一种应力-裂隙耦合场力学状态分析方法及系统

本发明属于煤层开采，尤其涉及一种应力-裂隙耦合场力学状态分析方法及系统。

背景技术：

1、我国的矿产资源主要储存于西部地区，然而该区水资源匮乏且制约了资源开采。因此，我国学者提出“地下水库储水”的发展思路，而后神华集团率先开始采用地下水库技术体系，利用煤矿开采作业完成之后形成的采空区作为蓄水载体。煤矿地下水库坝体由采空区边界安全煤柱与人工坝体连接而成，前者是水库坝体的主要组成部分且其稳定是保证下水库安全运行的关键。传统的保护煤柱主要从力学失稳的角度考虑煤柱稳定性，考虑煤柱与周围岩体的力学平衡以及岩体活动对煤柱稳定性的影响。而地下水库煤柱坝体不仅受到采动作业时上覆岩层压力变化和侧面水压力的影响。此外导水裂隙发育以及水侵入也会对煤柱坝体有较强的弱化作用。国内外煤柱稳定性研究在煤矿区段较为常见，然而对地下水库煤柱坝体的相关研究极少，从多场耦合角度入手并针对煤柱坝体稳定性问题的综合研究十分欠缺。在储水条件下煤柱坝体应力-渗流状态分析研究，有助于坝体所处复杂工况和煤柱安全系数的评价，对保障煤炭安全开采及水库储水的长期安全运行有极大的指导意义。。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术并无针对煤柱的应力-裂隙耦合场力学状态分析方法或系统。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应力-裂隙耦合场力学状态分析方法及系统。

2、本发明是这样实现的，通过对煤柱坝体现阶段的理论研究与数值模拟的评述，对地下水库煤柱坝体各个影响因素之间的关系以应力-裂隙-渗流“三场”相互作用的思路进行归纳，总结了其在数值模拟中的本构方程选择及边界条件的选择特点，提出现阶段研究在考虑应力-裂隙-渗流多场耦合作用对煤体整体强度影响方面的建模研究较为分散，且多基于传统煤柱安全性分析方法的问题，通过三维图像表征的手段分析煤岩试样在应力加载ct扫描实验过程中的力学性能变化进而在煤柱稳定性问题分析上提供指导，为地下水库技术体系和煤柱坝体结构优化设计提供良好的价值。

3、一种应力-裂隙耦合场力学状态分析方法，所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法包括：

4、结合煤柱坝体力学特性数据和三维重建的孔裂隙三维模型，综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的力学状态。

5、进一步，所述煤柱坝体力学特性数据为煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据。

6、进一步，所述煤柱在应力-裂隙场作用下的力学状态包括：煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

7、进一步，所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法包括以下步骤：

8、步骤一，获取煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据；

9、步骤二，基于微观ct扫描实验与三维可视化方法对孔裂隙结构进行三维重构，得到孔裂隙三维模型；

10、步骤三，利用煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据与孔裂隙三维模型综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

11、本发明的另一目的在于提供一种实施所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法的应力-裂隙耦合场力学状态分析系统，所述应力-裂隙耦合场力学状态分析系统包括：

12、力学数据采集模块，用于获取煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据；

13、三维重构模块，用于基于微观ct扫描实验与三维可视化方法对孔裂隙结构进行三维重构，得到孔裂隙三维模型；

14、分析模块，用于利用煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据与孔裂隙三维模型综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

15、本发明的另一目的在于提供一种实施所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法的煤柱稳定性分析方法。

16、本发明的另一目的在于提供一种实施所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法的煤柱安全监测预警方法。

17、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法如下步骤：

18、步骤一，获取煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据；

19、步骤二，基于微观ct扫描实验与三维可视化方法对孔裂隙结构进行三维重构，得到孔裂隙三维模型；

20、步骤三，利用煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据与孔裂隙三维模型综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

21、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述应力-裂隙耦合场力学状态分析方法如下步骤：

22、步骤一，获取煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据；

23、步骤二，基于微观ct扫描实验与三维可视化方法对孔裂隙结构进行三维重构，得到孔裂隙三维模型；

24、步骤三，利用煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据与孔裂隙三维模型综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

25、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述应力-裂隙耦合场力学状态分析系统。

26、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

27、第一、本发明提供了一种基于微观ct扫描实验和三维重构技术的应力-裂隙耦合场力学状态分析方法，结合煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据和avizo重建的孔裂隙三维模型，可综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律。

28、第二，本发明通过对煤柱坝体现阶段的理论研究与数值模拟的评述，对地下水库煤柱坝体各个影响因素之间的关系以应力-裂隙-渗流“三场”相互作用的思路进行归纳，总结了其在数值模拟中的本构方程选择及边界条件的选择特点，提出现阶段研究在考虑应力-裂隙-渗流多场耦合作用对煤体整体强度影响方面的建模研究较为分散，且多基于传统煤柱安全性分析方法的问题。

29、本发明能够综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律，为煤柱的稳定性分析以及安全监测支持。

30、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

31、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

32、项目研究完成后，可形成一套适合我国煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的综合分析技术，能通过对储水条件下煤柱坝体应力-裂隙场耦合的分析，对坝体所处复杂工况和煤柱安全系数进行评价，保障煤炭安全开采，确保水库储水的长期安全运行。并对于实现煤矿地下水库坝体结构稳定性评价及优化设计、完善地下水库理论框架与技术体系、促进西部矿区保水开采都具有重要的理论意义与工程价值。此项目团队包括中外研究人员，积极消化和引进国际上先进的水岩表征技术和数值分析技术，结合我国煤矿地下水利工程的特点，自主开发、优化先进适用技术。由于现阶段与此项目类似的相关技术成果在国内外尚欠缺，项目通过对关键性问题的突破和技术的完善提高，将对煤矿安全产业的发展和地下水资源保护利用两方面起到推动作用。

33、第四，以下是本发明每一步的技术进步及积极效果，

34、步骤一，通过获取煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据；初步分析煤体的力学性质及其稳定性，同时为后续建模提供参数。

35、步骤二，基于微观ct扫描实验与三维可视化方法对孔裂隙结构进行三维重构，得到孔裂隙三维模型；其后用三维图像表征的方法分析煤样孔裂隙结构的演化规律，判断其失稳条件，即何时发生破坏。

36、步骤三，利用煤柱坝体在不同应力、水压下的力学特性数据与孔裂隙三维模型综合表征煤柱在应力-裂隙场作用下的结构特征、岩体形变特征及裂隙演化规律；在地下水库煤柱坝体的稳定性问题分析上提供指导，为地下水库技术体系和煤柱坝体结构优化设计提供良好的价值。