[發明專利]一種基于覆巖演化特征的煤礦動載顯現數值模擬方法

在審

• 申請號: 201810461961.0
• 申請日: 2018-05-15
• 公開（公告）號: CN108664743A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 朱廣安
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明公開了一種基于覆巖演化特征的煤礦動載顯現數值模擬方法，包括以下步驟：1，收集待開采的工作面的相關地質信息；2，根據收集到的相關地質信息建立三維計算模型，進行靜力平衡計算；3，根據計算過程中頂板單元體能量的變化判斷頂板單元是否發生破壞，若發生破壞則計算頂板破壞釋放的能量；4，根據計算過程中斷層面的剪切位移量和剪應力降變化判斷斷層面是否發生“滑移”；若斷層面開始“滑移”則計算斷層滑移震源參數；5，重復執行上述過程，直至工作面開采結束。本發明方法實現對開采全過程中頂板破斷、斷層面滑移的模擬，揭示動載顯現規律。

技術領域

本發明涉及一種工作面開采過程中動力顯現數值模擬方法，具體涉及一種適用于煤礦井下長壁工作面開采過程中影響動載顯現的基于覆巖演化特征的數值模擬方法。

背景技術

隨著我國煤炭開采深度與難度的不斷增大，開采引發的沖擊礦壓、煤與瓦斯突出和強礦壓顯現等工程災害日漸嚴峻，嚴重制約了礦井的安全高效生產。因此，研究采場礦壓顯現規律，尤其是采動動載顯現規律，為災害防控提供理論依據和現場指導具有重要的理論和現實意義。

研究表明，沖擊礦壓的發生主要與工作面采動過程中煤巖體所承載的靜載荷和動載荷有關。采掘空間周圍煤巖體中的靜載荷主要由圍巖自重應力、構造應力和采動后覆巖結構演化造成的采動應力等組成，動載擾動主要包括采掘空間頂板的來壓、上覆巖層運動、工作面煤體破壞以及斷層滑移等導致的采掘煤巖礦震活動。近年來，煤礦井下動載與采掘圍巖靜載疊加作用誘發沖擊顯現逐漸受到重視。綜上所述，研究采動后覆巖結構的演化特征及其誘發動載顯現規律對于工作面動靜載分布有重要意義。而針對采礦等大尺寸、復雜工程問題的研究，數值模擬以其直觀、高效、便于反演現場復雜地質條件和進行大量參數敏感性分析的特點與優勢，在礦壓研究中得到廣泛應用。然而，目前的數值模型計算所得結果與現實存有較大差異。而開采過程中頂板破裂、垮落和采空區充填、承壓等反復卸壓、支撐作用對應力分布影響顯著。故進行數值模擬對采場礦壓顯現規律，尤其是采動動載顯現規律的研究是非常必要的。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供了一種基于覆巖演化特征的工作面開采全過程動載顯現數值模擬方法，對開采全過程中頂板破斷、斷層面滑移的模擬，揭示動載顯現規律。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于覆巖演化特征的煤礦動載顯現數值模擬方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟S1，收集待開采的工作面的相關地質信息；

步驟S2，根據收集到的相關地質信息建立三維計算模型，進行靜力平衡計算；

步驟S3，根據計算過程中頂板單元體能量的變化判斷頂板單元是否發生破壞，若發生破壞則計算頂板破壞釋放的能量；

步驟S4，根據計算過程中斷層面的剪切位移量和剪應力降變化判斷斷層面是否發生“滑移”；若斷層面開始“滑移”則計算斷層滑移震源參數；

步驟S5，重復執行上述過程，實現煤礦動載顯現規律，直至工作面開采結束。

進一步的，步驟S3中，在數值模擬計算過程中，當發現某一段時間步內的彈性應變能出現下降，則判斷單元體發生剪切或者拉伸破壞。

進一步的，單個單元體中儲存的彈性應變能W表達式如下：

其中，E為彈性模量；σ₁、σ₂、σ₃分別為最大、中間、最小主應力；υ為泊松比；V為單元體的體積；

當頂板單元體發生剪切或者拉伸破壞，相應釋放的能量W’為W’＝W₀-W_t， W₀為單元體初始狀態下儲存的彈性應變能，W_t為開挖后當前損傷狀態下單元體存儲的彈性應變能。