一种基于渗透-损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于渗透

A method of damage zoning and height determination of overburden based on permeability damage relationship

【技术实现步骤摘要】
一种基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法


[0001]本专利技术涉及矿井采场覆岩损伤分区及高度预测
，具体地说是涉及一种在保水开采时基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法。

技术介绍

[0002]煤层工作面开采后，覆岩运动变形产生破裂损伤，不同层位的岩层损伤也不尽相同，当工作面埋藏较浅或工作面上方有含水层时，覆岩的移动损伤很可能引发地表的沉陷和含水层水的流失。尤其在我国生态环境脆弱的西部矿区，浅部煤层的开采会导致地表宝贵潜水的流失，危害矿区生态环境安全。
[0003]工作面上方水的流失与隔水岩层的损伤程度直接相关，当损伤岩层内的裂隙间相互联通时，含水层水才有可能通过联通裂隙流失，也就是说，产生损伤裂隙但裂隙间没有联通的隔水岩层仍具有隔水能力。现阶段，人们一般将运动破裂的覆岩在竖直方向上通常划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中垮落带和裂隙带一般被视为导水裂隙带，显然这种划分方式对于隔水覆岩层的判断不够科学，鉴于此，有必要从损伤的角度出发，通过建立岩层损伤与渗透能力的关系，对煤层开采后的移动破坏岩层进行区域划分，准确识别良好隔水、可隔水以及导水岩层范围。
[0004]覆岩损伤分区后还需对各损伤区范围进行确定，从而指导煤层保水开采。现阶段确定和预判覆岩导水范围的方法包括经验方法、地球物理方法、钻孔观测方法和数值模拟方法等，其中经验方法缺乏理论基础，计算误差往往波动较大，地球物理方法对裂隙的探测精度低，现场探测方法一般可得到较准确的结果，但现场探测工作量大，而且探测出来的只是局部区域的，指导整个工作面的生产需要大量的探测孔布设及探测工作。而数值模拟方法作可直观显示整个煤层开采覆岩运动破坏过程，近年来被越来越多应用于煤层导水裂隙发育范围的判断。
[0005]数值模拟方法准确判断覆岩导水范围关键是需要基于准确描述岩体变形损伤行为的本构关系，由于目前数值模拟软件自带的理论模型做了一定的简化，虽然具有一定的普适性，但一定程度上影响了岩层破坏模拟的精准性，因此还需建立适用于描述西部矿区软岩力学行为的本构关系并实现其在模拟软件中的二次开发，进而准确模拟覆岩损伤发育程度和范围。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤分区及高度确定方法，可以对工作面开采后工作面顶板进行损伤区域划分及高度确定，以科学指导煤层保水开采。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术解决方案如下：
[0008]一种基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤分区方法，所述方法包括如下步骤：
[0009]步骤1、岩层分布与地应力环境调查
[0010]根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征；
[0011]步骤2、试件制备
[0012]在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件；
[0013]步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩
‑
渗流试验
[0014]在多场耦合试验系统上对标准试件进行三轴压缩
‑
渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏；围压通过前期的地应力测试确定，水压以流量控制方式对标准试件施加；试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力
‑
应变和渗流
‑
应变关系，其中，渗透率的计算公式为：
[0015][0016]式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa
·
s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm2，ΔP为水力压差，MPa；
[0017]步骤4、建立损伤
‑
渗透关系
[0018]根据岩石三轴压缩
‑
渗流试验中的应力
‑
应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量表达式为：
[0019][0020]式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；
[0021][0022]式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε
A
为压密闭合点处的应变；
[0023]以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤
‑
应变和渗透率
‑
应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系；
[0024]步骤5、基于损伤
‑
渗透关系的覆岩损伤区域划分
[0025]根据渗透率
‑
应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透阶段，此阶段岩石损伤急剧增加，裂隙联通导致岩石失去隔水能力；
[0026]对应的，岩层变形后水可以轻微渗透、中等渗透和快速渗透的区域分别成为轻微损伤区、中等损伤区和严重损伤区，其中，轻微损伤区与中等损伤区界值为D
A
，中等损伤区与严重损伤区界值为D
B
。
[0027]一种基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤区高度确定方法，在上述的一种基于渗透
‑
损
伤关系的覆岩损伤分区方法之后，还包括以下步骤：
[0028]步骤6、损伤本构关系构建
[0029]将作用在岩石上的力分为基质和裂隙两部分，作用在岩石上的应力可用基质部分应力和裂隙部分应力之和表示，即
[0030]σ＝σ
e
(1
‑
D)+σ
cr
D；
[0031][0032]其中，σ
e
为基质部分应力，σ
cr
为残余应力；
[0033]步骤7、损伤本构关系嵌入至FLAC3D软件
[0034]采用中心差分法推导得到自定义本构方程的三维差分格式：
[0035]球应力：
[0036]偏应力：
[0037]其中，α＝2G(1
‑
D
t
)，β＝K(1
‑
D
t
)；
[0038]式中，为一个时间步内新、老球应力；Δε
kk
为时间步Δt内的球应变；δ
ij
为kronecker delta符号；分别为一个时间增量步内新、老偏应力；D
t
为材料在t时刻的损伤变量；G为材料剪切模量，GPa，K为材料体积模量，GPa，Δe
ij
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于渗透
‑
损伤关系的覆岩损伤分区方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、岩层分布与地应力环境调查根据矿井地质水文资料和待开采工作面采区设计，确定工作面覆岩地层分布以及地应力特征；步骤2、试件制备在待开采工作面顺槽内向工作面顶板的不同岩层层位打孔取芯，将不同岩层层位的岩芯加工制作成为标准试件；步骤3、对不同岩层层位岩石进行三轴压缩
‑
渗流试验在多场耦合试验系统上对标准试件进行三轴压缩
‑
渗透试验，试验机轴向采用轴向分级加载方式，峰前、峰后均设置多个加载等级，全程从低到高逐级加载，待孔隙水压力稳定后再施加下一级载荷，直至试件破坏；围压通过前期的地应力测试确定，水压以流量控制方式对标准试件施加；试验过程中监测标准试件变形和水通过标准试件的流量，获得压缩过程中岩石应力
‑
应变和渗流
‑
应变关系，其中，渗透率的计算公式为：式中，q为渗流流量，mL/min，μ为注水粘度，mPa
·
s，L为标准试件长度，mm，A为标准试件截面积，mm2，ΔP为水力压差，MPa；步骤4、建立损伤
‑
渗透关系根据岩石三轴压缩
‑
渗流试验中的应力
‑
应变关系，得到岩石的损伤演化方程，损伤变量表达式为：式中，a、b为与材料性质有关的参数；为初始损伤对应的能量耗散值；式中，υ为岩石的泊松比，E为岩石的弹性模量，GPa，ε为应变，ε
A
为压密闭合点处的应变；以应变为横坐标，以损伤变量和渗透率为纵坐标，绘制损伤
‑
应变和渗透率
‑
应变关系于坐标系中，得到损伤和渗透率的对应关系；步骤5、基于损伤
‑
渗透关系的覆岩损伤区域划分根据渗透率
‑
应变关系，将渗透率随应变增加缓慢增长的阶段称为轻微渗透阶段，此阶段岩石轻微破裂，岩石隔水性能较好；将轻微渗透阶段后渗透率随应变呈近似线性增长的阶段称为中等渗透阶段，此阶段岩石损伤速度增加，但总体的渗透能力依然不高，仍具备一定的隔水能力；将中等渗透阶段之后岩石渗透率随应变加速增加的阶段称为快速渗透...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾清恒，谭云亮，赵光明，陈蕾蕾，孙建，张若飞，刘之喜，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：