[发明专利]采空区裂隙圈形态的三维模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于瓦斯抽采领域，特别是一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法。

背景技术

矿井采掘空间的瓦斯来源主要是工作面和采空区涌出瓦斯以及邻近层涌入瓦斯，由于综采面多为长壁式回采工作面,而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的30～40％以上，多者达70～80％，采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁，因此被迫停产。

我国非常重视对采空区瓦斯运移规律的研究，在采空区瓦斯抽放技术以及抽放工艺方面已经取得了丰富的经验，但仍存在着一些问题，如采空区抽采效果普遍很差，抽采率低等问题。分析其原因，是因为抽采钻孔布置不合理，没有系统研究采空区裂隙分布的规律。因此，开展对采空区裂隙形态分布的研究，对煤矿安全生产以及实现煤与瓦斯共采的有着非常重要的现实意义。

在煤矿开采之前，岩层处于原岩应力状态。随着煤矿的开采，形成了地下空间，打破了岩体的原始应力状态，造成了岩体应力重新分布。在岩体应力重新分布的过程中，岩体发生变形，移动甚至破坏，从而在工作面前方和巷道两侧煤壁形成应力集中区。根据矿山压力理论，随着采煤工作面的不断推进，采动应力在采煤工作面后垂直方向形成了“竖三带”，由下向上分别为垮落带、断裂带和弯曲带。在水平方向上形成“横三区”，沿工作面推进方向分别为重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区。同时，随着采煤工作面的推进，采空区裂隙形态不断的发生变化。因此，传统的瓦斯抽采钻孔方法很难正确确定钻孔位置。

一些学者通过二维相似模拟，数值模拟等方法来确定采空区的裂隙分布，由于二维尺度的相似模拟不能准确反映出采场应力变化，数值模拟又缺乏试验验证，这些方法都不能准确的反映出采空区裂隙形态分布状况，从而对采空区钻孔位置确定指导有限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，其通过三维模拟方式可全面模拟采空区裂隙发育形态，并通过采动过程模拟和对采空区顶板应力变化数据动态采集，获得采空区裂隙圈的形态，以便更加准确的确定抽采孔的钻孔位置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种采空区裂隙圈形态的三维模拟方法，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；

第二步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中采空区顶板及底板的应力变化，利用动态电阻应变仪进行数据记录；

第三步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；

第四步，绘制采空区裂隙圈形态模拟图：根据统计的裂隙数据，利用三维软件绘制采空区裂隙圈形态模拟图。

采用前述技术方案的本发明，由于采用了三维模拟方式对煤岩体裂隙场演化规律，因此，可获得更加接近实际情况的煤层底板变形、跨落、采场围岩裂隙形成及分布规律，同时，可进一步总结岩体内部移动规律。本试验的三维应力条件通过“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”对模拟试验体进行加载实现。该系统于2012年8月1日公开，其中国专利公开号为：CN102621232A，其可提供三向不等应力环境。当然本试验可以采用其他可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。以利用现有试验条件进行模拟，降低模拟试验成本，减少试验准备时间，缩短试验周期。其中，绘制采空区裂隙圈形态模拟图的三维软件包括现有的CAD、UG、PROE、CATIA等。

优选的，所述模拟试验体的煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。以提高模拟的精确度和准确性。

优选的，所述模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟。以提高模拟的精确度和准确性。

进一步优选的，所述时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。以便通过熔化速度控制获时间相似比模拟的可控性，提高模拟的可靠性。

进一步优选的，所述模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进。以可控和可靠的实现空间和时间参数模拟。

进一步优选的，用于所述电加热熔化的发热电阻分别被埋设在相应模拟煤层的试块中。以便模拟煤层按设定区域和速度熔化，更进一步提高模拟的精确度和准确性。