一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法

1.本发明涉及采空区应力恢复数值模拟技术领域，尤其涉及一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法。


背景技术：

2.煤炭资源是我国最重要的主体能源。在未来很长一段时期内，煤炭占我国能源消耗比重都将超过半数，因而煤炭安全生产的重要性尤为突出。随着我国煤炭开采深度的增大，因此对于顶板采动破坏的风险不容忽视。而针对采动过程中的应力恢复进行研究能够有效减小采动过程中的顶板破坏风险，目前众多学者针对应力恢复问题已经做出了大量的成果，但是对于采动过程中应力恢复的动态演化过程的模拟方面仍然缺乏有效的方法。
3.当前针对应力恢复的研究仍多以现场地应力测试、理论公式计算等为主，该方法存在如下缺点：现场地应力测试需要花费较多的时间和精力，测试过程中对岩体要求过高，影响因素较多等；在实际操作过程中存在诸多局限性。而理论公式计算难以直观的反映出应力恢复的动态过程，不能较好的反映岩体采动过程中所受应力变化情况。


技术实现要素：

4.为解决上述背景技术中所提的技术问题，本发明提供一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法。
5.本发明采用以下技术方案实现：一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，包括如下步骤：
6.s1、收集参数，通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；
7.s2、构建模型，基于已有参数建立三维地质模型；
8.s3、应力恢复计算，对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；
9.s4、载荷模拟，对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；
10.s5、模拟开采，对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。
11.作为上述方案的进一步改进，在步骤s3中，所述的应力恢复计算是对不同开采步距下采空区上覆岩层应力恢复状况进行，计算方法包括如下步骤：
12.s31、将集中应力载荷采场支承压力分为极限平衡区和弹性区；
13.将极限平衡区支承压力载荷分为峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷；根据峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷，计算出极限平衡区荷增加量；
14.s32、计算弹性区载荷增加量；
15.s33、根据极限平衡区荷增加量与弹性区载荷增加量，计算出煤层开采前后采空区应力释放区载荷；
16.s34、根据煤层开采前后采空区应力释放区载荷，获得采空区应力增长参数，从而确定采空区应力增长函数。
17.作为上述方案的更进一步改进，在步骤s31中，所述峰后应力减小载荷表示为sb，所述峰前应力增加载荷表示为sc，则将极限平衡区载荷增加量表示为：
[0018][0019]
其中，k为支承压力应力集中系数，xb为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力。
[0020]
作为上述方案的更进一步改进，在步骤s32中，所述弹性区载荷增加量表示为：
[0021][0022]
其中，k为支承压力应力集中系数，xb为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力，c为弹性区范围，l为弹性区侧与煤壁的距离。
[0023]
作为上述方案的更进一步改进，在步骤s33中，根据采空区应力释放与煤壁前方支承压力增量荷载的平衡原则，将极限平衡区载荷增加量与弹性区载荷增加量之和作为采空区应力增长量：
[0024]
sa＝s
c-b
+sd。
[0025]
作为上述方案的更进一步改进，在步骤s34中，将开采前后采空区应力释放区载荷表示为：
[0026][0027]
其中，σ0为原岩应力，lc为采空区应力恢复距离，σc为采空区应力增长函数；
[0028]
根据步骤s33中采空区应力增长量sa，计算出应力增长函数σc的值；
[0029]
将应力增长函数σc定义为幂函数并表示为：
[0030]
σc＝σ0(x/lc)n；
[0031]
其中，σ0为原岩应力，x为采空区侧与煤壁的距离，lc为采空区应力恢复距离，n为采空区应力增长参数；
[0032]
根据应力增长函数σc的值，计算出采空区应力增长参数n；
[0033]
将采空区应力增长参数n作为常量，以重新确定采空区应力增长函数方程，并且采动过程中的应力以该方程的形式进行恢复。
[0034]
作为上述方案的更进一步改进，在步骤s4中，载荷模拟还包括如下步骤：
[0035]
s41、当顶板初次发生冒落时，根据步骤s3中应力恢复计算的结果，将采空区底板处应力恢复视作与顶板相同；
[0036]
利用时间步表示作用力的大小及作用范围；
[0037]
当本次开挖结束时，模型上作用的竖向应力与冒落的煤矸石对顶底板围岩的作用力一致。
[0038]
s42、在接下来的开采过程中，重复步骤s41中的步骤，始终保持模型上施加的竖向应力的大小和作用范围与时间步相关。
[0039]
本发明还提供一种应用于上述任一种所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法的装置，所述装置包括：
[0040]
参数收集模块，其用于通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；
[0041]
模型构建模块，其用于基于已有参数建立三维地质模型；
[0042]
计算模块，其用于对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；
[0043]
载荷模拟模块，其用于对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；及
[0044]
开采模拟模块，其用于对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。
[0045]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0046]
本发明通过计算得知采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩作用的动态变化情况，进而对模型施与之等效的竖向应力，用以模拟煤矸石对顶底板围岩的作用，操作简单，易于实际应用，为采空区煤矸石冒落应力恢复的模拟提供了一种新的方法和思路。
附图说明
[0047]
图1为本发明的采空区冒落矸石应力恢复技术流程图；
[0048]
图2为fish命令执行流程图；
[0049]
图3为采场周边荷载分布图；
[0050]
图4为不同开采步距下竖向应力施加示意图；
[0051]
图5为数值模型示意图；
[0052]
图6为全部垮落法开采最终竖向应力分布图；
[0053]
图7为施加反力后最终竖向应力分布图。
具体实施方式
[0054]
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0055]
实施例1
[0056]
请结合图1，采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，包括如下步骤：
[0057]
s1、收集矿区钻孔资料，通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度等数据。
[0058]
s2、构建模型，基于已有参数建立flac3d三维地质模型，并赋予其正确的本构关系、边界条件、参数等条件。
[0059]
s3、应力恢复计算，通过理论公式计算不同开采步距下采空区上覆岩层应力恢复状况，并求出模型坐标原点处的竖向应力值；
[0060]
s4、请结合图2，基于flac3d5.0采动模型内置fish语言编写命令流，使得竖向应力的动态变化总是与时间步(timestep)相关，在每次开挖结束后，竖向应力的大小及分布状况即为依据理论公式所求的结果。
[0061]
对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；
[0062]
本实施例中的时间步(timestep)是指在时间上离散化的一个间隔，用于描述一个系统或过程的演化过程。在许多物理学、工程学、计算机科学等领域，时间步被用来描述模拟系统随着时间的演变。在数值计算中，时间步通常指的是时间上的离散，将一个连续的时
间区间划分为若干个离散的时间段，每个时间段称为一个时间步。这样的划分可以让我们用数值方法来逼近一个连续的时间演化过程，进而得到更加准确的数值结果
[0063]
s5、模拟开采，对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程，即以相等的步距对模型进行开采，观察应力恢复的动态过程。
[0064]
在步骤s3中，不同开采步距下采空区上覆岩层应力恢复状况的计算方法包括如下步骤：
[0065]
s31、在工作面推进方向上，根据岩层应力状态，以将集中应力载荷采场支承压力分为极限平衡区、弹性区和应力恢复区。采空区应力恢复和煤壁前方应力集中关系密切，是一个随着开采空间不断增加而动态平衡的过程。
[0066]
将极限平衡区支承压力载荷分为峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷；根据峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷，计算出极限平衡区荷增加量；
[0067]
s32、计算弹性区载荷增加量；
[0068]
s33、根据极限平衡区荷增加量与弹性区载荷增加量，计算出煤层开采前后采空区应力释放区载荷；
[0069]
s34、根据煤层开采前后采空区应力释放区载荷，获得采空区应力增长参数，从而确定采空区应力增长函数。
[0070]
请结合图3，在步骤s31中，所述峰后应力减小载荷表示为sb(图3中的区域b)，所述峰前应力增加载荷表示为sc(图3中的区域c)，则将极限平衡区载荷增加量表示为：
[0071][0072]
其中，k为支承压力应力集中系数，xb为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力。
[0073]
请结合图3，在步骤s32中，所述弹性区载荷增加量表示为：
[0074]
(图3中的区域d)。
[0075]
其中，k为支承压力应力集中系数，xb为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力，c为弹性区范围，l为弹性区侧与煤壁的距离。
[0076]
在步骤s33中，根据采空区应力释放与煤壁前方支承压力增量荷载的平衡原则，将极限平衡区载荷增加量与弹性区载荷增加量之和作为采空区应力增长量：
[0077]
sa＝s
c-b
+sd。
[0078]
请结合图3，在步骤s34中，将开采前后采空区应力释放区载荷表示为(即为区域a的面积)：
[0079][0080]
其中，σ0为原岩应力，lc为采空区应力恢复距离，σc为采空区应力增长函数；
[0081]
根据步骤s33中采空区应力增长量sa，计算出应力增长函数σc的值；
[0082]
将应力增长函数σc定义为幂函数并表示为：
[0083]
σc＝σ0(x/lc)n；
[0084]
其中，σ0为原岩应力，x为采空区侧与煤壁的距离，lc为采空区应力恢复距离，n为采空区应力增长参数，则要确定采空区应力增长函数σc，即需确定n即可。
[0085]
因此，根据应力增长函数σc的值，可计算出采空区应力增长参数n；
[0086]
将采空区应力增长参数n作为常量，以重新确定采空区应力增长函数方程，并且采动过程中的应力以该方程的形式进行恢复。
[0087]
因此，在使用flac3d5.0数值模拟软件进行全部垮落开采时，上述参数能够较为轻松的获得，代入上述公式中，即可求出n，因此可以得知采空区应力增长函数σc的关系式，依据该理论进行分析，即可求出不同开采步距下的应力恢复方程。
[0088]
此外，由于flac3d5.0软件命令流的逻辑原因，所以还需要利用上述函数公式计算出模型坐标原点处的竖向应力值。
[0089]
在步骤s4中，基于flac3d5.0采动模型，利用flac3d5.0内置的fish语言对采空区施加动态变化的竖向应力，包括如下步骤：
[0090]
s41、当顶板初次发生冒落时，根据步骤s3中所求不同开采步距下采空区上覆岩层应力恢复状况和模型坐标原点处的竖向应力值，将采空区底板处应力恢复视作与顶板相同；
[0091]
利用fish语言编写代码，用时间步(timestep)表示作用力的大小及作用范围，当本次开挖结束时，模型上作用的竖向应力与冒落的煤矸石对顶底板围岩的作用力一致。
[0092]
s42、在接下来的开采过程中，重复步骤s41中的步骤，始终保持模型上施加的竖向应力的大小和作用范围与时间步(timestep)相关；
[0093]
当工作面推进至一定距离时，部分煤矸石被压实，此时该部分煤矸石对顶底板围岩的作用力为恒定值，因此表现在模型相应位置处受均布荷载作用。
[0094]
实施例2
[0095]
采用实施例1的方法应用于某煤矿某工作面的具体实例，在本例中以上述实施例1的理论为基础，并对其做一定的简化，具体包括如下步骤：
[0096]
s1、结合该工作面基础地质概况，确定模型尺寸为600*400*500m，工作面总开挖长度为300m，开采步距为15m。煤层处原岩应力σ0约为7mpa。其中的岩石力学参数见如下表1：
[0097][0098]
表1为煤层顶底板岩层力学参数
[0099]
s2、请结合图4，收集矿区地质资料，包括地层岩性、厚度、岩石力学参数等。根据相应的地质情况，将其概化为flac3d5.0模型，选用合适的网格大小，并赋予其正确的本构关
系、边界条件、岩体参数等。
[0100]
s3、根据理论公式分析采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩的作用情况，并计算出模型坐标原点处的竖向应力大小，取开采完成为例，此时采空区长度为300m，原岩应力σ0＝7mpa，支承压力集中系数k＝2.61，极限平衡区宽度xb＝12m，弹性区范围c＝60m，采空区应力恢复距离lc＝105m。
[0101]
s4、将步骤s3中的各参数代入到实施例1各函数式中，以分别如下获得：
[0102]
s41、极限平衡区载荷增加量s
c-b
＝25.62mpa
·
m；
[0103]
s42、弹性区载荷增加量sd＝2160.12mpa
·
m；
[0104]
s43、煤层开采前后采空区应力释放区荷载sa＝s
c-b
+sd＝2185.74mpa
·
m；
[0105]
s44、根据sa的数值计算出应力增长函数σc的值；再根据应力增长函数σc的值，计算获得采空区应力增长参数n＝0.65；
[0106]
s45、将采空区应力增长参数n作为常量，以确定出采空区应力增长函数方程为：σc＝σ0(x/lc)
0.65
，即采动过程中应力以该方程的形式进行恢复。
[0107]
s5、基于步骤s1所建立的三维地质模型，对步骤s2中理论公式进行简化，把幂函数简化为以固定梯度线性变化的函数，直至应力恢复至原岩应力。
[0108]
工作面推进至45m时顶板发生冒落，此时即施加竖向应力，始终保持竖向应力最前端与工作面距离为30m，工作面推进至120m时，采空区开始出现压实区段。具体施加形式如下所示：
[0109]
利用软件内置的fish语言编写相关命令流，在模型上施加动态变化的竖向荷载，且竖向荷载的大小及作用范围与时间步(timestep)相关。以开采完成为例，具体步骤为：
[0110]
(1)将步骤s3中所求的模型坐标原点处的竖向应力值用时间步(timestep)表示(具体代码见实施例4中所附的详细代码)。
[0111]
(2)随着程序运行，竖向应力作用的范围逐渐增大，将竖向应力最前端的x坐标(即刚开始发生冒落的位置)用时间步(timestep)表达(具体代码见后附详细代码)。
[0112]
(3)工作面继续推进时，以此类推。当工作面推进至120m时，煤矸石开始出现压实现象，此时该部分所受的力大小恒定。
[0113]
(4)请结合图5，采用此方法施加的力能够较为简便的反映采空区冒落煤矸石应力恢复过程，力的大小即为步骤(1)中所求，力的作用范围即为步骤(2)中所求。
[0114]
(5)请结合图6，将fish语言嵌入flac3d模型中，竖向应力效果如图6所示；请结合图7，采用全部垮落法进行模拟开采，与之产生对比，效果如图7所示。
[0115]
实施例3
[0116]
本实施例提供一种应用于上述实施例1模拟方法的装置，所述装置包括：
[0117]
参数收集模块，其用于通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；
[0118]
模型构建模块，其用于基于已有参数建立三维地质模型；
[0119]
计算模块，其用于对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；
[0120]
载荷模拟模块，其用于对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；及
[0121]
开采模拟模块，其用于对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。
[0122]
本实施例具有实施例1的相同有益效果，通过计算得知采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩作用的动态变化情况，进而对模型施与之等效的竖向应力，用以模拟煤矸石对顶底板围岩的作用，操作简单，易于实际应用。
[0123]
实施例4
[0124]
本实施例以实施例2中的工作面推进至300m时为例进行的应力恢复模拟时，所采用的部分源代码，具体如下：
[0125]
[0126][0127]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、收集参数，通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；s2、构建模型，基于已有参数建立三维地质模型；s3、应力恢复计算，对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；s4、载荷模拟，对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；s5、模拟开采，对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。2.如权利要求1所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s3中，所述的应力恢复计算是对不同开采步距下采空区上覆岩层应力恢复状况进行，计算方法包括如下步骤：s31、将集中应力载荷采场支承压力分为极限平衡区和弹性区；将极限平衡区支承压力载荷分为峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷；根据峰后应力减小载荷和峰前应力增加载荷，计算出极限平衡区荷增加量；s32、计算弹性区载荷增加量；s33、根据极限平衡区荷增加量与弹性区载荷增加量，计算出煤层开采前后采空区应力释放区载荷；s34、根据煤层开采前后采空区应力释放区载荷，获得采空区应力增长参数，从而确定采空区应力增长函数。3.如权利要求2所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s31中，所述峰后应力减小载荷表示为s
b
，所述峰前应力增加载荷表示为s
c
，则将极限平衡区载荷增加量表示为：其中，k为支承压力应力集中系数，x
b
为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力。4.如权利要求3所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s32中，所述弹性区载荷增加量表示为：其中，k为支承压力应力集中系数，x
b
为极限平衡区宽度，σ0为原岩应力，c为弹性区范围，l为弹性区侧与煤壁的距离。5.如权利要求4所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s33中，根据采空区应力释放与煤壁前方支承压力增量荷载的平衡原则，将极限平衡区载荷增加量与弹性区载荷增加量之和作为采空区应力增长量：s
a
＝s
c-b
+s
d
。6.如权利要求5所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s34中，将开采前后采空区应力释放区载荷表示为：其中，σ0为原岩应力，l
c
为采空区应力恢复距离，σ
c
为采空区应力增长函数；
根据步骤s33中采空区应力增长量s
a
，计算出应力增长函数σ
c
的值；将应力增长函数σ
c
定义为幂函数并表示为：σ
c
＝σ0(x/l
c
)
n
；其中，σ0为原岩应力，x为采空区侧与煤壁的距离，l
c
为采空区应力恢复距离，n为采空区应力增长参数；根据应力增长函数σ
c
的值，计算出采空区应力增长参数n；将采空区应力增长参数n作为常量，以重新确定采空区应力增长函数方程，并且采动过程中的应力以该方程的形式进行恢复。7.如权利要求2所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，其特征在于，在步骤s4中，载荷模拟还包括如下步骤：s41、当顶板初次发生冒落时，根据步骤s3中应力恢复计算的结果，将采空区底板处应力恢复视作与顶板相同；利用时间步表示作用力的大小及作用范围；当本次开挖结束时，模型上作用的竖向应力与冒落的煤矸石对顶底板围岩的作用力一致。s42、在接下来的开采过程中，重复步骤s41中的步骤，始终保持模型上施加的竖向应力的大小和作用范围与时间步相关。8.一种应用于如权利要求1-7任一项所述的采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法的装置，其特征在于，所述装置包括：参数收集模块，其用于通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；模型构建模块，其用于基于已有参数建立三维地质模型；计算模块，其用于对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；载荷模拟模块，其用于对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；及开采模拟模块，其用于对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。

技术总结
本发明公开了一种采空区冒落矸石应力恢复的模拟方法，包括如下步骤：S1收集参数，通过收集矿区钻孔资料，获取岩石力学参数及各岩层厚度数据；S2构建模型，基于已有参数建立三维地质模型；S3应力恢复计算，对不同开采步距下的应力恢复状态进行计算；S4载荷模拟，对模型施加竖向荷载，以模拟采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩所施加的竖向应力；S5模拟开采，对模型进行模拟开采，观察应力恢复的动态过程。本发明通过计算得知采动过程中冒落的煤矸石对顶底板围岩作用的动态变化情况，进而对模型施与之等效的竖向应力，用以模拟煤矸石对顶底板围岩的作用，为采空区煤矸石冒落应力恢复的模拟提供了一种新的方法和思路。的模拟提供了一种新的方法和思路。的模拟提供了一种新的方法和思路。


技术研发人员：宁明诚 鲁海峰 薛冰
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/21