[发明专利]一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法。

背景技术：

随着煤矿开采深度不断加大，开采方式的变化，煤矿水害产生的条件以及水害产生的方式都发生着较大的变化，其中，封闭不良钻孔是诱发煤矿水害发生的一个重要因素，是威胁煤矿安全生产的隐患。煤层开采过程中，有些钻孔是封闭不良钻孔，但是在工作面推进过程中并未发生导通含水层导致导(突)水事故，这是由于随着工作面向封闭不良钻孔的推进，煤层的围岩应力产生变化，造成钻孔发生变形，可能会出现错断和弯曲，使得封闭不良钻孔联通的含水层被隔开，由此一来大大降低封闭不良钻孔的导(突)水强度，因此采用一种合适的数值模拟方法对于现实实际相似条件下采动响应对封闭不良钻孔产生的影响进行数值模拟具有重要的意义。

结合国内外研究现状，针对封闭不良钻孔的研究主要集中在钻孔的封闭方法、工艺及封闭质量研究，封闭不良钻孔处置措施方面，针对钻孔封闭质量和导水危险性评价方面的研究相对较少，目前，针对封闭不良钻孔在采动影响下的变形破坏情况进行数值模拟的研究没有相关进展，因此具有创新意义，并对煤矿生产中遇到的封闭钻孔突水问题具有指导意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法，它包括以下步骤：

(1)建立采场工作面力学概念模型；

(2)根据步骤(1)的概念模型建立封闭不良钻孔采动响应数值模拟力学模型；

(3)对步骤(2)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(4)进行煤层开挖工作；

(5)对数值模拟结果进行分析。

进一步的，在步骤(1)中，所述建立采场工作面力学概念模型是根据工作面煤层开采的实际情况，建立采动影响钻孔围岩破坏力学概念模型，回采工作面为走向长壁综采工艺，切眼位于模型左侧，推采方向为由左到右，由远及近接近钻孔，工作面沿倾向方向依次为巷道煤柱，上顺槽，回采工作面，下顺槽，巷道煤柱，钻孔位于工作面前方；本次模拟所选煤层埋深设置为550m，模型顶部上覆岩层的重量以加载垂直荷载的方式进行替代，为更精确地反应封闭不良钻孔对采动的响应，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。

进一步的，在步骤(2)中，所述建立数值模拟力学模型包括以下步骤：

①通过FLAC^3D程序建立三维几何模型并划分计算网格；建立的长方体几何模型沿走向长(X)300m，倾斜宽(Y)240m，模型高度(Z)220m，钻孔位于模型长260m、宽120m的位置，钻孔长度与模型高度一致，对钻孔周围的网格进行加密，三维模型共划分有183800个三维单元，共193239个节点；

②选取力学材料模型为FLAC^3D中莫尔-库仑Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏

式中，σ₁、σ₃分别是最大和最小主应力，c，φ分别是粘结力和摩擦角；当f_s＞0时，材料将发生剪切破坏；

③按照力学材料模型所要求的材料参数关键字对材料模型赋予材料参数，对于摩尔-库伦本构模型所选的材料参数包括：弹性体积模量，K；内聚力，c；剪胀角，ψ；内摩擦角，φ；弹性切变模量，G；抗拉强度，σ₁；这些数据通过对所采岩样进行岩石力学试验结果所得，若数值模拟的材料参数与试验实测参数并不完全一致，则需对试验参数进行公式换算，将其调整与数值模拟的材料参数一致；

④加载及设置边界条件和初始条件，在本模型初始条件岩体外部不施加任何力，仅仅是岩体自身重力，设置重力加速度-9.81m/s²，模型顶部等效载荷为-6.6×10⁶Pa；对长方体模型6个边界面中的5个面固定，即位移为0，5个面即X方向的两个面，Y方向上的两个面以及Z方向上模型的底面。

进一步的，在步骤(3)中，所述的力学模型的初始平衡状态求解计算包括设置监控变量、求解和结果分析三个步骤：