[發(fā)明專利]一種煤層頂板裂隙場(chǎng)的定量化描述方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811055893.4
• 申請(qǐng)日: 2018-09-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109117589B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉見(jiàn)中;劉延保;張碧川;孫海濤;趙旭生;申凱;熊偉;巴全斌;王波;戴林超;曹偈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種煤層頂板裂隙場(chǎng)的定量化描述方法，其特征在于：該方法包含如下步驟：

S1：根據(jù)煤層回采高度和煤層傾角分析裂隙場(chǎng)的發(fā)育高度范圍，結(jié)合砌體梁理論計(jì)算，確定裂隙場(chǎng)存在的范圍及形態(tài)；

S2：根據(jù)裂隙場(chǎng)存在的范圍及形態(tài)，分析確定裂隙場(chǎng)內(nèi)每層巖層斷裂塊體數(shù)目，并建立裂隙場(chǎng)幾何模型；

S3：對(duì)裂隙場(chǎng)幾何模型進(jìn)行量化分析，獲得頂板裂隙場(chǎng)內(nèi)裂隙發(fā)育特征，建立頂板裂隙場(chǎng)坐標(biāo)系，定量計(jì)算出各斷裂塊體間形成的離層裂隙和破斷裂隙面積，并獲得裂隙面積分布、滲透率分布；具體包含如下步驟：

S31：建立坐標(biāo)系，將頂板裂隙場(chǎng)中塊體搭接點(diǎn)坐標(biāo)及各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表示為：

其中，x²_n,9-n表示第n層最右側(cè)塊體的橫坐標(biāo)，y²_n,9-n表示第n層最右側(cè)塊體的縱坐標(biāo)，x_n,9-n,10-表示第n層第9-n個(gè)塊體與第10-n個(gè)塊體間接觸點(diǎn)橫坐標(biāo)，y_n,9-n,10-表示第n層第9-n個(gè)塊體與第10-n個(gè)塊體間接觸點(diǎn)縱坐標(biāo)，θ_i,9-n表示第i層第9-n個(gè)塊體與水平方向的夾角，θ_n,8-n表示第n層第8-n個(gè)塊體與水平方向的夾角，θ_n,i表示第n層第i個(gè)塊體與水平方向的夾角，x_n,i-1,i表示第n層第i-1與第i個(gè)塊體接觸點(diǎn)橫坐標(biāo)，y_n,i-1,i表示第n層第i-1與第i個(gè)塊體接觸點(diǎn)縱坐標(biāo)；l表示斷裂塊體長(zhǎng)度，f表示“O”形圈寬度；

S32：依據(jù)巖層斷裂角，裂隙場(chǎng)底部一側(cè)巖塊回轉(zhuǎn)角，通過(guò)余弦定理及海論公式定量并通過(guò)循環(huán)迭代的方法計(jì)算出整個(gè)裂隙場(chǎng)內(nèi)破斷裂隙和離層裂隙面積；

S4：根據(jù)各斷裂塊體間形成的離層裂隙和破斷裂隙面積，建立煤層頂板裂隙場(chǎng)三維滲透率分布模型，明確煤層頂板裂隙場(chǎng)內(nèi)瓦斯抽采的優(yōu)選位置；具體包含如下步驟：

S41：建立煤層頂板裂隙三維滲透率分布模型包括離層裂隙與破斷裂隙的面積計(jì)算、垂直于走向剖面的裂隙率分布、滲透率在裂隙場(chǎng)內(nèi)分布三個(gè)方面，采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)的裂隙率可由離層裂隙面積與破斷裂隙面積構(gòu)成的裂隙總面積除以裂隙總面積與塊體面積之和進(jìn)行計(jì)算：

其中，u為裂隙率，S為離層裂隙面積，S′為破斷裂隙面積；

S42：根據(jù)所建立的頂板裂隙場(chǎng)坐標(biāo)系，擬合得出裂隙率沿工作面的分布函數(shù)；

S43：將裂隙帶視為各向同性的連續(xù)多孔介質(zhì)，則采空區(qū)內(nèi)孔隙率p的三維空間分布關(guān)系滿足：

p＝u_xu_yu_z

其中，u_x、u_y、u_z分別為裂隙率沿工作面傾向、y向和垂直方向的分布函數(shù)；

S44：多孔介質(zhì)的滲透率取決于孔隙率，當(dāng)多孔介質(zhì)孔隙率大小和分布一定時(shí)，滲透率只與多孔介質(zhì)的孔隙率有關(guān)，則采空區(qū)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲透率孔隙率的關(guān)系滿足：

k＝0.01605μp²

其中，μ表示空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)，k表示滲透率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層頂板裂隙場(chǎng)的定量化描述方法，其特征在于：步驟S1具體為：

根據(jù)已有的地表下沉曲線特征，結(jié)合砌體梁力學(xué)模型得到了砌體梁的位移函數(shù)：

其中，W_x表示砌體梁的位移曲線，x表示距開(kāi)采邊界的距離，l表示斷裂塊體長(zhǎng)度，W₀表示最終下沉量，滿足：

W₀＝M-∑h(C′_p-1)

其中，M為采厚，h為巖層厚度，C_p′為巖石碎脹系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種煤層頂板裂隙場(chǎng)的定量化描述方法，其特征在于：步驟S2具體包含如下步驟：

S21：確定裂隙場(chǎng)內(nèi)的塊體長(zhǎng)度，滿足：

其中，σ_t為巖塊抗拉強(qiáng)度，q為巖塊承受的載荷；

S22：根據(jù)砌體梁理論計(jì)算得出某一巖層裂隙場(chǎng)發(fā)育長(zhǎng)度，結(jié)合實(shí)際礦井中對(duì)應(yīng)的周期來(lái)壓長(zhǎng)度，確定斷裂塊體的數(shù)目為n，假定斷裂巖塊的長(zhǎng)度相同，即：

l＝l₁＝l₂…＝l_n

則當(dāng)?shù)趍個(gè)巖塊達(dá)到近水平時(shí)，離層裂隙停止發(fā)育，此時(shí)對(duì)應(yīng)的”O(jiān)”形圈彎曲段寬度近似為：

f＝ml

根據(jù)幾何關(guān)系，在采高一定的情況下，斷裂巖塊的下沉值分別為：

W₁＝lsinθ_1,1,W₂＝l(sinθ_1,1+sinθ_1,2),……；其中，θ_1,1第1層第1個(gè)塊體與水平方向的夾角，θ_1,2第1層第2個(gè)塊體與水平方向的夾角；

S23：結(jié)合砌體梁理論，得出“O”形圈寬度為：