[发明专利]浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法

权利要求书

1.一种浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定模型与原岩的比例，根据矿区煤层埋藏的岩层岩性、厚度和物理力学参数，计算模型中模拟各层岩层时不同材料的配比及用量；

(2)根据得到的材料的配比及用量，按照原岩的岩层层位关系及倾角按顺序铺设实验岩层形成模型并静置，在相邻岩层中布置电阻应变片；

(3)当模型强度与原岩强度差在阈值范围内时，模拟现场实际对原型的开采条件，准备对模型中的煤层进行开挖；

(4)根据对原型进行实际开挖时的推进速度和每次开挖的长度，设置对模型进行开挖的推进速度和每次开挖的长度，并且每次开挖结束后，放置40～80min再继续开挖；

(5)在对模型开挖的进行过程中，记录电阻应变片的检测数据，当各个电阻应变片的数据均不再变动或变动幅度均在阈值范围内时，模型达到应力平衡，使用相机拍摄模型应力平衡后裂隙发育的照片；

(6)将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形；

(7)将矢量图形导入COMSOL数值模拟软件并设为初始几何模型，调整几何模型大小，设定几何模型材料属性、边界条件；

(8)对设定好的几何模型进行网格剖分后求解计算，获得裂隙漏风风速和压力分布；

(9)将获得的裂隙漏风风速及压力分布与针对原型进行现场实测的各点的漏风数据进行对比分析，通过不断地调整几何模型的设计参数，从而获得与现场实测相吻合的裂隙漏风风速和压力分布规律，为封堵漏风通道提供参考。

2.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，电阻应变片布置在相邻两个岩层之间，在同一个水平检测平面内的电阻应变片呈网状布置，相邻两电阻应变片之间的水平距离为30cm，以采集检测数据。

3.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，判断模型强度与原岩强度差是否在阈值范围内，具体方法为：在铺设模型前，通过力学性能实验确定模拟材料达到与原岩力学性能差在阈值范围内时的含水量w₀；在模型铺设完成并静置一段时间后，测量模型材料的含水量w，当w＝w₀时，即可认为模型强度与原岩强度差在阈值范围内。

4.根据权利要求3所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，确定材料含水量的方法是称重法，具体为：取一定量的材料作为试样，使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m，在105℃的烘箱内将试样烘烤至恒重，再次使用0.1g精度的天平称取试样的重量，记作试样的湿重m_s，计算含水量w＝m_s/m。

5.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，将拍摄所得的裂隙发育照片处理为矢量图形的方法为：利用计算机图形处理技术，通过包括图像滤波、锐化增强、图像分割、噪音过滤和检测细化在内的处理后，生成矢量化的裂隙数据，将矢量化的裂隙数据作为矢量图形。

6.根据权利要求1所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，材料属性包括流体密度ρ、流体动力粘度μ、裂隙周围煤岩体渗透率k和煤岩体孔隙率ε；边界条件的设定具体为：上部裂隙入口压力p₀设为大气压力，下部裂隙出口压力设为采空区侧压力，左右边界设为无流动边界。

7.根据权利要求6所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，裂隙周围煤岩体渗透率k和孔隙率ε的求解方法为：在模型平面上取上下相邻的四个位移监测点构成一个四边形ABCD，煤层开采，当上覆岩层发生塌陷后，四边形ABCD的面积由S变为S'：

计算煤岩体碎胀系数为：K_p＝S'/S；

根据煤岩体碎胀系数计算孔隙率为：

煤岩体渗透率k和孔隙率ε满足：

其中，d为破碎煤岩体粒径，C为系数。

8.根据权利要求7所述的浅埋藏煤层开采地表贯通裂隙分布和漏风特征判定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，几何模型按照如下方式进行描述：

1)裂隙区域内部不存在多孔介质，不属于渗流，采用Navier-Stokes方程描述：

ρ∂u∂t-Δμ(Δμ+(Δμ)T)+ρμ·▿u+▿p=F]]>

其中，ρ表示流体密度，u表示流体速度，μ表示流体动力粘度，p表示单位流体压力差，F单位流体体积力；

2)裂隙区域周围煤岩体处理为多孔介质，属于渗流，采用Darcy定律描述：

q=-kμ(▿p+ρg▿Z)]]>

其中，μ表示流体动力粘度，k为煤岩体的渗透率，q流体流量，p为单位流体压力差，Z为高度改变量。