一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法

1.本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法。


背景技术：

2.当前我国煤矿开采主要是井下开采，当目标工作面煤层开采过后，煤层顶底板由于失去原有的应力束缚，采动煤层上部受到采动应力场影响的岩体，我们称之为上覆岩层。煤层上覆岩体由于开采后缺少原有的束缚，煤层的上覆岩体会产生下滑、断裂与位移等现象，产生空间采动裂隙。此外，其由采动产生的裂隙，依据其相关性质，系统地分为三类：一为竖向破断裂隙，二为岩层层间离层裂隙，三为采动节理活化。
3.依据工作面的向前推进，煤层开采后的顶板的破坏形式，可将上覆岩层“垮落带、裂隙带、弯曲带”这三部分。其中垮落带是指上覆岩层在采空区己经垮落，在采场由支架暂时支撑，继而上覆岩体无法与四周岩体时刻由传递力的联系。裂隙带岩层位于垮落带的上部，在开采方向上上部岩石裂隙较发育且岩层的裂隙深度已扩展到较高位置。弯曲带的岩层在采场推进很长一段距离后才会运动，其影响范围为裂隙带之上直到地表。
4.研究上覆岩体的垮落带高度及导水裂隙带不仅对顶底板突水水害治理和地下水资源的溯源有重要意义，同时对于由于采动导致的瓦斯突出灾害治理与其余相关煤矿灾害防治都具有重要意义。由于不同煤矿地质条件的及工作面的埋深各不相同，继而煤层顶板上覆岩体由于煤层采掘推进导致的“两带”发育高度与由采动导致的岩石空间裂隙的分布特征同样十分复杂。此外，同时由煤层开采厚度和采煤方法的影响。目前确定“两带”高度的方法比较多，有传统公式法、工程物探法、钻孔探测法。依据《三下采煤规范》中的“两带”计算公式只适用于薄及中厚分层开采的煤层，不适用于综放开采和一次采全高的厚煤层。对于研究由于采动导致的采动裂隙分布特征，一部分学者利用建立模型进行实验室实验、图像分析以及离散元模拟的方法对采动工作面的采动裂隙分布特征进行模拟研究，揭示了煤层上覆岩体在采动作用下“垮落带及导水裂隙带”的发育规律与o型圈分布特征；一部分学者采用udec软件分析了采动裂隙演化规律及分布特征，同时利用研究规律计算在此种条件下导水裂隙带的发育高度；在工程物探方向利用地震技术及ct声波技术对采动裂隙的发育规律进行观测与研究；而在实际生产中不可避免的需要进行实际的钻孔探查，依据实际的钻孔岩芯的实际性质来判断实际“两带”发育高度。以上研究主要是以现场监测及软件模拟为主要手段，来观测开采条件下“两带”高度，对采动裂隙分布特征主要研究了围岩应力的作用，而对裂隙演变动态规律研究有待进一步开展。在实际的钻孔设计过程中可能影响最后观测结果的因素有很多，主要影响因素为开孔位置距离停采线距离、钻孔设计倾角、钻孔设计倾向等；钻孔设计的目的是根据取出岩芯来判断对应的垮落带、导水裂隙带发育高度，因此钻孔的设计角度及倾向是否可以打到实际的导水裂隙带及垮落带最高点是实际的一大问题，因此在设计前需要最好计算与分析判断“两带”发育规律，依据总结的规律利用实际钻孔来验证实际的“两带”发育高度。
5.上述研究方法虽然针对不同的问题进行了一定的改进，但是大多数都是在研究“两带”的发育规律上，仍然没有很好的解决如下问题：
[0006]“两带”高度的计算问题上：
[0007]
当前煤矿在煤层开采过程中的“两带”发育高度的计算一般采用理论计算及部分力学公式推导进行计算。理论计算的方法一般采用的是《三下规范》中的“两带”发育高的计算方法进行计算，主体是依据主采煤层的采高来进行计算；在着力学公式推导的方法是依据建立均值模型来计算煤层顶板荷载极值，并与实际实验得到的顶板抗压及抗拉强度极值进行比较来判断“两带”的大致发育高度。这种方法忽略了工作面的实际地质条件及不同地层之间的压力差异和煤层埋深的实际压力的影响，导致实际计算的“两带”发育高度与开采中导致的“两带”高度有较大差异。因此，需要在开采前在最大限度的了解由于开采导致的“两带”发育高度极值，保证实际的开采安全。
[0008]
煤层顶板破坏的空间分布形态：
[0009]
已知，伴随着工作面逐步推进，顶板塑性区逐渐扩大。主要表现在工作面推进顶板塑性区在空间上的展布趋向于形成一个中部为“漏斗状”，塑性区边界为拱形的区域。继而，在空间上煤层顶板上部破坏部分以中部的“漏斗状”形态，导致在采动工作面的剖面上展现为“马鞍形”。即主体表现为“马鞍形”的中部为垮落带的极点，而“马鞍形”的两个坡峰为导水裂隙带的发育峰值点。此外由数值模拟结果可知顶板塑性区自下而上的塑性区范围呈现逐渐变小的趋势，且逐渐形成闭合圈状，称之为
‘
o’型圈。进而在设计钻孔时应当考虑“o”形圈的发育规律，来进一步提高两带发育高度的准确性。
[0010]
(3)“两带”探测钻孔的布置
[0011]
通过收集资料可知，在以往的“两带”发育探测孔的实际中，一般都是采用理论计算破坏高度，而后根据以往的探测经验区设计探测钻孔的倾向及倾角。此种设计钻孔的技术具有较大的偶然性，会导致钻孔实际探测结果不理想。因此，我们通过数值模拟掌握煤层顶板在发育高度及空间破坏上的规律；根据数值模拟的接轨分析得到，采煤工作面的煤层顶板的“两带”发育一般呈现“马鞍形”发育形状。故而，在设计钻孔区实际探测“两带”发育高度时，理想状态下是探测孔穿过“马鞍形”形状的最低点及最高点。以此，来确定垮落带及导水裂隙带发育的最大高度。但实际设计钻孔时往往是依据矿区以往的资料及经验来设计探测孔的设计倾向及倾角，继而导致实际的钻孔并没有穿过实际“两带”发育的最高点。使得探测的“两带”发育高度较小于实际发育高度，为煤炭开采安全埋下隐患。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0013]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0014]
一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，包括如下步骤：
[0015]
s1、确定采动工作面；通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；
[0016]
s2、取样获取参数；取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；
[0017]
s3、建立三维地质模型；获取煤层顶板的地层信息，建立三维地质模型以导入至flac3d数值模拟软件中；
[0018]
s4、数据模拟分析；通过对flac3d数值模拟软件保存下来的数据分析得到工作面开挖过程中垮落带h1与导水裂隙带最大高度h2；
[0019]
s5、计算钻孔倾角；
[0020]
具体地，根据获得的垮落带高度数据，计算钻孔倾角，并利用如下公式：
[0021][0022][0023]
计算导水裂隙带高度时，利用如下公式：
[0024][0025]
其中，θ1为钻孔水平面投影与工作面边界的夹角、θ2为在探测垮落带高度时实际钻孔方向与其在工作面上投影的夹角，θ3为在探测导水裂隙带时的实际钻孔方向与其在工作面上投影的夹角；d为工作采宽；l1为钻场至停采线水平距离。
[0026]
进一步的，建立两种地质模型(含断层开采与不含断层开采两种基本情况)；利用两种不同数值模型模拟出的“两带”发育结果进行比较得出相对应的“两带”发育规律。
[0027]
进一步的，在数值模拟中塑性区的模拟研究其顶板塑性区发展规律，以避免钻孔时穿过上述的顶板塑性区，且顶板塑性区发育最终具有“o”型圈特征。
[0028]
进一步的，本方法使用flac3d数值模拟软件进行模拟。
[0029]
本发明的有益效果是：
[0030]
本发明提出的基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法具有以下几点有益效果。
[0031]
(1)利用数值模拟中塑性区分布规律来调节钻孔的垂直高度值，以便实际钻孔得以探测到裂隙带发育高度；
[0032]
(2)利用数值模拟中的煤层顶板塑性区在空间分布规律，来进一步展示在采动条件下煤层上覆岩体的破坏形态，为后续钻孔得倾向及倾角的设计提供一定的数据支撑；
[0033]
(3)通过数值模拟中塑性区的模拟研究其“o”形圈发育规律，以避免钻孔设计中由于“o”形圈的影响导致裂隙带高度探测出现较大误差；
[0034]
(4)总结以上数值模拟的结果进行实际钻孔的设计，得出完善的钻孔设计方案。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。在附图中：
[0036]
图1为本方案在含断层开采时的地质模型；
[0037]
图2为本方案的不含断层开采时的地质模型；
[0038]
图3为本方案在模拟过程中的塑性分布区示意图；
[0039]
图4为本方案以含断层顶板工作面为例，模拟在不同采动距离下煤层上覆岩体的破坏形态示意图；
[0040]
图5a为本方案中完整顶板纵向切片图；
[0041]
图5b为本方案中含断层顶板纵向切片图；
[0042]
图6为本方案中实际钻孔角度的示意图；
[0043]
图7为本方案中1-3#孔平面图；
[0044]
图8为本方案中4-6#孔平面图；
[0045]
图9为本方案中1-3#孔剖面图；
[0046]
图10为本方案中4-6#孔剖面图；
[0047]
图11为本方案的工程流程图。
具体实施方式
[0048]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0049]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0050]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0052]
在本技术实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0053]
在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0054]
参见图1-11，一种基于数值模拟软件的煤层顶板“两带”高度探测方法，包括如下
步骤：
[0055]
s1、确定采动工作面；通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；
[0056]
s2、取样获取参数；取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；
[0057]
s3、建立三维地质模型；获取煤层顶板的地层信息，建立三维地质模型以导入至flac3d数值模拟软件中；
[0058]
s4、数据模拟分析；通过对flac3d数值模拟软件保存下来的数据分析得到工作面开挖过程中垮落带h1与导水裂隙带最大高度h2；
[0059]
s5、计算钻孔倾角；
[0060]
具体地，根据获得的垮落带高度数据，计算钻孔倾角，并利用如下公式：
[0061][0062][0063]
计算导水裂隙带高度时，利用如下公式：
[0064][0065]
其中，θ1为钻孔水平面投影与工作面边界的夹角、θ2为在探测垮落带高度时实际钻孔方向与其在工作面上投影的夹角，θ3为在探测导水裂隙带时的实际钻孔方向与其在工作面上投影的夹角；d为工作采宽；l1为钻场至停采线水平距离。具体可参照图6，图中的巷道即为当前开采的隧道，巷道所在的平面即为当前的开采面。
[0066]
上述方案在工作中，具体的，首先，确定需要研究的采动工作面，并通过实际探查与收集，汇总当前工作面的实际地质概况与地层信息；再者，取用煤层顶板上的岩石，在实验室进行物理力学性质实验得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；选用可以模拟岩土与其他材料的三维力学行为的flac3d数值模拟软件；而后通过前期的收集，得到煤层顶底板的地层信息，并依据收集的地层信息建立三维地质模型，并导入到数值模拟软件中；在研究过程中我们的边界条件设定为“前后左右选用单约束边界(u＝0.v≠0，u为x方向上的位移，v为y方向上的位移)、下部边界取u＝v＝0、上部为自由面”；而屈服准则我们选用mohr-coulomb屈服准则，并且不考虑塑性流动和不考虑剪胀；在模拟方案及模拟过程中：首先模拟至稳定态，而后开挖一定距离后计算至岩层稳定(保存结果)，继续下一步开挖进行循环，直到工作面开挖结束，最后汇总数据；数据分析中，通过对数值模拟软件保存下来的数据分析得到工作面开挖过程中垮落带与导水裂隙带最大高度，同时通过软件导出开挖过程中覆岩的竖向位移图以及塑性区的空间规律分布图得到“两带”发育的规律。最后，通过数值模拟中得到的垮落带、导水裂隙带最大发育高度，以及竖向位移图与塑性区的空间规律分布图得出实际两带的大致发育形状及规律，最后设计钻孔来探查实际两带发育规律。
进一步提高“两带”发育监测的准确性，提高后期煤矿开采的安全性。
[0067]
以上，在研究实际工作面地质条件时应当采用最新编制的煤矿地质报告中的数据，同时在使用建模型时理想性的将地层设定为均质地层、地层倾角倾向等数据一样都采用均质数据，而不是实际中随距离变化而不断变化的情况；研究煤层顶板变化时也适当的建立一定厚度的煤层底板，以保证实验的真实性、准确性。
[0068]
岩体力学参数的选取，最好采用最近工作面顶板钻孔中的岩石重新实验测定，由于随着工作面的不停前进采掘，停采线附近的岩石受力发生变化。进而需要重新测定来减小误差，在实际输入的过程中也要参考以往的岩石力学参数进行误差判别，以防输入特别性(较大或较小的数值)数值。以此进一步保证数值模拟试验与实际情况的相符性。
[0069]
在数值建模过程中考虑到地质构造的复杂性，我们根据某矿某工作面的实际地质条件建立两种地质模型及为含断层开采与不含断层开采两种基本情况；建立模型如下图1、图2所示两种。利用两种不同数值模型模拟出的“两带”发育结果进行比较得出相对应的“两带”发育规律。
[0070]
在数值模拟中塑性区的模拟研究其顶板塑性区发展规律，以避免钻孔时穿过上述的顶板塑性区，且顶板塑性区最终发展呈“o”型圈特征。
[0071]
本方案，依据煤层覆岩采动破坏的分区可以较为方便地预测岩体破坏状态，在详细分析上覆岩体工程地质岩组特性基础上，采用数值分析方法确定垮落带和裂隙带的高度，其实际模拟过程中的塑性分布区如图3所示。
[0072]
通过数值及模拟过程中的数据及塑性区分布图分析得知自煤层顶板由上而下，依次为未破坏区域、剪切破坏区域和拉伸破坏区域，随着工作面的推进，发生拉伸破坏的区域范围逐渐增大，而上部剪切破坏区域也在不断扩大。采动裂隙带岩层处于塑性破坏状态。垮落带主要分布与工作面顶板上方，裂隙带主要分布与工作面四周。接着依据得到的结果及图示塑性区分布图与“两带”模拟破坏高度得以设计钻孔实际的倾向、倾角、孔长等实际参数，为钻孔的实际探测准确性提供保障。
[0073]
本方案中，利用数值模拟中的煤层顶板塑性区在空间分布规律，来进一步展示在采动条件下煤层上覆岩体的破坏形态，为后续钻孔得倾向及倾角的设计提供一定的数据支撑；为进一步分析工作面推进过程中塑性区变化规律，通过数值模拟后处理手段将顶板塑性区的空间分布表现出来，以含断层顶板工作面为例，模拟在不同采动距离下煤层上覆岩体的破坏形态；
[0074]
如图4可知：随着工作面逐步推进，顶板塑性区逐渐扩大。且随着工作面推进顶板塑性区在空间上的展布趋向于形成一个中部为“漏斗状”，塑性区边界为拱形的区域，且随着工作面推进，其特征越明显。总体上看塑性区中部发育迟缓，边缘发育良好，此处塑性区发育具备中间高两边低的特征，四个边缘两两交汇，在塑性区四个拐角处发育较差。根据上图展现的塑性区空间上分布规律来指导设计钻孔。继而在设计探查“垮落带”的钻孔时：由空间上塑性区分布图可以看出中部破坏下陷严重，故而在设计倾向θ1及倾角θ2的计算如下；
[0075]
[0076][0077]
而在对于计算导水裂隙带时，倾向应当尽量取小，由空间分布图知导水裂隙带最大高度出现在工作面边界附近故设计倾角θ3：
[0078][0079]
在本方案中，通过数值模拟中塑性区的模拟研究其“o”形圈发育规律，以避免钻孔设计中由于“o”形圈的影响导致裂隙带高度探测出现较大误差：对比完整顶板与含断层顶板塑性区纵向展布切片可知，纵向上含断层顶板的裂隙带发育较高，达到顶板上方45m时，完整顶板的“o”型圈逐渐不可见，而含断层顶板依然完整。在纵向上塑性区具有“o”型圈的特征，完整顶板纵向上塑性区发育较含断层顶板要差。故而在此条件下，当采动工作面靠近活穿过断层带时，其导水裂隙带发育高度会较完整顶板更高，故而在设计钻孔倾角时应进一步加大钻孔的倾角，避免由于倾角过小时钻孔穿过“o”形圈，导致探查的导水裂隙带较实际高度较低，使得钻孔设计方案失败。
[0080]
具体可参照图5a、图5b，其中，图5a为完整顶板纵向切片图、图5b为含断层顶板纵向切片图。
[0081]
综上，跟据数值模拟以及相关研究成果可知，工作面煤壁的覆岩“两带”分布规律与中部切面“马鞍状”两带分布不同，工作面煤壁处的顶板“两带”分布满足中间高两侧低的规律，故而设计时可将钻孔方位与工作面推进方向间的夹角增大，向工作面中间施钻，以达到探查裂隙带与垮落带最大高度。并以此为依据在模拟采动工作面工作面轨顺与轨顺设计了1-6#钻孔，以此来进行模拟采动工作面“两带”发育高度的探查，在工作面轨顺与轨顺分别施工探查钻孔1-6#孔。图7、8与图9、10分别为钻孔探查钻孔的设计平面以及剖面图。
[0082]
根据模拟工作面运顺与轨顺的钻孔布设平面图与剖面图的设计参数如表1所示。其包含了钻孔设计时的方位角、倾角、实际孔深等情况。
[0083]
下表为实际探查钻孔参数及探查结果：
[0084][0085]
实际的探查结果当中，根据设计方案，2#孔钻孔在23.1m高度处探查到垮裂带，同样垮落带探测孔5#孔未探测到，说明垮落带上限可以认定为23.1m左右，位于中细砂岩与砂质泥岩结合处。所有导水裂隙带探查孔皆探测到，表明裂隙带高度为53.5m以上。根据采高4.5m计算，模拟采动工作面垮采比为5.13，裂采比大于11.89。
[0086]
同时将数值模拟结果与实际探查结果相比较得到其数值相近，表明在数值模拟的基础下实际探测钻孔设计方案更加合理，探测出的“两带”发育高度更加靠近实际发育情况，为后续的开采及地表弯曲下沉带的监测提供合理的数据指导。
[0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。