專利名稱：礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井?dāng)嗔褬?gòu)造突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，特別是一種礦井?dāng)嗔褬?gòu)造 延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法。
背景技術(shù)：
礦井突水是一種嚴(yán)重的井下災(zāi)害事故，它給礦產(chǎn)資源開采帶來巨大的危害，每年 造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與斷裂構(gòu)造有關(guān)的突水事故占我國(guó)總突水事故 的85%，且隨著礦井開采深度增加和下組煤的開采，在時(shí)間上具有滯后特征的斷裂帶延遲 突水事故愈來愈多。斷裂帶延遲突水是指當(dāng)采掘工作面觸及或接近某一斷裂帶時(shí)未發(fā)現(xiàn) 任何突水跡象，但當(dāng)工作面穿過該斷裂帶后一段時(shí)間，在工作面后方或后續(xù)采掘工程沿?cái)?裂帶發(fā)生了滯后突水，相應(yīng)于采掘工程遇斷裂起始時(shí)間具有一段延遲期，這類突水在時(shí)間 上往往難以預(yù)測(cè)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅很大，峰峰梧桐莊礦舊風(fēng)井的突水淹井事故即為其 中典型示例。因此，斷裂構(gòu)造延遲突水形成機(jī)理和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)方法研究對(duì)保障礦井安全 生產(chǎn)意義重大?，F(xiàn)有技術(shù)的國(guó)內(nèi)、外有關(guān)礦井突水機(jī)理研究多集中在以下幾個(gè)方面(1)將水壓 作為外部荷載，考慮隔水層阻水效應(yīng)的經(jīng)典公式法——斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法等； (2)通過隔水底板在采動(dòng)、礦壓及水壓共同作用下的變形和破壞特征來研究突水機(jī)理的力 學(xué)模型——“下三帶”理論、原位張裂和零位破壞理論；(3)以系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，多源信息 復(fù)合的泛決策分析理論。前兩種方法主要基于經(jīng)典的力學(xué)理論所進(jìn)行的突水機(jī)理研究，但 其在突水過程分析及突水時(shí)間確定方面存在很大的局限性；后一種方法則是基于對(duì)各類突 水危險(xiǎn)性影響因素的綜合分析評(píng)價(jià)而確定的一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撤N意義上甚至不能稱之為 機(jī)理研究；(4)以往斷裂構(gòu)造突水的認(rèn)識(shí)是把斷裂構(gòu)造劃分為導(dǎo)水或隔水?dāng)嗔褍纱箢悾?如采掘工作面觸及或接近導(dǎo)水?dāng)嗔褞r(shí)，就會(huì)發(fā)生突水或淹井事故；如采掘工作面觸及或 接近隔水?dāng)嗔褞r(shí)，則不會(huì)發(fā)生任何突水事故，采掘工作面可正常向前采掘。雖然近幾年包括申請(qǐng)人在內(nèi)的國(guó)內(nèi)、外學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到斷裂構(gòu)造的延遲突水現(xiàn) 象，也發(fā)現(xiàn)流-固耦合對(duì)斷裂帶突水過程模擬的重要作用，但在應(yīng)用該理論時(shí)僅限于將斷 裂帶物質(zhì)假設(shè)為彈塑性材料情況下的彈塑性應(yīng)變_滲流耦合模擬和將斷裂帶物質(zhì)假設(shè)為 流變材料情況下的流變_滲流耦合模擬，而對(duì)于考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變 化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與孕育過程分析、斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間 發(fā)生變化、變參數(shù)的流變_滲流耦合模擬評(píng)價(jià)以及對(duì)延遲突水時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究在 國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲 突水發(fā)生機(jī)理與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析 方法。
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本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，提出一 種變參數(shù)條件下流變_滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法。由于斷裂構(gòu)造的錯(cuò)動(dòng)，破壞了煤系地層和其充水含水層的完整性，在地層中形成 了薄弱結(jié)構(gòu)面，隨著礦井開采深度增加和下組煤的開采，高地應(yīng)力、高水壓、高水溫的惡劣 地質(zhì)環(huán)境逐漸顯現(xiàn)，這些薄弱結(jié)構(gòu)面在礦壓和水壓聯(lián)合共同作用下，防隔水能力逐漸下降， 導(dǎo)致了延遲突水的發(fā)生。針對(duì)這些特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，包括1、提出考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與 孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法。2、根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，提出一種變參數(shù)條件下流變_滲 流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法。所述的考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理 與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法，是根據(jù) 水-巖相互作用理論，分析在采掘工程擾動(dòng)下，斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作 用、互為影響的循環(huán)過程和其水力性質(zhì)轉(zhuǎn)化的成因機(jī)理。即如煤層底板原巖地應(yīng)力場(chǎng)在煤 層采掘工程活動(dòng)擾動(dòng)下發(fā)生重分布，應(yīng)力重分布必然會(huì)誘發(fā)煤層底板的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生重分 布，應(yīng)變的變化隨之導(dǎo)致煤層底板巖層的滲透性和空隙率發(fā)生變化，巖層的這些水文地質(zhì) 參數(shù)變化導(dǎo)致地下水滲流場(chǎng)分布發(fā)生變化，地下水流場(chǎng)變化最后又致使煤層底板巖層的應(yīng) 力場(chǎng)改變，這樣反復(fù)影響循環(huán)，導(dǎo)致煤層底板巖層的斷裂帶物質(zhì)防隔水能力大幅下降，沿?cái)?裂帶發(fā)育的地下水導(dǎo)升高度逐漸上移，當(dāng)與煤層采動(dòng)的礦壓破壞帶相聯(lián)通時(shí)，最終導(dǎo)致了 延遲滯后突水的發(fā)生。所述的變參數(shù)條件下的流變_滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法，是根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與 水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，將斷裂帶物質(zhì)視為流變材料，以變參數(shù)條件下巖體流變模型為基 礎(chǔ)，建立的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型。本發(fā)明的有益效果在于在考慮變參數(shù)情況下流-固雙場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上，針 對(duì)易發(fā)生該類突水的斷裂帶物質(zhì)特征，提出了水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理 與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法、變參數(shù)條 件下流變_滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)模型。基于上述模擬評(píng)價(jià)模型進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，結(jié)果表 明變參數(shù)流變_滲流耦合對(duì)延遲突水過程的模擬及對(duì)滲流參數(shù)變化機(jī)理的解釋完全符合 工程實(shí)際。
具體實(shí)施例方式礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，包括1、提出考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與 孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法。2、根掘巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，提出一種變參數(shù)條件下流變-滲 流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法。所述的考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理 與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法，是根據(jù)水-巖相互作用理論，分析在采掘工程擾動(dòng)下，斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作 用、互為影響的循環(huán)過程和其水力性質(zhì)轉(zhuǎn)化的成因機(jī)理。所述的斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作用、互為影響的循環(huán)過程和其水 力性質(zhì)轉(zhuǎn)化的成因機(jī)理，即如煤層底板原巖地應(yīng)力場(chǎng)在煤層采掘工程活動(dòng)擾動(dòng)下發(fā)生重分 布，應(yīng)力重分布必然會(huì)誘發(fā)煤層底板的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生重分布，應(yīng)變的變化隨之導(dǎo)致煤層底板 巖層的滲透性和空隙率發(fā)生變化，巖層的這些水文地質(zhì)參數(shù)變化導(dǎo)致地下水滲流場(chǎng)分布發(fā) 生變化，地下水流場(chǎng)變化最后又致使煤層底板巖層的應(yīng)力場(chǎng)改變，這樣反復(fù)影響循環(huán)，導(dǎo)致 煤層底板巖層的斷裂帶物質(zhì)防隔水能力大幅下降，沿?cái)嗔褞Оl(fā)育的地下水導(dǎo)升高度逐漸上 移，當(dāng)與煤層采動(dòng)的礦壓破壞帶相聯(lián)通時(shí)，最終導(dǎo)致了延遲滯后突水的發(fā)生。所述的變參數(shù)條件下的流變_滲流耦合模擬評(píng)價(jià)方法，是根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水 力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，將斷裂帶物質(zhì)視為流變材料，以變參數(shù)條件下巖體流變模型為基礎(chǔ)， 建立的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型。所述的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型可表示為
σ}=
[δ]{ }+{Ρ} K {β, P) =^ expl-aja - P)]
β
η(σ, P) = π exp[— α2(σ - P)] ^5Cff1P) = ρβ(βη(σ, Ρ)十 α[1-η(σ, Ρ) } 式中ai、a2是待定系數(shù)；μ是流體動(dòng)力粘滯系數(shù)；g是重力加速度；kQ、n。分別是巖 體在初始應(yīng)力時(shí)的滲透率和孔隙(裂隙)率；1((0，《、11(0，《、&(0，《分別是巖體在有 效應(yīng)力作用下的滲透系數(shù)、孔隙率和貯水率；{P}為流體滲透壓力列陣P= (H-Z) γ ;{U}為 巖體的位移列陣；[B]為巖體的幾何矩陣；[Κ(σ，P)]為考慮應(yīng)力作用的滲透矩陣；[Ss(o， P)]為考慮應(yīng)力作用的貯水矩陣。
權(quán)利要求
礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，其特征在于該模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法包括(1)提出考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法。(2)根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，提出一種變參數(shù)條件下流變-滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法。所述的考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法，是根據(jù)水-巖相互作用理論，分析在采掘工程擾動(dòng)下，斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作用、互為影響的循環(huán)過程和其水力性質(zhì)轉(zhuǎn)化的成因機(jī)理。所述的變參數(shù)條件下的流變-滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法，是根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，將斷裂帶物質(zhì)視為流變材料，以變參數(shù)條件下巖體流變模型為基礎(chǔ)，建立的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，其特征在于所 述的斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作用、互為影響的循環(huán)過程和其水力性質(zhì)轉(zhuǎn)化 的成因機(jī)理，即如煤層底板原巖地應(yīng)力場(chǎng)在煤層采掘工程活動(dòng)擾動(dòng)下發(fā)生重分布，應(yīng)力重 分布必然會(huì)誘發(fā)煤層底板的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生重分布，應(yīng)變的變化隨之導(dǎo)致煤層底板巖層的滲透 性和空隙率發(fā)生變化，巖層的這些水文地質(zhì)參數(shù)變化導(dǎo)致地下水滲流場(chǎng)分布發(fā)生變化，地 下水流場(chǎng)變化最后又致使煤層底板巖層的應(yīng)力場(chǎng)改變，這樣反復(fù)影響循環(huán)，導(dǎo)致煤層底板 巖層的斷裂帶物質(zhì)防隔水能力大幅下降，沿?cái)嗔褞Оl(fā)育的地下水導(dǎo)升高度逐漸上移，當(dāng)與 煤層采動(dòng)的礦壓破壞帶相聯(lián)通時(shí)，最終導(dǎo)致了延遲滯后突水的發(fā)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，其特征在于所 述的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型可表示為' Κ(σ,Ρ}}{Η]十奶=這(σ. P)] (f}十[幻{f] {σ} = [D][si{y] + {P}L'Κ(σ, P) =￡^βχρ[-β1(σ-Ρ)]π(σ.,·Ρ) = Ji0 [一 α2(σ— P)]P) = Ρ8{βη(σ, P) + α|1 - n(cr. P}]}式中ai、a2是待定系數(shù)；μ是流體動(dòng)力粘滯系數(shù)；g是重力加速度；h、n0分別是巖體 在初始應(yīng)力時(shí)的滲透率和孔隙(裂隙)率；Κ( ο，P)、η( σ，P)、Ss( ο，P)分別是巖體在有 效應(yīng)力作用下的滲透系數(shù)、孔隙率和貯水率；{P}為流體滲透壓力列陣P= (H-Z) Y ;{U}為 巖體的位移列陣；[B]為巖體的幾何矩陣；[Κ(σ，P)]為考慮應(yīng)力作用的滲透矩陣；[Ss(o， P)]為考慮應(yīng)力作用的貯水矩陣。
全文摘要
礦井?dāng)嗔褬?gòu)造延遲突水模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法包括(1)提出考慮應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)變化條件下延遲突水發(fā)生機(jī)理與孕育過程和斷裂構(gòu)造水力性質(zhì)因采掘工程作用而隨時(shí)間發(fā)生變化的分析方法。根據(jù)水-巖相互作用理論，分析在采掘工程擾動(dòng)下，斷裂帶物質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性能相互作用、互為影響的循環(huán)過程和其水力性質(zhì)轉(zhuǎn)化的成因機(jī)理。(2)根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，提出一種變參數(shù)條件下流變-滲流耦合的模擬評(píng)價(jià)方法。所述的變參數(shù)條件下的流變-滲流耦合模擬評(píng)價(jià)方法，是根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)的耦合規(guī)律，將斷裂帶物質(zhì)視為流變材料，以變參數(shù)條件下巖體流變模型為基礎(chǔ)，建立的變參數(shù)流變應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型。
文檔編號(hào)E21F17/00GK101881182SQ20101022599
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者朱斌, 武強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)