[發明專利]基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法

在審

• 申請號: 202110078596.7
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112903966A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 張村;賈勝;趙偉;趙毅鑫;李全生;張晨曦
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;E21B7/04
• 代理公司: 北京卓嵐智財知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 李景輝

本發明提供了一種基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法，包括地面鉆井確定覆巖各巖層厚度，并進行取樣；實驗室采用單軸壓縮方法實測各巖層彈性模量E、峰值應變ε_m、塑性應變ε_u以及殘余彈性應變ε_e；根據煤層開采尺寸、煤層密度γ和光速C求出煤層開采總質能E_s＝DLMγC²；根據能量守恒原則及已經發生損傷巖層的塑性損傷耗散能、殘余應變彈性能和擾動區彈性應變能求出剩余能量E_c；判斷剩余能量E_c與下一未損傷巖層的極限應變能E_m之間的大小。本發明能夠理清煤層開采覆巖損傷傳導機理，預測開采造成的損傷擾動范圍，為實現損傷控制提供基礎。

技術領域

本發明涉及煤層開采領域，具體涉及一種煤礦地下開采過程中覆巖損傷范圍和傳導機制的確定方法，尤其是一種基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法。

背景技術

中國井工煤礦規模由上世紀九十年代的百萬噸級(100-300萬噸/年)發展到本世紀初的千萬噸級(1000-3000萬噸/年)，開采集約化水平不斷提高，成為提高煤礦安全保障程度、資源回收率和經濟效益的重要途徑。按照集約化開發布局，中國14個大型煤炭基地產量占全國的95％以上。高強度開采是集約化開采的重要方式，但帶來的地表沉降快和變形大，進而損傷生態嚴重問題亟待解決。中國煤炭賦存與生態環境容量分布不均衡，“神東”礦區為代表的西部晉陜蒙寧甘煤炭產量占全國的3/4，但該區域生態脆弱、水資源匱乏，高強度開采加劇了礦區及周邊的沙漠化、荒漠化。以“兩淮”礦區為代表的東部礦區保障了華東地區能源供應，但高強度開采造成土地塌陷，造成礦業城市土地資源更加緊張。礦區地表生態損傷源于煤炭開采引起的覆巖變形、破斷、運動造成的下位巖層采動損傷和由此造成的上位巖層和地表層傳遞損傷。但由于地下巖土層結構具有連續和非連續的介質特征，力學性質復雜，開采引起的“覆巖-地表”損傷(稱為“開采損傷”)傳導和控制模型難以建立。

綜上所述，現有技術中存在以下問題：煤層開采覆巖損傷傳導機理不清楚，損傷范圍難以確定。

發明內容

本發明提供一種基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法，以解決煤層開采覆巖損傷傳導機理不清楚，損傷范圍難以確定的問題。

為此，本發明提出一種基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法，所述基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法包括以下步驟：

步驟a、針對研究礦井在地面向開采煤層打地面鉆孔，針對覆巖每一層進行取樣及厚度H_i的測量；

步驟b、對每一層巖樣進行實驗室單軸壓縮試驗，測量各巖層彈性模量E、峰值應變ε_m、塑性應變ε_u以及殘余彈性應變ε_e；

步驟c、根據質能方程計算煤層開采釋放的總能量E_s，單位為焦耳，具體計算方法為E_s＝DLMγC²，D為工作面長度，單位為米，L為工作面推進長度，單位為米，M為工作面采高，單位為米，γ為煤層密度，單位為kg/m³，C為光速，單位為km/s。

步驟d、根據能量守恒原則計算得出傳導過程中損傷至第i層時的剩余能量E_ci，剩余能量E_u為損傷塑性耗散能、E_e為損傷區殘余應變能、E_r為擾動區彈性應變能；

步驟j、判斷剩余能量E_ci與i+1巖層的極限應變能E_mi+1之間的大小。

進一步地，還包括：