一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法

摘要

本发明公开了一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，包括以下步骤：(1)改造压力机使其与X射线机配套使用并能输出多种类型载荷；(2)动态实时获取在不同工程扰动环境影响下裂隙岩体内部裂隙的演化过程的DR扫描图像；(3)二值化处理DR扫描图像；(4)给出采样区域的垂直地应力与水平主应力的数值；(5)构建应力‑裂隙‑渗流作用下煤岩强度耦合特征计算模型，并将裂隙数据以及采样区域的垂直地应力、水平主应力融入计算模型，完成耦合模型的构建。本发明的有益之处在于：在考虑工程扰动影响的情况下，能够准确、实时、动态分析多场耦合作用(应力场‑裂隙场‑渗流场)下煤岩体强度劣化耦合特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分析煤岩强度劣化耦合特征的方法，具体涉及一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，属于矿业工程技术领域。

背景技术

天然岩体中存在大量原生裂隙、孔隙，这些结构缺陷在地应力的作用下成为应力集中-释放区域，不仅大幅降低工程岩体的稳定性，也严重影响岩体的渗透特性。裂隙煤岩的渗流场受区域地应力环境的影响很大，而渗流场的改变反过来又对地应力场产生作用。因此，“应力-渗流”耦合作用是裂隙煤岩力学中一个重要的特征。

已有研究表明：在力学领域，水-岩体相互作用为“流固耦合作用”，研究水-岩体相互作用的多场耦合理论模型与数值模拟方法等为主要研究内容之一，主要代表性学者有Oda、唐春安、仵彦卿、王媛等；在地球科学领域，水-岩体相互作用主要涉及水对岩体物理力学性质、破裂特性等方面的研究，代表性学者有冯夏庭、黄润秋、唐辉明、汤连生等。

现有的研究成果主要集中在岩体水力学的流固耦合模型和水-岩体相互作用的力学性能及水物理化学作用对力学性质的影响。而针对我国西北生态脆弱区特定地质条件与生态地质环境下区域生态-水-岩体空间赋存结构特征、水-岩体相互作用下区域地应力特征-结构-渗透性变化规律及采矿诱发的动态响应机制，则研究成果还相对较少，有待进一步深入研究。

此外，针对裂隙煤岩中裂隙场的动态获取技术的研究较少，现有技术较少实现实时采集裂隙场数据，且现有裂隙煤岩的强度劣化特证研究多无法将应力场、裂隙场、渗流场完全耦合分析，多是裂隙场演化条件下分析裂隙煤岩渗流规律，而忽略应力场与其它物理-力学场间的互相作用。

现有的研究主要聚焦基础理论研究，并未涉及裂隙煤岩强度劣化对环境，尤其是西部生态脆弱区煤炭高强度开采下水资源保护等问题。

乌鲁木齐矿区赋存着大量的急倾斜特厚煤层，工作面上采动覆层中多存在由季节性水源(如冬季积雪融化)所形成的承压水体。“裂隙-渗流”耦合作用下煤岩体结构性畸变致诱岩体强度劣化，导致采动覆层中形成宏观裂隙网络，为承压水体向工作面运移提供流动通道，特别是承压水体渗流过程中常携带大量泥土、沙石，造成工作面突水溃沙现象时有发生。此外，岩体在经过较长时间水体浸泡后，其力学性能急剧劣化，采动覆层出现大尺度突发性断裂，大体积冒落和大面积片帮频发并诱发冲击地压，更甚出现井下泥石流等动力灾害，对工作面安全生产带来巨大隐患。

乌鲁木齐矿区地质力学环境极其复杂，矿区内急倾斜煤层的地层赋存环境在世界范围内都极具特殊性，区域地质力学特征以强挤压应力为主，“应力-裂隙”耦合作用的存在进一步增加煤岩体的强度劣化程度。此外，采用连续介质的方法求解煤岩体渗流相关问题时，裂隙宽度的微小改变将引起裂隙渗流量的巨大变化，而裂隙隙宽受裂隙面上的应力控制，所以通过裂隙面的渗流量与应力环境紧密相关。另一方面，渗流水压也可以影响裂隙面上的有效应力。

综上分析可知，为准确分析岩体裂隙中的渗流问题，在进行岩体渗流研究时应考虑岩体结构、应力与渗流相互耦合(多场耦合条件)作用下煤岩体强度劣化时空演化机理，揭示多场耦合作用下裂隙煤岩强度劣化机理具有重要的现实意义。

现有的矿山岩石力学大多建立在标准化岩石全应力-应变力学实验基础上，从准静态的研究视角出发，获得的煤岩体基本力学性质及宏观强度参量，受限于实验条件，考虑工程扰动应力环境影响的煤岩体强度劣化演化研究较少。

然而，忽略工程扰动应力环境的影响所得出相应结论将失去科学性、针对性，甚至没有意义。

因此，揭示基于工程扰动下煤岩体强度耦合演化机理及采动覆岩的稳定性协同判据是研究西部生态脆弱区保护性煤炭开采理论的基础之一，具有重大的经济、社会和环境效益。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在考虑工程扰动影响的情况下、能够准确、实时、动态分析多场耦合作用(应力场-裂隙场-渗流场)下煤岩体强度劣化耦合特征的方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：改造现有压力机，使其能与X射线机配套使用并且能输出多种类型的载荷；

Step2：现场采集煤岩体试样，加工后进行岩石力学实验，动态实时获取在不同工程扰动环境影响下裂隙岩体内部裂隙的演化过程的DR扫描图像；

Step3：对MATLAB软件进行二次开发，使其能二值化处理DR扫描图像，利用MATLAB软件二值化处理DR扫描图像，在处理图像的过程中，DR扫描图像的透光区定义为1，非透光区定义为0，结果矢量化处理后得到裂隙数据；

Step4：开展地应力反演计算，推导区域地应力反演计算的解析表达式，得出区域地应力变化规律，给出采样区域的垂直地应力与水平主应力的数值；

Step5：用COMSOL Multiphysics渗流计算软件构建应力-裂隙-渗流作用下煤岩强度耦合特征计算模型，并将裂隙数据以及采样区域的垂直地应力、水平主应力融入计算模型，完成耦合模型的构建。

前述的方法，其特征在于，在Step1中，前述多种类型的载荷包括：静载荷、静载荷+不同冲击速率的冲击载荷、静载荷+正弦波动载荷、静载荷+地震波载荷、静载荷+正弦波动载荷+地震波载荷、静载荷+恒定冲击速率的冲击载荷+地震波载荷和静载荷+正弦波动载荷+不同冲击速率的冲击载荷。

前述的方法，其特征在于，在Step2中，按国际岩石力学学会的岩石测试标准，将煤岩体试样加工成边长为60mm的立方体。

前述的方法，其特征在于，在Step4中，区域地应力反演计算的解析表达式为：

式中，A为过度矩阵；σ⁰为应力矩阵；为刚度的转置矩阵；B_x为x方向的应变矩阵；B_y为y方向的应变矩阵；B_xy为xy平面内的应变矩阵；E为岩体的弹性模量，为常数。

前述的方法，其特征在于，在Step5中，COMSOL Multiphysics渗流计算软件所构建的应力-裂隙-渗流作用下煤岩强度耦合特征计算模型为：

式中，ρ_s为煤岩体的密度；ρ为水体的密度；ε为煤岩体应变系数；t为时间；v为水的粘性系数；v_s为煤岩体的粘性系数；μ为泊松比；k为煤岩体的初始渗透率。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明的分析方法考虑了工程扰动的影响，实现了对西部生态脆弱区煤炭开采中工程扰动环境的仿真模拟，能够准确、实时、动态分析多场耦合作用(应力场-裂隙场-渗流场)下煤岩体强度劣化特征，准确获取裂隙煤岩中裂隙场数据，重点考虑了应力场与其它物理-力学场间的互相作用，本发明的分析方法为西部生态脆弱区煤炭高强度开采下水资源保护等问题的研究提供了基础。

(2)本发明的分析方法基于数值计算程序，考虑了采用岩体渗流的Brinkman方程，该方程可充分考虑水体流速足够快并在煤岩体内部出现层流现象、裂隙与水体间出现滑移以至无法忽略剪切能量耗散的条件，岩体渗流的Brinkman方程适合描述煤岩体中水体快速流动，通过输入粘性、剪切参数描述裂隙的动能耗散，并给出了应力-裂隙-渗流耦合作用下煤岩平均孔隙度(φ_ave)和渗透率(k_ave)计算式，简化了煤岩平均孔隙度和渗透率量化过程；

(3)本发明的分析方法充分考虑了区域地应力的变化规律，并将该规律纳入计算模型之中，现场布置监测点仅收集围岩位移数据，便可反演煤岩体区域地应力数值，本发明的分析方法可方便现场人员快速推算地应力的变化规律，为动力灾害动态防控提供支持。

附图说明

图1是试样A在试验前的外部情况图；

图2(a)是试样A在3.48MPa载荷下的DR扫描图像；

图2(b)是与图2(a)对应的二值化处理结果图；

图3(a)是试样A在4.27MPa载荷下的DR扫描图像；

图3(b)是与图3(a)对应的二值化处理结果图；

图4(a)是试样A在9.68MPa载荷下的DR扫描图像；

图4(b)是与图4(a)对应的二值化处理结果图；

图5是试样B在试验前的外部情况图；

图6(a)是试样B在10.70MPa载荷下的DR扫描图像；

图6(b)是与图6(a)对应的二值化处理结果图；

图7(a)是试样B在14.65MPa载荷下的DR扫描图像；

图7(b)是与图7(a)对应的二值化处理结果图；

图8(a)是试样B在20.12MPa载荷下的DR扫描图像；

图8(b)是与图8(a)对应的二值化处理结果图。

具体实施方式

本发明的分析方法将西部生态脆弱区煤炭高强度开采作为基本前提，在分析过程中重点考虑了如何实现工程扰动环境的仿真模拟，实现了在工程扰动环境作用下的裂隙强度劣化耦合特征的分析，为西部煤炭开发提供了实践性指导。

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，其包括以下步骤：

Step1：改造现有压力机

改造现有压力机，使其能与X射线机配套使用，并且能输出多种类型的载荷，多种类型的载荷包括：

(1)静载荷；

(2)静载荷+不同冲击速率的冲击载荷；

(3)静载荷+正弦波动载荷；

(4)静载荷+地震波载荷；

(5)静载荷+正弦波动载荷+地震波载荷；

(6)静载荷+恒定冲击速率的冲击载荷+地震波载荷和静载荷+正弦波动载荷+不同冲击速率的冲击载荷。

对现有压力机进行改造的方法如下：增加一个数控油压加载模块，通过预编代码实现载荷形式的改变，并且把现有压力机的放置试样区域尽量做大，使得X射线可顺利完全进入试样，避免干扰。

Step2：进行岩石力学实验

在乌鲁木齐乌东煤矿现场采集煤岩体试样，并按国际岩石力学学会的岩石测试标准加工成边长为60mm的立方体，然后进行岩石力学实验，动态实时获取在不同工程扰动环境影响下裂隙岩体内部裂隙的演化过程的DR扫描图像。

图1是试样A在试验前的外部情况图，图2(a)、图3(a)和图4(a)分别是试样A在3.48MPa载荷、4.27MPa载荷、9.68MPa载荷下的DR扫描图像。

图5是试样B在试验前的外部情况图，图6(a)、图7(a)和图8(a)分别是试样B在10.70MPa载荷、14.65MPa载荷、20.12MPa载荷下的DR扫描图像。

Step3：二值化处理DR扫描图像

首先，对MATLAB软件进行二次开发，使其能二值化处理DR扫描图像。

然后，利用MATLAB软件二值化处理DR扫描图像，在处理图像的过程中，DR扫描图像的透光区定义为1，非透光区定义为0。

图2(b)、图3(b)和图4(b)分别对应图2(a)、图3(a)和图4(a)，是对相应DR扫描图像进行二值化处理后所得到的结果图。

图6(b)、图7(b)和图8(b)分别对应图6(a)、图7(a)和图8(a)，是对相应DR扫描图像进行二值化处理后所得到的结果图。

最后，对结果进行矢量化处理，得到裂隙数据。

Step4：计算垂直地应力与水平主应力

开展地应力反演计算，推导区域地应力反演计算的解析表达式，得出区域地应力变化规律，给出采样区域的垂直地应力与水平主应力的数值。具体如下：

前期研究成果表明：在急倾斜煤层中开挖巷道相当于在煤岩体开挖边界上作用等效结点力。其中，等效结点力与地应力之间满足一定的体积积分函数关系，该体积积分函数为：

式中，为作用在煤岩体开挖边界上的等效结点力；σ为待求的区域地应力；为煤岩体开挖后整个开挖边界所产生的应变矩阵，取决于开挖煤岩体的几何尺寸，为道开挖边界应变的转置矩阵；dV为积分单元。

在反演计算过程中，南巷被简化成二维平面问题，即σ＝{σ_x,σ_y,τ_xy}^T，地应力中的σ_z方向平行于巷道走向方向，不列入计算范畴。因而，在二维平面问题中，式(1)可简化为：

式中，为的分列函数；σ_x为垂直地应力；σ_y为最小水平主应力；τ_xy为切应力。

此外，在巷道开挖区域内，等效结点力与结点位移量u的量化关系为：

式中，K为整个煤岩体开挖区域的刚度矩阵。

在煤岩体开挖边界上煤岩体上承受的力P与等效结点力相等，而开挖煤岩体内部其它结点上外力均为零。联立式(2)与式(3)得：

Ku＝σ_xB¹+σ_yB²+τ_xyB³(4)

式中，Bⁱ(i＝1,2,3)为巷道开挖边界的应变矩阵的分量。

假设巷道位移量测量点与有限元网格结点相重合，结点位移量u可分为已知的测量点位移量u¹与未测量的位移量u²，如式(5)所示：

u＝{u¹,u²}^T(5)

联立式(4)和式(5)，并消去u²，则可得：

式中，A为过度矩阵；σ⁰为应力矩阵；为刚度的转置矩阵；B_x为x方向的应变矩阵；B_y为y方向的应变矩阵；B_xy为xy平面内的应变矩阵；E为岩体的弹性模量，为常数。

式(6)中含有三个未知待求量：σ_x/E，σ_y/E与τ_xy/E。

现场布置煤岩体移动量及断面收敛量的量测点。于南巷150m、200m及250m处各布置1组围岩移动传感器，共计3组。各断面内按顺时针方向埋设6个GYW-300型围岩移动传感器。巷道开挖后立即开始各量测点位移值及收敛值量测。

现场量测数值代入式(6)可直接求出相应的开挖煤岩体边界上地应力数值，计算结果如表1所示。

表1区域地应力反演计算结果

由此我们得出乌东煤矿+500水平45#煤层综采工作面南巷地应力反演计算结果为：垂直地应力7.057MPa，最小水平主应力8.085MPa，切应力0.057MPa，即{7.057MPa，8.085MPa，0.057MPa}^T。

分析地应力预测结果离散性，分析结果表明：初始地应力预测结果具有较好的一致性。

对比初始地应力的实测结果，对比发现：煤岩体的实际地应力数值与预测结果相近。

Step5：构建耦合模型

用COMSOL Multiphysics渗流计算软件构建应力-裂隙-渗流作用下煤岩强度耦合特征计算模型：

式中，ρ_s为煤岩体的密度；ρ为水体的密度；ε为煤岩体应变系数；t为时间；v为水的粘性系数；v_s为煤岩体的粘性系数；μ为泊松比；k为煤岩体的初始渗透率。

然后将Step3得到的裂隙数据以及Step4得到的采样区域的垂直地应力、水平主应力融入计算模型，完成耦合模型的构建。

计算结果表明：

(1)煤岩体的渗透率及孔隙率均随着注水压力及外部载荷的改变而变化显著；

(2)模型的主裂隙通道内水体流速最大，且随着注水压力的增大而不断地增加；

(3)较大的流速一般发生在具有较大压力梯度的细小裂隙处，在出水位置同样具有较高流速；

(4)模型裂隙通道对水体压力分布起到了决定性作用；

(5)模型出口流速分量的最大值均位于模型两侧，并随着外部荷载的增加而增大。

流速最大区域迁移特征量化描述可作为判定急倾斜煤岩体次生裂隙场演化机制的重要方法。

采空区顶板耦合弱化方案实施后工作面平均月推进量172.5m，较以往增幅约84％，平均单月产量增幅131.2％；工作面的平均回采率提升至48.82％，最大单日回采率83.59％；调整采用顶板耦合弱化方案后，方案百米实施成本仅为16163.828元，仅为原有方案成本的58.96％。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。