一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法与流程

本发明涉及深部矿山高地压、高承压水等复杂条件下矿山安全预测技术领域，具体涉及一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法。

背景技术：

随着华北、华东地区煤炭开采进入深部开采阶段，传统的突水理论及预测方法越来越难以适应深部开采的地质力学环境。实践证明，突水同断裂构造密切相关，采矿界已经取得了共识：断层及隐伏构造是突水的关键因素。国内外专家学者运用多种手段，如模糊数学、神经网络、权重推导、支持向量机等，对煤层底板突水危险性评价做了大量研究，研究推动了底板突水危险性评价技术的发展，丰富并逐渐形成了煤层底板突水评价理论体系，解决了生产过程中出现的一些实际问题。但是随着矿山开采逐渐进入深部，地质条件及开采条件日益复杂以及对于突水机理认知的不断深入，仍有许多的理论和实际问题需进一步、更全面、更深入地研究；对已有的突水危险性评价方法在易用性方面还有待于进一步完善。因而，煤层底板突水评价方法仍需不断地探索。

开采扰动下断层的活化是一个十分复杂的地质动力现象，受很多因素包括断层本身的性状(产状、承压水压等)，岩体裂纹状态(裂纹产状、剪切裂纹等)以及采动应力等的共同影响。要对深部矿山构造型突水预测进行分析，就必须要同时考虑到所有这些因素的作用。但就目前的研究现状来看，几乎所有的关于导水通道活化倾向性的评价方法都只是定型化或者片面的考虑了其中的某一个或者某几个因素，特别是对影响突水过程中裂隙发育的岩石拉伸裂纹与剪切裂纹的准确预测与表征仍未解决，因此，亟需构建一种综合考虑石拉伸裂纹与剪切裂纹在内的多因素的科学的准确的定量化评价分析方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法，该方法修正了现有的预测方法因很少能够实现考虑裂纹扩展尤其是剪切裂纹的传播造成的现有定性评价效果越来越不适用当前深部矿山复杂地质条件。

其采用了以下技术方案：

一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法，依次包括以下步骤：

s1、根据获取到的矿区具体数据，结合理论分析、室内试验、fracod数值模拟，通过理论分析研究突水机理、室内试验仿真研究预测地点岩性及突水全过程，在取得上述试验基础数据及试验结果后，进一步运用fracod数值模拟软件模拟裂纹扩展；

基于所获得的试验结果及通过fracod数值模拟软件得到的模拟结果，运用统计学分析方法，明确所述矿区的导水通道/裂隙贯通、导水系数与构造活化危险程度的相关参数及突水拟合方程q(x,y,z,…)，进一步确定导水临界参数q，根据矿区各地区拟合方程数值及临界点q对比确定危险等级，实现定量评价；

s2、确定矿井底板突水危险性等级，初步建立输入为不同空间参数与不同应力环境，输出为构造活化危险程度分级的深部矿山断层及隐伏构造活化危险性评价方法，实现构造型突水定量评价新方法；

s3、依托矿井现场实际地质条件及现场实测数据，反向修正评价方法，进一步提高预测的精度及可靠性。

作为本发明的一个优选方案，步骤s1中，所述的理论分析主要依托于断裂力学进行，根据具体施工环境基于最大应变能释放率预测裂纹的传播，假设裂纹在在任意方向传播一个单位长度，新裂纹为张开裂纹，没有任何剪切错动，则应变能损失为gi，同理，新裂纹若只有剪切错动没有张开裂纹，则应变能损失为gii，认为两者之和决定裂纹起裂及传播方向，理论表示如下式所示：

其中，gi(θ)和gii(θ)为最大应变能释放率，gic和giic为材料强度参数，当θ＝θ0时，f为最大值，则θ0为裂纹传播方向，当f为1.0时，裂纹开始起裂并扩展，基于该理论分析，确定裂纹起裂及扩展方向，进一步确定导水裂隙发展方向。

作为本发明的另一个优选方案，所述的室内试验是实现对不同工况条件下，对不同底板构造、开采工艺或隔水层性质因素下底板突水发生过程的模拟，直观展现煤矿开采后覆岩层空间结构和水砂通道分布形态，再现工作面发生涌水溃砂灾害的全过程，获得不同侧向应力和渗透水压对现场岩石渗透特性的影响规律及岩石剪切强度特性。

进一步优选，上述的室内试验所需设备主要包括煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统以及mts直剪试验系统。

进一步优选，上述fracod数值模拟是基于试验得到的参数，相互印证，使得模拟裂纹扩展结果更贴近实际，其具体步骤如下：

s101、确定所要研究的具体问题，获取现场工况采集的参数，确定模拟应力水平及应力场环境，确定模拟时对称条件；

s102、依托室内试验确定的模拟采用的煤岩弹性力学性质，给定岩体i型裂纹及ii型裂纹的断裂韧度参数kic和kiic以及破坏形式mat；

s103、确定提供断裂表面接触特性，给定jmat,ks,kn,phi,coh,aperture0,aperture_r参数，定义完整岩石或边界处的随机破裂起始点、允许内部及边界破裂、原位应力参数及预制构造面、锚杆参数；

s104、计算导水通道扩展发育情况，确定矿区导水裂隙发育情况。

进一步优选，上述的室内试验可辅助计算机层析扫描重构技术反演裂隙时空演化特征，通过渗透试验、三维粗糙度仪测量直剪试验每一阶段试件的导水系数及断层面粗糙度。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明通过综合运用岩石断裂力学理论，通过大尺寸试件直剪试验、计算机层析扫描重构技术研究断层及隐伏构造裂隙传播演化机制，明确突水通道形成过程；通过渗透试验，三维粗糙度仪检测，探究试件直剪试验过程中导水系数与断层面粗糙度变化规律；应用fracod模拟软件，从裂隙传播角度直观显性地模拟深部矿山断层及隐伏构造引发的底板突水问题。最后，建立深部矿山断层及隐伏构造活化危险性定量评价系统，通过现场测试等手段，验证评价系统的合理性，实时反馈数据并修正系统，提高其可靠性。

本发明提出基于岩石断裂力学的深部矿山断层及隐伏构造活化新判据，得到不同空间分布参数、不同开采条件对断层及隐伏构造活化的影响程度，确定导水通道(裂隙贯通)、导水系数与构造活化危险程度的等相关参数及突水拟合方程q(x,y,z,…)，确定导水临界参数q，根据矿区各地区拟合方程数值及临界点q对比确定危险等级，实现定量评价，同时能够根据现场实际不断修正，真正实现定量化评价深部矿山构造型突水预测。

本发明实现了综合考虑多因素的深部矿山构造型突水的定量化评价。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法的流程图；

图2为王楼煤矿突水拟合方程q(x,y,z,…)。

具体实施方式

本发明提出了一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明一种基于断裂力学理论的深部矿山构造型突水预测新方法，如图1所示，具体步骤为：

步骤一、根据获取到的矿区具体数据，结合理论分析、室内试验、fracod数值模拟，通过理论分析研究突水机理、室内试验仿真研究预测地点岩性及突水全过程，在取得上述试验基础数据及试验结果后，进一步运用fracod数值模拟软件模拟裂纹扩展(突水通道)，使得模拟裂纹扩展结果更贴近实际。

基于实验及模拟结果，运用统计学分析等方法，明确该矿区导水通道(裂隙贯通)、导水系数与构造活化危险程度的等相关参数及突水拟合方程q(x,y,z,…)，确定导水临界参数q，根据矿区各地区拟合方程数值及临界点q对比确定危险等级，实现定量评价。

步骤二、确定矿井底板突水危险性等级，初步建立输入为不同空间参数与不同应力环境，如采高、埋深、剪切应力、承压水压等，输出为构造活化危险程度分级的深部矿山断层及隐伏构造活化危险性评价方法，实现构造型突水定量评价新方法。

步骤三、依托矿井现场实际地质条件及现场实测数据，反向修正评价方法，进一步提高预测的精度及可靠性。

上述的室内试验中，相似模拟试验系统能够实现对不同工况条件下对不同底板构造、开采工艺、隔水层性质等因素下底板突水发生过程的模拟；利用采动顶板涌水溃砂模拟试验系统封闭三维开采及多元数据采集获得工作面开采过程中上覆岩层变形破坏特征、裂隙发育规律、水砂通道形成及突涌参数，直观展现煤矿开采后覆岩层空间结构和水砂通道分布形态，再现了工作面发生涌水溃砂灾害的全过程；采用岩石应力渗流耦合真三轴试验系统获得不同侧向应力和渗透水压对现场岩石渗透特性的影响规律；采用mts直剪试验系统开展大尺寸试件(200mm×200mm×340mm)的直剪试验获取剪切强度特性。

上述的室内试验可以辅助计算机层析扫描重构技术反演裂隙时空演化特征，通过渗透试验、三维粗糙度仪测量直剪试验每一阶段试件的导水系数，断层面粗糙度。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

将本发明方法应用于王楼矿构造型突水的定量化评价中，具体步骤为：

步骤一、根据获取到的王楼矿xxx工作面具体数据，确定采高，埋深，倾角等基本参数；随后通过室内力学实验，测定王楼矿xxx工作面顶底板及煤层岩石力学参数，依托实测参数影响数值模拟。结合理论分析、室内试验、fracod数值模拟，通过理论分析研究突水机理、室内试验能研究预测地点岩性，在取得上述基础数据后，运用fracod数值模拟软件模拟裂纹扩展(突水通道)。明确该矿区导水通道(裂隙贯通)、导水系数与构造活化危险程度的等相关参数及突水拟合方程q(x,y,z,…)，确定导水临界参数q，根据矿区各地区拟合方程数值及临界点q对比确定危险等级，实现定量评价。

步骤二、确定王楼矿xxx工作面矿井底板突水危险性等级，初步建立输入为不同空间参数与不同应力环境，如采高、埋深、剪切应力、承压水压等，输出为构造活化危险程度分级的深部矿山断层及隐伏构造活化危险性评价方法，实现构造型突水定量评价新方法。

步骤三、依托王楼矿xxx工作面现场实际地质条件及现场实测数据，反向修正评价方法，如图2所示，进一步提高预测的精度及可靠性。

上述的数值模拟使用fracod模拟软件进行，使得模拟裂纹扩展结果更贴近实际，具体模拟包含以下步骤：

(1)为研究王楼矿xxx工作面矿井突水危险性情况，首先获取王楼矿xxx工作面现场实际地质条件及现场实测数据，确定模拟应力水平及应力场环境(stresses-2.00e+6-2.00e+06-00.0e6)，确定模拟时对称条件(symm300)；

(2)依托室内试验确定的模拟采用的煤岩弹性力学性质，给定岩体i型裂纹及ii型裂纹的断裂韧度参数和以及破坏形式mat(touk1.5e6，3.0e6，1)；

(3)确定其它参数，如断裂表面接触特性，给定参数，定义完整岩石或边界处的随机破裂起始点、允许内部及边界破裂、原位应力参数及预制构造面、锚杆等；

(4)计算导水通道扩展发育情况，确定矿区导水裂隙发育情况；

(5)基于实验及模拟结果，运用统计学分析等方法，明确该矿区导水通道(裂隙贯通)、导水系数与构造活化危险程度的等相关参数及导水拟合方程q(x,y,z,…)，如图2所示，确定导水临界参数q，根据矿区各地区拟合方程数值及临界点q对比确定危险等级，实现定量评价。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。