一种煤层底板突水识别方法技术

本发明专利技术公开了一种煤层底板突水识别方法，基于半无限理论建立煤层底板的受力简化模型，基于该受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板的底板总应力分量，有利于提高识别煤层底板突水通道的可靠性。另外，通过采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区，可以有效融合基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法的优势，提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。防治提供可靠的依据。防治提供可靠的依据。

A recognition method of water inrush from coal seam floor

【技术实现步骤摘要】
一种煤层底板突水识别方法


[0001]本专利技术涉及勘探
，尤其涉及一种煤层底板突水识别方法。

技术介绍

[0002]实现安全带压开采的关键在于认清矿山压力和水压力共同作用下底板隔水层的破坏特征，准确识别采动过程中底板突水通道的演化过程。目前针对底板破坏特征的研究方法主要分为理论分析、数值模拟、现场监测三大类。理论分析主要应用弹性力学薄板理论推导底板关键层破坏，但大多数将水压力考虑为具有一定长度的均布荷载，而这种假设的可靠性还有待商榷。数值模拟方面应用有限元方法，很难模拟底板导水通道裂隙萌生、扩展和贯通演化，无法完整地体现围岩渐进破坏过程，现场矿压、底板破坏等常规监测手段无法克服时间、空间的限制进行三维空间实时监测预警，更难以感知突水通道形成前煤岩体内部微破裂及其演化规律。此外，底板隔水层岩体的变形破坏过程受到煤和岩体的不均匀性、由开挖引起的地应力重分布、流固耦合等作用的影响，运用一种或两种方法进行研究难以全面地评价底板的破坏特征及演化规律。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种优势融合的煤层底板突水识别方法，以提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种煤层底板突水识别方法，其包括：
[0005]获取煤层深度和煤层底板的岩层参数；
[0006]基于半无限理论，建立所述煤层底板的受力简化模型，其中，所述煤层底板的上部受超前支撑压力和原岩应力，所述煤层底板受自身的底板重力，以及，所述煤层底板的下部受承压水压力；
[0007]基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量；
[0008]基于所述底板总应力分量和破坏准则对所述煤层底板的突水通道进行识别；
[0009]采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出所述突水通道的突水危险区。
[0010]可选的，获取煤层底板的岩层参数包括：获取所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数。
[0011]可选的，
[0012]基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量，包括：
[0013]基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤
层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量；
[0014]基于所述原岩应力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量；
[0015]基于所述承压水压力影响下的所述受力简化模型，计算所述承压水压力在所述煤层底板上引起的第三应力分量；
[0016]基于所述底板重力影响下的所述受力简化模型，根据拉梅常数、所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述底板重力在所述煤层底板上引起的第四应力分量；
[0017]基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量。
[0018]可选的，基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量，包括：
[0019]将塑性区和弹性区的所述超前支撑压力分别简化为三角形荷载；
[0020]根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，分别计算所述塑性区的三角形荷载和所述弹性区的三角形荷载在所述煤层底板上引起的应力分量；
[0021]根据所述塑性区的三角形荷载和所述弹性区的三角形荷载在所述煤层底板上引起的应力分量，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量。
[0022]可选的，基于所述原岩应力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量，包括：
[0023]将空区的所述原岩应力简化为均布矩形荷载；
[0024]根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量。
[0025]可选的，基于所述承压水压力影响下的所述受力简化模型，计算所述承压水压力在所述煤层底板上引起的第三应力分量，包括：
[0026]将所述承压水压力简化为半无限的均布荷载并获取所述承压水压力值；
[0027]根据岩体位移建立体应变方程以及建立所述岩体位移的平衡方程；
[0028]基于所述体应变方程和所述岩体位移的平衡方程，计算所述均布荷载在所述煤层底板上引起的第三应力分量。
[0029]可选的，基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量，包括：
[0030]根据弹性理论的应力叠加原理，基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量。
[0031]可选的，基于所述底板总应力分量和破坏准则对煤层底板突水通道进行识别，包括：
[0032]基于所述底板总应力分量和Coulomb修正破坏准则对煤层底板突水通道进行识别。
[0033]可选的，所述煤层底板突水识别方法还包括：
[0034]对应力波传播过程进行数值模拟，并输出声发射图和应力云图；以及，
[0035]基于所述验证结果在巷道设置微震监测装置，以利用所述微震监测装置采集微震信号。
[0036]可选的，所述采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于所述验证结果结合微震监测确定出所述突水通道的突水危险区，包括：
[0037]根据所述声发射图和所述应力云图对识别结果进行验证；
[0038]在验证一致时，基于所述微震信号确定出所述突水通道的突水危险区。
[0039]与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
[0040]应用本专利技术的煤层底板突水识别方法，基于半无限理论建立煤层底板的受力简化模型，基于该受力简化模型，根据煤层深度、岩层参数、超前支撑压力、原岩应力、底板重力和承压水压力，获取煤层底板的底板总应力分量，有利于提高识别煤层底板突水通道的可靠性。另外，通过采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出突水通道的突水危险区，可以有效融合基于岩层参数识别突水通道、数值模拟和微震监测三种方法的优势，提高突水危险区的识别精确度并为煤层底板突水灾害的防治提供可靠的依据。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤层底板突水识别方法，其特征在于，包括：获取煤层深度和煤层底板的岩层参数；基于半无限理论，建立所述煤层底板的受力简化模型，其中，所述煤层底板的上部受超前支撑压力和原岩应力，所述煤层底板受自身的底板重力，以及，所述煤层底板的下部受承压水压力；基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量；基于所述底板总应力分量和破坏准则对所述煤层底板的突水通道进行识别；采用数值模拟对识别结果进行验证，并基于验证结果结合微震监测确定出所述突水通道的突水危险区。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取煤层底板的岩层参数包括：获取所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述岩层参数、所述超前支撑压力、所述原岩应力、所述底板重力和所述承压水压力，获取所述煤层底板受到的底板总应力分量，包括：基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量；基于所述原岩应力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述原岩应力在所述煤层底板上引起的第二应力分量；基于所述承压水压力影响下的所述受力简化模型，计算所述承压水压力在所述煤层底板上引起的第三应力分量；基于所述底板重力影响下的所述受力简化模型，根据拉梅常数、所述煤层深度和所述岩体容重，计算所述底板重力在所述煤层底板上引起的第四应力分量；基于所述第一应力分量、所述第二应力分量、所述第三应力分量和所述第四应力分量，获取所述煤层底板的所述底板总应力分量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述超前支撑压力影响下的所述受力简化模型，根据所述煤层深度、所述煤层底板的来压步距、弹性区长度、塑性区长度、底板厚度、岩体容重和应力系数，计算所述超前支撑压力在所述煤层底板上引起的第一应力分量，包括：将塑性区和弹性区的所述超前支撑压力分别简化为三角形荷载；根据所述煤层深度、所述煤层底板的来...

【专利技术属性】
技术研发人员：方杰，马克，段伟，刘新杰，李鹏，原富珍，孙兴业，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院国家能源投资集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：