)分別是試樣a在3.48mpa載荷、4.27mpa載荷、9.68mpa載荷下的dr掃描圖像。
圖5是試樣b在試驗(yàn)前的外部情況圖,圖6(a)、圖7(a)和圖8(a)分別是試樣b在10.70mpa載荷、14.65mpa載荷、20.12mpa載荷下的dr掃描圖像。
step3:二值化處理dr掃描圖像
首先,對(duì)matlab軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),使其能二值化處理dr掃描圖像。
然后,利用matlab軟件二值化處理dr掃描圖像,在處理圖像的過(guò)程中,dr掃描圖像的透光區(qū)定義為1,非透光區(qū)定義為0。
圖2(b)、圖3(b)和圖4(b)分別對(duì)應(yīng)圖2(a)、圖3(a)和圖4(a),是對(duì)相應(yīng)dr掃描圖像進(jìn)行二值化處理后所得到的結(jié)果圖。
圖6(b)、圖7(b)和圖8(b)分別對(duì)應(yīng)圖6(a)、圖7(a)和圖8(a),是對(duì)相應(yīng)dr掃描圖像進(jìn)行二值化處理后所得到的結(jié)果圖。
最后,對(duì)結(jié)果進(jìn)行矢量化處理,得到裂隙數(shù)據(jù)。
step4:計(jì)算垂直地應(yīng)力與水平主應(yīng)力
開(kāi)展地應(yīng)力反演計(jì)算,推導(dǎo)區(qū)域地應(yīng)力反演計(jì)算的解析表達(dá)式,得出區(qū)域地應(yīng)力變化規(guī)律,給出采樣區(qū)域的垂直地應(yīng)力與水平主應(yīng)力的數(shù)值。具體如下:
前期研究成果表明:在急傾斜煤層中開(kāi)挖巷道相當(dāng)于在煤巖體開(kāi)挖邊界上作用等效結(jié)點(diǎn)力。其中,等效結(jié)點(diǎn)力與地應(yīng)力之間滿足一定的體積積分函數(shù)關(guān)系,該體積積分函數(shù)為:
式中,
在反演計(jì)算過(guò)程中,南巷被簡(jiǎn)化成二維平面問(wèn)題,即σ={σx,σy,τxy}t,地應(yīng)力中的σz方向平行于巷道走向方向,不列入計(jì)算范疇。因而,在二維平面問(wèn)題中,式(1)可簡(jiǎn)化為:
式中,
此外,在巷道開(kāi)挖區(qū)域內(nèi),等效結(jié)點(diǎn)力
式中,k為整個(gè)煤巖體開(kāi)挖區(qū)域的剛度矩陣。
在煤巖體開(kāi)挖邊界上煤巖體上承受的力p與等效結(jié)點(diǎn)力
ku=σxb1+σyb2+τxyb3(4)
式中,bi(i=1,2,3)為巷道開(kāi)挖邊界的應(yīng)變矩陣的分量。
假設(shè)巷道位移量測(cè)量點(diǎn)與有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)相重合,結(jié)點(diǎn)位移量u可分為已知的測(cè)量點(diǎn)位移量u1與未測(cè)量的位移量u2,如式(5)所示:
u={u1,u2}t(5)
聯(lián)立式(4)和式(5),并消去u2,則可得:
式中,a為過(guò)度矩陣;σ0為應(yīng)力矩陣;
式(6)中含有三個(gè)未知待求量:σx/e,σy/e與τxy/e。
現(xiàn)場(chǎng)布置煤巖體移動(dòng)量及斷面收斂量的量測(cè)點(diǎn)。于南巷150m、200m及250m處各布置1組圍巖移動(dòng)傳感器,共計(jì)3組。各斷面內(nèi)按順時(shí)針?lè)较蚵裨O(shè)6個(gè)gyw-300型圍巖移動(dòng)傳感器。巷道開(kāi)挖后立即開(kāi)始各量測(cè)點(diǎn)位移值及收斂值量測(cè)。
現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)值代入式(6)可直接求出相應(yīng)的開(kāi)挖煤巖體邊界上地應(yīng)力數(shù)值,計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1區(qū)域地應(yīng)力反演計(jì)算結(jié)果
由此我們得出烏東煤礦+500水平45#煤層綜采工作面南巷地應(yīng)力反演計(jì)算結(jié)果為:垂直地應(yīng)力7.057mpa,最小水平主應(yīng)力8.085mpa,切應(yīng)力0.057mpa,即{7.057mpa,8.085mpa,0.057mpa}t。
分析地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果離散性,分析結(jié)果表明:初始地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。
對(duì)比初始地應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果,對(duì)比發(fā)現(xiàn):煤巖體的實(shí)際地應(yīng)力數(shù)值與預(yù)測(cè)結(jié)果相近。
step5:構(gòu)建耦合模型
用comsolmultiphysics滲流計(jì)算軟件構(gòu)建應(yīng)力-裂隙-滲流作用下煤巖強(qiáng)度耦合特征計(jì)算模型:
式中,ρs為煤巖體的密度;ρ為水體的密度;ε為煤巖體應(yīng)變系數(shù);t為時(shí)間;v為水的粘性系數(shù);vs為煤巖體的粘性系數(shù);μ為泊松比;k為煤巖體的初始滲透率。
然后將step3得到的裂隙數(shù)據(jù)以及step4得到的采樣區(qū)域的垂直地應(yīng)力、水平主應(yīng)力融入計(jì)算模型,完成耦合模型的構(gòu)建。
計(jì)算結(jié)果表明:
(1)煤巖體的滲透率及孔隙率均隨著注水壓力及外部載荷的改變而變化顯著;
(2)模型的主裂隙通道內(nèi)水體流速最大,且隨著注水壓力的增大而不斷地增加;
(3)較大的流速一般發(fā)生在具有較大壓力梯度的細(xì)小裂隙處,在出水位置同樣具有較高流速;
(4)模型裂隙通道對(duì)水體壓力分布起到了決定性作用;
(5)模型出口流速分量的最大值均位于模型兩側(cè),并隨著外部荷載的增加而增大。
流速最大區(qū)域遷移特征量化描述可作為判定急傾斜煤巖體次生裂隙場(chǎng)演化機(jī)制的重要方法。
采空區(qū)頂板耦合弱化方案實(shí)施后工作面平均月推進(jìn)量172.5m,較以往增幅約84%,平均單月產(chǎn)量增幅131.2%;工作面的平均回采率提升至48.82%,最大單日回采率83.59%;調(diào)整采用頂板耦合弱化方案后,方案百米實(shí)施成本僅為16163.828元,僅為原有方案成本的58.96%。
需要說(shuō)明的是,上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明,凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案,均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。