专利名称：矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井断裂构造突水模拟预测评价方法，特别是一种矿井断裂构造 延迟突水模拟预测评价方法。
背景技术：
矿井突水是一种严重的井下灾害事故，它给矿产资源开采带来巨大的危害，每年 造成大量的经济损失和人员伤亡。据统计，与断裂构造有关的突水事故占我国总突水事故 的85%，且随着矿井开采深度增加和下组煤的开采，在时间上具有滞后特征的断裂带延迟 突水事故愈来愈多。断裂带延迟突水是指当采掘工作面触及或接近某一断裂带时未发现 任何突水迹象，但当工作面穿过该断裂带后一段时间，在工作面后方或后续采掘工程沿断 裂带发生了滞后突水，相应于采掘工程遇断裂起始时间具有一段延迟期，这类突水在时间 上往往难以预测，对矿井安全生产威胁很大，峰峰梧桐庄矿旧风井的突水淹井事故即为其 中典型示例。因此，断裂构造延迟突水形成机理和预测预报评价方法研究对保障矿井安全 生产意义重大。现有技术的国内、外有关矿井突水机理研究多集中在以下几个方面(1)将水压 作为外部荷载，考虑隔水层阻水效应的经典公式法——斯列萨列夫公式法、突水系数法等； (2)通过隔水底板在采动、矿压及水压共同作用下的变形和破坏特征来研究突水机理的力 学模型——“下三带”理论、原位张裂和零位破坏理论；(3)以系统论为理论基础，多源信息 复合的泛决策分析理论。前两种方法主要基于经典的力学理论所进行的突水机理研究，但 其在突水过程分析及突水时间确定方面存在很大的局限性；后一种方法则是基于对各类突 水危险性影响因素的综合分析评价而确定的一种半经验模型，某种意义上甚至不能称之为 机理研究；(4)以往断裂构造突水的认识是把断裂构造划分为导水或隔水断裂两大类，即 如采掘工作面触及或接近导水断裂带时，就会发生突水或淹井事故；如采掘工作面触及或 接近隔水断裂带时，则不会发生任何突水事故，采掘工作面可正常向前采掘。虽然近几年包括申请人在内的国内、外学者已经意识到断裂构造的延迟突水现 象，也发现流-固耦合对断裂带突水过程模拟的重要作用，但在应用该理论时仅限于将断 裂带物质假设为弹塑性材料情况下的弹塑性应变_渗流耦合模拟和将断裂带物质假设为 流变材料情况下的流变_渗流耦合模拟，而对于考虑应力应变重分布导致水文地质参数变 化条件下延迟突水发生机理与孕育过程分析、断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间 发生变化、变参数的流变_渗流耦合模拟评价以及对延迟突水时间进行预测预报的研究在 国内外鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提出考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟 突水发生机理与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析 方法。
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本发明进一步的目的在于根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，提出一 种变参数条件下流变_渗流耦合的模拟评价方法。由于断裂构造的错动，破坏了煤系地层和其充水含水层的完整性，在地层中形成 了薄弱结构面，随着矿井开采深度增加和下组煤的开采，高地应力、高水压、高水温的恶劣 地质环境逐渐显现，这些薄弱结构面在矿压和水压联合共同作用下，防隔水能力逐渐下降， 导致了延迟突水的发生。针对这些特点，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法，包括1、提出考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理与 孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法。2、根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，提出一种变参数条件下流变_渗 流耦合的模拟评价方法。所述的考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理 与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法，是根据 水-岩相互作用理论，分析在采掘工程扰动下，断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作 用、互为影响的循环过程和其水力性质转化的成因机理。即如煤层底板原岩地应力场在煤 层采掘工程活动扰动下发生重分布，应力重分布必然会诱发煤层底板的应变场发生重分 布，应变的变化随之导致煤层底板岩层的渗透性和空隙率发生变化，岩层的这些水文地质 参数变化导致地下水渗流场分布发生变化，地下水流场变化最后又致使煤层底板岩层的应 力场改变，这样反复影响循环，导致煤层底板岩层的断裂带物质防隔水能力大幅下降，沿断 裂带发育的地下水导升高度逐渐上移，当与煤层采动的矿压破坏带相联通时，最终导致了 延迟滞后突水的发生。所述的变参数条件下的流变_渗流耦合的模拟评价方法，是根据岩体力学参数与 水力学参数的耦合规律，将断裂带物质视为流变材料，以变参数条件下岩体流变模型为基 础，建立的变参数流变应力场与渗流场耦合模型。本发明的有益效果在于在考虑变参数情况下流-固双场耦合模型的基础上，针 对易发生该类突水的断裂带物质特征，提出了水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理 与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法、变参数条 件下流变_渗流耦合的模拟评价模型。基于上述模拟评价模型进行实际工程应用，结果表 明变参数流变_渗流耦合对延迟突水过程的模拟及对渗流参数变化机理的解释完全符合 工程实际。
具体实施例方式矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法，包括1、提出考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理与 孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法。2、根掘岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，提出一种变参数条件下流变-渗 流耦合的模拟评价方法。所述的考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理 与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法，是根据水-岩相互作用理论，分析在采掘工程扰动下，断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作 用、互为影响的循环过程和其水力性质转化的成因机理。所述的断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作用、互为影响的循环过程和其水 力性质转化的成因机理，即如煤层底板原岩地应力场在煤层采掘工程活动扰动下发生重分 布，应力重分布必然会诱发煤层底板的应变场发生重分布，应变的变化随之导致煤层底板 岩层的渗透性和空隙率发生变化，岩层的这些水文地质参数变化导致地下水渗流场分布发 生变化，地下水流场变化最后又致使煤层底板岩层的应力场改变，这样反复影响循环，导致 煤层底板岩层的断裂带物质防隔水能力大幅下降，沿断裂带发育的地下水导升高度逐渐上 移，当与煤层采动的矿压破坏带相联通时，最终导致了延迟滞后突水的发生。所述的变参数条件下的流变_渗流耦合模拟评价方法，是根据岩体力学参数与水 力学参数的耦合规律，将断裂带物质视为流变材料，以变参数条件下岩体流变模型为基础， 建立的变参数流变应力场与渗流场耦合模型。所述的变参数流变应力场与渗流场耦合模型可表示为
σ}=
[δ]{ }+{Ρ} K {β, P) =^ expl-aja - P)]
β
η(σ, P) = π exp[— α2(σ - P)] ^5Cff1P) = ρβ(βη(σ, Ρ)十 α[1-η(σ, Ρ) } 式中ai、a2是待定系数；μ是流体动力粘滞系数；g是重力加速度；kQ、n。分别是岩 体在初始应力时的渗透率和孔隙(裂隙)率；1((0，《、11(0，《、&(0，《分别是岩体在有 效应力作用下的渗透系数、孔隙率和贮水率；{P}为流体渗透压力列阵P= (H-Z) γ ;{U}为 岩体的位移列阵；[B]为岩体的几何矩阵；[Κ(σ，P)]为考虑应力作用的渗透矩阵；[Ss(o， P)]为考虑应力作用的贮水矩阵。
权利要求
矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法，其特征在于该模拟预测评价方法包括(1)提出考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法。(2)根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，提出一种变参数条件下流变-渗流耦合的模拟评价方法。所述的考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法，是根据水-岩相互作用理论，分析在采掘工程扰动下，断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作用、互为影响的循环过程和其水力性质转化的成因机理。所述的变参数条件下的流变-渗流耦合的模拟评价方法，是根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，将断裂带物质视为流变材料，以变参数条件下岩体流变模型为基础，建立的变参数流变应力场与渗流场耦合模型。
2.根据权利要求1所述的矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法，其特征在于所 述的断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作用、互为影响的循环过程和其水力性质转化 的成因机理，即如煤层底板原岩地应力场在煤层采掘工程活动扰动下发生重分布，应力重 分布必然会诱发煤层底板的应变场发生重分布，应变的变化随之导致煤层底板岩层的渗透 性和空隙率发生变化，岩层的这些水文地质参数变化导致地下水渗流场分布发生变化，地 下水流场变化最后又致使煤层底板岩层的应力场改变，这样反复影响循环，导致煤层底板 岩层的断裂带物质防隔水能力大幅下降，沿断裂带发育的地下水导升高度逐渐上移，当与 煤层采动的矿压破坏带相联通时，最终导致了延迟滞后突水的发生。
3.根据权利要求1所述的矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法，其特征在于所 述的变参数流变应力场与渗流场耦合模型可表示为' Κ(σ,Ρ}}{Η]十奶=这(σ. P)] (f}十[幻{f] {σ} = [D][si{y] + {P}L'Κ(σ, P) =￡^βχρ[-β1(σ-Ρ)]π(σ.,·Ρ) = Ji0 [一 α2(σ— P)]P) = Ρ8{βη(σ, P) + α|1 - n(cr. P}]}式中ai、a2是待定系数；μ是流体动力粘滞系数；g是重力加速度；h、n0分别是岩体 在初始应力时的渗透率和孔隙(裂隙)率；Κ( ο，P)、η( σ，P)、Ss( ο，P)分别是岩体在有 效应力作用下的渗透系数、孔隙率和贮水率；{P}为流体渗透压力列阵P= (H-Z) Y ;{U}为 岩体的位移列阵；[B]为岩体的几何矩阵；[Κ(σ，P)]为考虑应力作用的渗透矩阵；[Ss(o， P)]为考虑应力作用的贮水矩阵。
全文摘要
矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法包括(1)提出考虑应力应变重分布导致水文地质参数变化条件下延迟突水发生机理与孕育过程和断裂构造水力性质因采掘工程作用而随时间发生变化的分析方法。根据水-岩相互作用理论，分析在采掘工程扰动下，断裂带物质的应力、应变、渗透性能相互作用、互为影响的循环过程和其水力性质转化的成因机理。(2)根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，提出一种变参数条件下流变-渗流耦合的模拟评价方法。所述的变参数条件下的流变-渗流耦合模拟评价方法，是根据岩体力学参数与水力学参数的耦合规律，将断裂带物质视为流变材料，以变参数条件下岩体流变模型为基础，建立的变参数流变应力场与渗流场耦合模型。
文档编号E21F17/00GK101881182SQ20101022599
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者朱斌, 武强 申请人:中国矿业大学(北京)