[發明專利]一種采動覆巖導水通道演化的模擬方法

有效

• 申請號: 202110781104.0
• 申請日: 2021-07-10
• 公開（公告）號: CN113378410B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 李浩;武艷霞;武鵬飛;李文達;賀偉;韋婕;姚宏波
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 深圳紫晴專利代理事務所(普通合伙) 44646
• 代理人: 付欽偉

本發明屬于保水采煤技術領域，公開了一種采動覆巖導水通道演化的模擬方法，包括：S1.確定覆巖中結構面的幾何參數，并建立關于覆巖中結構面的三維網絡幾何模型；所述結構面包括主要結構面及次要結構面；S2.建立包含結構面的采場覆巖導水通道演化的數值計算模型；S3.確定零厚度裂縫單元的尺寸，分別在所述數值計算模型的覆巖結構面處及基質內實體單元邊界處嵌入所述零厚度裂縫單元，以此模擬覆巖中主要結構面及次要結構面的隨機分布；S4.分別獲取巖層基質的彈塑性特征、結構面的脆性/韌性斷裂力學特征、完全斷裂后巖塊的剪切摩擦特征，將各特征賦予所述數值計算模型的結構面和裂縫單元中，并采用FEM與DEM耦合計算。

技術領域

本發明屬于保水采煤技術領域，具體涉及一種采動覆巖導水通道演化的?模擬方法。

背景技術

晉陜蒙地區蘊含我國近60％的煤炭資源，卻僅擁有我國8％的水資源。更?嚴重的是，高強度的煤炭地下開采會導致上覆巖層移動和破壞，從而對導水?裂隙帶影響范圍內的含水層產生影響，導致地下水漏失、生態環境破壞。這?為實現“黃河流域生態保護和高質量發展”目標帶來巨大挑戰。大同礦區燕?子山礦的工程實踐表明：煤系地層包含有脆性的砂巖、灰巖以及韌性的泥巖、?高嶺巖，同時這些地層中包含有大量的主、次結構面。地層復雜的力學性質、?豐富的結構面會對采動覆巖導水通道分布、高度及其演化產生重大影響，決定了侏羅系采空區積水能否下瀉至二疊系采煤工作面。采用合理的數值模擬?方法預測采動覆巖導水通道發育高度，對于優化工作面參數、保水采煤至關?重要。

近年來，國內外學者主要采用有限元FEM和離散元DEM方法開展采動覆?巖運動模擬研究。其中：

FEM方法基于連續介質假設，采用彈性、塑性、損傷力學理論，研究采動?過程中覆巖的力場、塑性區、損傷帶等的發育高度與演化規律。

DEM方法基于離散介質假設，大多將覆巖中的結構面設置成規則的砌體結?構形式，覆巖結構面、基質多分別采用彈脆性、彈性力學本構模型，進而數?值模擬得到煤層開采過程中覆巖內水平裂隙、豎直裂隙的發育高度。但是，?覆巖中的結構面隨機分布、且尺度不一，在數值計算模型中需建立多級結構?面體系及其隨機生成程序；與此同時，覆巖中的泥巖、高嶺巖具有顯著的韌?性破壞特征。

上述DEM方法會改變采動覆巖導水通道傳播路徑，并對其分布與演化規?律產生決定性作用；而FEM方法會在很大程度上消耗次生應力產生的能量，?影響覆巖裂隙發育高度。

發明內容

鑒于此，為解決上述背景技術中所提出的問題，本發明的目的在于提供?一種采動覆巖導水通道演化的模擬方法。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種采動覆巖導水通道演?化的模擬方法，包括：

S1.確定覆巖中結構面的幾何參數，并建立關于覆巖中結構面的三維網絡?幾何模型；所述結構面包括主要結構面及次要結構面；

S2.建立包含結構面的采場覆巖導水通道演化的數值計算模型；

S3.確定零厚度裂縫單元的尺寸，分別在所述數值計算模型的覆巖結構面?處及基質內實體單元邊界處嵌入所述零厚度裂縫單元，以此模擬覆巖中主要?結構面及次要結構面的隨機分布；

S4.分別獲取巖層基質的彈塑性特征、結構面的脆性/韌性斷裂力學特征、?完全斷裂后巖塊的剪切摩擦特征，將各特征賦予所述數值計算模型的結構面?和裂縫單元中，并采用FEM與DEM耦合計算；

S5.獲取并輸入所述數值計算模型的材料參數、邊界條件和初始條件；

S6.編制煤層位置處單元隨時間和空間位置刪除的VUSDFLD程序，嵌入所?述數值計算模型，以模擬采煤工作面回采過程；

S7.求解所述數值計算模型的模擬結果，并輸出；