[發(fā)明專利]基于能量傳遞守恒的煤礦開(kāi)采損傷范圍確定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210054367.6
• 申請(qǐng)日: 2022-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114236099B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張村;賈勝;張通;趙毅鑫;馬建起;張晨曦;崔舒暢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
• 主分類號(hào): G01N33/24
• 分類號(hào): G01N33/24;E21B7/04
• 代理公司: 北京卓嵐智財(cái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 李景輝

本發(fā)明提供了一種基于能量傳遞守恒的煤礦開(kāi)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(jìn)行取樣；實(shí)驗(yàn)室采用單軸壓縮方法實(shí)測(cè)各巖層彈性模量Ei和煤體的彈性模量E、峰值應(yīng)變?chǔ)?Sub>m、塑性應(yīng)變?chǔ)?Sub>u以及殘余彈性應(yīng)變?chǔ)?Sub>e；根據(jù)煤層開(kāi)采尺寸、煤層埋深H，覆巖容重γ，求出煤層開(kāi)采釋放的總能量根據(jù)能量守恒原則及已經(jīng)發(fā)生損傷巖層的塑性損傷耗散能、殘余應(yīng)變彈性能和擾動(dòng)區(qū)彈性應(yīng)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(yīng)變能E_m之間的大小。本發(fā)明能夠理清煤層開(kāi)采覆巖損傷傳導(dǎo)機(jī)理，預(yù)測(cè)開(kāi)采造成的損傷擾動(dòng)范圍，為實(shí)現(xiàn)損傷控制提供基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤層開(kāi)采領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦地下開(kāi)采過(guò)程中覆巖損傷范圍和傳導(dǎo)機(jī)制的確定方法，尤其是一種基于能量傳遞守恒的煤礦開(kāi)采損傷范圍確定方法。

背景技術(shù)

中國(guó)井工煤礦規(guī)模由上世紀(jì)九十年代的百萬(wàn)噸級(jí)(100-300萬(wàn)噸/年)發(fā)展到本世紀(jì)初的千萬(wàn)噸級(jí)(1000-3000萬(wàn)噸/年)，開(kāi)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(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。按照集約化開(kāi)發(fā)布局，中國(guó)14個(gè)大型煤炭基地產(chǎn)量占全國(guó)的95％以上。高強(qiáng)度開(kāi)采是集約化開(kāi)采的重要方式，但帶來(lái)的地表沉降快和變形大，進(jìn)而損傷生態(tài)嚴(yán)重問(wèn)題亟待解決。中國(guó)煤炭賦存與生態(tài)環(huán)境容量分布不均衡，“神東”礦區(qū)為代表的西部晉陜蒙寧甘煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的3/4，但該區(qū)域生態(tài)脆弱、水資源匱乏，高強(qiáng)度開(kāi)采加劇了礦區(qū)及周邊的沙漠化、荒漠化。以“兩淮”礦區(qū)為代表的東部礦區(qū)保障了華東地區(qū)能源供應(yīng)，但高強(qiáng)度開(kāi)采造成土地塌陷，造成礦業(yè)城市土地資源更加緊張。礦區(qū)地表生態(tài)損傷源于煤炭開(kāi)采引起的覆巖變形、破斷、運(yùn)動(dòng)造成的下位巖層采動(dòng)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(jié)構(gòu)具有連續(xù)和非連續(xù)的介質(zhì)特征，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，開(kāi)采引起的“覆巖-地表”損傷(稱為“開(kāi)采損傷”)傳導(dǎo)和控制模型難以建立。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中存在以下問(wèn)題：煤層開(kāi)采覆巖損傷傳導(dǎo)機(jī)理不清楚，損傷范圍難以確定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于能量傳遞守恒的煤礦開(kāi)采損傷范圍確定方法，以解決煤層開(kāi)采覆巖損傷傳導(dǎo)機(jī)理不清楚，損傷范圍難以確定的問(wèn)題。

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

步驟a、針對(duì)研究礦井在地面向開(kāi)采煤層打地面鉆孔，針對(duì)覆巖每一層進(jìn)行取樣及厚度H_i的測(cè)量；

步驟b、對(duì)每一層巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)量各巖層彈性模量Ei和煤體的彈性模量E、峰值應(yīng)變?chǔ)?Sub>m、塑性應(yīng)變?chǔ)?Sub>u以及殘余彈性應(yīng)變?chǔ)?Sub>e；

步驟c、根據(jù)開(kāi)采煤體(開(kāi)采煤層)的彈性模量E，以及埋深H，可以求出地應(yīng)力所造成的彈性應(yīng)變其中γ為覆巖容重，單位為N/m³

步驟d、根據(jù)煤體彈性應(yīng)變進(jìn)一步求出彈性應(yīng)變能其中D為工作面長(zhǎng)度，單位為米，L為工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，單位為米，M為工作面采高，單位為米；

步驟e、根據(jù)能量守恒原則計(jì)算得出傳導(dǎo)過(guò)程中損傷至第i層時(shí)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(qū)殘余應(yīng)變能、E_r為擾動(dòng)區(qū)彈性應(yīng)變能；

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

進(jìn)一步地，還包括：