淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，包括如下步驟：根據(jù)礦井實(shí)際地層資料確定相似實(shí)驗(yàn)材料配比；根據(jù)幾何相似和動力相似鋪設(shè)相似材料模型；材料強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度相似后進(jìn)行煤層開挖，模型開挖穩(wěn)定后拍攝裂隙發(fā)育照片；使用圖像處理軟件對照片進(jìn)行灰度化和矢量化處理；將矢量化的裂隙圖像導(dǎo)入到數(shù)值模擬模擬軟件進(jìn)行計(jì)算；將得到的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，通過不斷修正，最終獲得比較精確的數(shù)值模型。本發(fā)明可揭示淺埋煤層條件下覆巖裂隙分布及漏風(fēng)特征，為漏風(fēng)通道的封堵等現(xiàn)場情況提供一種有益的參考。
【專利說明】淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，屬于對 地下巖土工程領(lǐng)域的裂隙巖體的試驗(yàn)研宄及地表裂隙漏風(fēng)特征的判定方法研宄。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國煤炭開采戰(zhàn)略西移，西部礦區(qū)多為淺埋藏煤層，淺埋藏煤層開采地表漏風(fēng)嚴(yán) 重，易引發(fā)采空區(qū)煤炭自燃。煤炭自燃不僅會影響礦井的正常生產(chǎn)，還可能引發(fā)重特大的火 災(zāi)或瓦斯爆炸事故。由于西部煤層埋藏淺，在采動應(yīng)力的作用下形成了大量貫通地表的裂 隙，這些裂隙構(gòu)成了煤自燃漏風(fēng)供氧的主要通道。在利用黃泥（粉煤灰）漿、砂漿、三相泡 沫等防滅火材料對采空區(qū)自燃危險區(qū)域及漏風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行防滅火及降溫封堵時，因傳統(tǒng)的技術(shù) 手段很難檢測到裂隙的分布位置，導(dǎo)致防滅火材料不能及時有效地輸送到漏風(fēng)點(diǎn)附近完成 對漏風(fēng)通道的封堵。所以，研宄淺埋藏煤層開采裂隙的分布和漏風(fēng)特征對封堵漏風(fēng)通道，防 治煤炭自燃有著重要意義。
[0003] 目前，判定淺埋藏煤層地表裂隙分布和漏風(fēng)特征的方法主要有示蹤氣體法和數(shù)值 模擬法。示蹤氣體法是在漏風(fēng)源釋放SF6*蹤氣體，在漏風(fēng)匯處采集氣樣，通過對氣樣濃度 的分析來定性判定漏風(fēng)通道。由于受現(xiàn)場環(huán)境和測量方法的限制，只能通過對一些點(diǎn)的監(jiān) 測來反映整個采空區(qū)的裂隙分布和漏風(fēng)特征，且判定結(jié)果易受釋放量等因素的影響。在對 淺埋煤層裂隙漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬時，一般使用等效連續(xù)介質(zhì)模型，將裂隙及周圍巖體等效 為具有一定滲透張量的連續(xù)介質(zhì)，利用多孔介質(zhì)理論進(jìn)行求解。但它忽略了淺埋煤層貫通 地表的縱向裂隙對漏風(fēng)的影響，在處理這種大規(guī)模裂隙時模擬結(jié)果與實(shí)際情況往往存在較 大偏差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有數(shù)值模擬方法的不足，本發(fā)明通過將相似材料模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù) 值模擬相結(jié)合的方法，將裂隙的發(fā)育狀況引入數(shù)值模型中，克服了巖體內(nèi)裂隙檢測困難、數(shù) 值模型過度簡化等問題；同時，對模型的修正可以有效的提高模型的精度和可靠性，為淺埋 藏礦區(qū)開采后地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定提供一種有益的參考。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，包括如下步驟：
[0007] (1)確定模型與原巖的比例，根據(jù)礦區(qū)煤層埋藏的巖層巖性、厚度和物理力學(xué)參 數(shù)，計(jì)算模型中模擬各層巖層時不同材料的配比及用量；
[0008] (2)根據(jù)得到的材料的配比及用量，按照原巖的巖層層位關(guān)系及傾角按順序鋪設(shè) 實(shí)驗(yàn)巖層形成模型并靜置，在相鄰巖層中布置電阻應(yīng)變片；
[0009] (3)當(dāng)模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差在閾值范圍內(nèi)時，模擬現(xiàn)場實(shí)際對原型的開采條件， 準(zhǔn)備對模型中的煤層進(jìn)行開挖；
[0010] (4)根據(jù)對原型進(jìn)行實(shí)際開挖時的推進(jìn)速度和每次開挖的長度，設(shè)置對模型進(jìn)行 開挖的推進(jìn)速度和每次開挖的長度，并且每次開挖結(jié)束后，放置40?SOmin再繼續(xù)開挖； [0011] (5)在對模型開挖的進(jìn)行過程中，記錄電阻應(yīng)變片的檢測數(shù)據(jù)，當(dāng)各個電阻應(yīng)變片 的數(shù)據(jù)均不再變動或變動幅度均在閾值范圍內(nèi)時，模型達(dá)到應(yīng)力平衡，使用相機(jī)拍攝模型 應(yīng)力平衡后裂隙發(fā)育的照片；
[0012] (6)將拍攝所得的裂隙發(fā)育照片處理為矢量圖形；
[0013] (7)將矢量圖形導(dǎo)入COMSOL數(shù)值模擬軟件并設(shè)為初始幾何模型，調(diào)整幾何模型大 小，設(shè)定幾何模型材料屬性、邊界條件；
[0014] (8)對設(shè)定好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分后求解計(jì)算，獲得裂隙漏風(fēng)風(fēng)速和壓力分 布；
[0015] (9)將獲得的裂隙漏風(fēng)風(fēng)速及壓力分布與針對原型進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測的各點(diǎn)的漏風(fēng)數(shù) 據(jù)進(jìn)行對比分析，通過不斷地調(diào)整幾何模型的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而獲得與現(xiàn)場實(shí)測相吻合的裂 隙漏風(fēng)風(fēng)速和壓力分布規(guī)律，為封堵漏風(fēng)通道提供參考。
[0016] 具體的，所述步驟（2)中，電阻應(yīng)變片布置在相鄰兩個巖層之間，在同一個水平檢 測平面內(nèi)的電阻應(yīng)變片呈網(wǎng)狀布置，以采集檢測數(shù)據(jù)；比如設(shè)計(jì)同一個水平檢測平面內(nèi)的 電阻應(yīng)變片呈矩形陣列的網(wǎng)格狀分布，一般設(shè)計(jì)同一橫向或縱向直線上相鄰兩電阻應(yīng)變片 之間的水平距離為30cm。
[0017] 具體的，所述步驟（3)中，判斷模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差是否在閾值范圍內(nèi)，具體方 法為：在鋪設(shè)模型前，通過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)確定模擬材料達(dá)到與原巖力學(xué)性能差在閾值范圍 內(nèi)時的含水量W tl;在模型鋪設(shè)完成并靜置一段時間后，測量模型材料的含水量W，當(dāng)w = W0 時，即可認(rèn)為模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差在閾值范圍內(nèi)。
[0018] 更為具體的，所述步驟（3)中，確定材料含水量的方法是稱重法，具體為：取一定 量的材料作為試樣，使用〇. Ig精度的天平稱取試樣的重量，記作試樣的濕重m，在105°C的 烘箱內(nèi)將試樣烘烤至恒重，再次使用〇. Ig精度的天平稱取試樣的重量，記作試樣的濕重ms， 計(jì)算含水量w = ms/m。
[0019] 具體的，所述步驟￠)中，將拍攝所得的裂隙發(fā)育照片處理為矢量圖形的方法為： 利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，通過包括圖像濾波、銳化增強(qiáng)、圖像分割、噪音過濾和檢測細(xì)化 在內(nèi)的處理后，生成矢量化的裂隙數(shù)據(jù)，將矢量化的裂隙數(shù)據(jù)作為矢量圖形。
[0020] 具體的，所述步驟（7)中，材料屬性包括流體密度P、流體動力粘度μ、裂隙周圍 煤巖體滲透率k和煤巖體孔隙率ε ;邊界條件的設(shè)定具體為：上部裂隙入口壓力Ptl設(shè)為大 氣壓力，下部裂隙出口壓力設(shè)為采空區(qū)側(cè)壓力，左右邊界設(shè)為無流動邊界。
[0021] 更為具體的，所述步驟（7)中，裂隙周圍煤巖體滲透率k和孔隙率ε的求解方法 為：在模型平面上取上下相鄰的四個位移監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成一個四邊形ABCD，煤層開采，當(dāng)上覆 巖層發(fā)生塌陷后，四邊形AB⑶的面積由S變?yōu)镾' ：
[0022] 計(jì)算煤巖體碎脹系數(shù)為：Kp= S' /S ;
[0023] 根據(jù)煤巖體碎脹系數(shù)計(jì)算孔隙率為

【權(quán)利要求】
1. 一種淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其特征在于：包括如 下步驟： (1) 確定模型與原巖的比例，根據(jù)礦區(qū)煤層埋藏的巖層巖性、厚度和物理力學(xué)參數(shù)，計(jì) 算模型中模擬各層巖層時不同材料的配比及用量； (2) 根據(jù)得到的材料的配比及用量，按照原巖的巖層層位關(guān)系及傾角按順序鋪設(shè)實(shí)驗(yàn) 巖層形成模型并靜置，在相鄰巖層中布置電阻應(yīng)變片； (3) 當(dāng)模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差在閾值范圍內(nèi)時，模擬現(xiàn)場實(shí)際對原型的開采條件，準(zhǔn)備 對模型中的煤層進(jìn)行開挖； (4) 根據(jù)對原型進(jìn)行實(shí)際開挖時的推進(jìn)速度和每次開挖的長度，設(shè)置對模型進(jìn)行開挖 的推進(jìn)速度和每次開挖的長度，并且每次開挖結(jié)束后，放置40?SOmin再繼續(xù)開挖； (5) 在對模型開挖的進(jìn)行過程中，記錄電阻應(yīng)變片的檢測數(shù)據(jù)，當(dāng)各個電阻應(yīng)變片的數(shù) 據(jù)均不再變動或變動幅度均在閾值范圍內(nèi)時，模型達(dá)到應(yīng)力平衡，使用相機(jī)拍攝模型應(yīng)力 平衡后裂隙發(fā)育的照片； (6) 將拍攝所得的裂隙發(fā)育照片處理為矢量圖形； (7) 將矢量圖形導(dǎo)入COMSOL數(shù)值模擬軟件并設(shè)為初始幾何模型，調(diào)整幾何模型大小， 設(shè)定幾何模型材料屬性、邊界條件； (8) 對設(shè)定好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分后求解計(jì)算，獲得裂隙漏風(fēng)風(fēng)速和壓力分布； (9) 將獲得的裂隙漏風(fēng)風(fēng)速及壓力分布與針對原型進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測的各點(diǎn)的漏風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn) 行對比分析，通過不斷地調(diào)整幾何模型的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而獲得與現(xiàn)場實(shí)測相吻合的裂隙漏 風(fēng)風(fēng)速和壓力分布規(guī)律，為封堵漏風(fēng)通道提供參考。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（2)中，電阻應(yīng)變片布置在相鄰兩個巖層之間，在同一個水平檢測平面 內(nèi)的電阻應(yīng)變片呈網(wǎng)狀布置，相鄰兩電阻應(yīng)變片之間的水平距離為30cm，以采集檢測數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（3)中，判斷模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差是否在閾值范圍內(nèi)，具體方法為： 在鋪設(shè)模型前，通過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)確定模擬材料達(dá)到與原巖力學(xué)性能差在閾值范圍內(nèi)時的 含水量在模型鋪設(shè)完成并靜置一段時間后，測量模型材料的含水量w，當(dāng)w=Wtl時，即可 認(rèn)為模型強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差在閾值范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（3)中，確定材料含水量的方法是稱重法，具體為：取一定量的材料作 為試樣，使用〇.Ig精度的天平稱取試樣的重量，記作試樣的濕重m，在105°C的烘箱內(nèi)將試 樣烘烤至恒重，再次使用0.Ig精度的天平稱取試樣的重量，記作試樣的濕重ms，計(jì)算含水量 w-nis/ni〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（6)中，將拍攝所得的裂隙發(fā)育照片處理為矢量圖形的方法為：利用計(jì) 算機(jī)圖形處理技術(shù)，通過包括圖像濾波、銳化增強(qiáng)、圖像分割、噪音過濾和檢測細(xì)化在內(nèi)的 處理后，生成矢量化的裂隙數(shù)據(jù)，將矢量化的裂隙數(shù)據(jù)作為矢量圖形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（7)中，材料屬性包括流體密度P、流體動力粘度μ、裂隙周圍煤巖體 滲透率k和煤巖體孔隙率ε;邊界條件的設(shè)定具體為：上部裂隙入口壓力Ptl設(shè)為大氣壓力， 下部裂隙出口壓力設(shè)為采空區(qū)側(cè)壓力，左右邊界設(shè)為無流動邊界。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（7)中，裂隙周圍煤巖體滲透率k和孔隙率ε的求解方法為：在模型平 面上取上下相鄰的四個位移監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成一個四邊形ABCD，煤層開采，當(dāng)上覆巖層發(fā)生塌陷 后，四邊形AB⑶的面積由S變?yōu)镾' ： 計(jì)算煤巖體碎脹系數(shù)為：KP=S'/S; 根據(jù)煤巖體碎脹系數(shù)計(jì)算孔隙率為 12 3 煤巖體滲透率k和孔隙率ε滿足：k= \& ； C{\-sy 其中，d為破碎煤巖體粒徑，C為系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的淺埋藏煤層開采地表貫通裂隙分布和漏風(fēng)特征判定方法，其 特征在于：所述步驟（7)中，幾何模型按照如下方式進(jìn)行描述： 1) 裂隙區(qū)域內(nèi)部不存在多孔介質(zhì)，不屬于滲流，采用Navier-Stokes方程描述：
其中，P表示流體密度，u表示流體速度，μ表示流體動力粘度，p表示單位流體壓力 差，F(xiàn)單位流體體積力； 2) 裂隙厭域周闈煤巖體處理為多孔介質(zhì)，屬于滲流，采用Darcy定律描述：
其中，μ表示流體動力粘度，k為煤巖體的滲透率，q流體流量，ρ為單位流體壓力差，Z為高度改變量。
【文檔編號】E21B49/00GK104462654SQ201410633316
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】秦波濤, 王奇奇, 申宏敏, 馬立強(qiáng), 魯義 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)