[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

有效

• 申請號: 202210054367.6
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114236099B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 張村;賈勝;張通;趙毅鑫;馬建起;張晨曦;崔舒暢
• 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

1.一種基于能量傳遞守恒的煤礦開采損傷范圍確定方法，其特征在于，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Ei和煤體的彈性模量E，單位為帕斯卡， 峰值應變ε_m、 無量綱， 塑性應變ε_u、 無量綱， 以及殘余彈性應變ε_e、 無量綱；

步驟c、根據開采煤體的彈性模量E，以及埋深H，可以求出地應力所造成的開采煤體的彈性應變ε_v無量綱，其中γ為覆巖容重，單位為N/m³，H單位是米，

步驟d、根據煤體彈性應變進一步求出開采煤體的彈性應變能E_v單位為焦耳，其中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；

步驟e、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，單位為焦耳，剩余能量E_u為損傷塑性耗散能、E_e為損傷區殘余彈性應變能、E_r為擾動區殘余彈性應變能；E_ux含義是第x巖層損傷塑性耗散能，單位為焦耳，E_ex含義是第x巖層損傷區殘余彈性 應變能，單位為焦耳，E_rx含義是第x巖層擾動區殘余 彈性應變能，單位為焦耳；m是覆巖總共的層數，x是遍歷1到m層的整數；

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，E_mi+1單位為焦耳；

還包括：

步驟k、當E_ci≥E_mi+1時，第i+1巖層將發生損傷，損傷能量繼續往i+2巖層傳遞，回到步驟d繼續計算剩余能量E_c+1，E_c+1含義是c+1層的剩余能量，重新判斷與i+2巖層極限應變能E_mi+2之間的大小；

當E_ciE_mi+1時，i+1巖層不發生損傷，損傷傳遞停止，此時煤層開采造成的損傷范圍至i巖層為止，進而計算出損傷范圍總體積

步驟d具體包括以下步驟：

步驟d1、首先計算第i層的損傷體積其中H_i為第i層巖層的厚度，單位為米，θ為傾向損傷角，單位為度， β為走向損傷角，單位為度，a，a₁分別是當前層和上一層損傷橢圓的長軸，單位均為米，b和b₁分別是當前層和上一層損傷橢圓的短軸，單位均為米；

步驟d2、計算第i層的開采擾動體積V_ei單位為立方米，其中θ₁為傾向損傷角，β₁為走向損傷角；tan為三角函數；c，c1分別是當前層和上一層擾動橢圓的長軸，d，d1分別是當前層和上一層擾動橢圓的短軸，單位均為米；

步驟d3、第i巖層的塑性耗散應變能單位為焦耳，E_i和ε_ui分別為第i層巖層的彈性模量和塑性應變；

步驟d4、第i巖層的損傷區殘余彈性應變能單位為焦耳，ε_sei為第i層巖層損傷區的殘余彈性應變；

步驟d5、第i巖層的擾動區殘余彈性應變能單位為焦耳，ε_rei為第i層巖層擾動區的彈性應變；

步驟d6、第i+1巖層的極限應變能ε_mi+1為第i+1巖層峰值應變，V_mi+1為第i+1層發生損傷后的損傷體積，與第i層的損傷體積V_mi計算方法相同。