[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

说明书

技术领域

本发明涉及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，属于对地下岩土工程领域的裂隙岩体的试验研究及地表裂隙漏风特征的判定方法研究。

背景技术

我国煤炭开采战略西移，西部矿区多为浅埋藏煤层，浅埋藏煤层开采地表漏风严重，易引发采空区煤炭自燃。煤炭自燃不仅会影响矿井的正常生产，还可能引发重特大的火灾或瓦斯爆炸事故。由于西部煤层埋藏浅，在采动应力的作用下形成了大量贯通地表的裂隙，这些裂隙构成了煤自燃漏风供氧的主要通道。在利用黄泥(粉煤灰)浆、砂浆、三相泡沫等防灭火材料对采空区自燃危险区域及漏风点进行防灭火及降温封堵时，因传统的技术手段很难检测到裂隙的分布位置，导致防灭火材料不能及时有效地输送到漏风点附近完成对漏风通道的封堵。所以，研究浅埋藏煤层开采裂隙的分布和漏风特征对封堵漏风通道，防治煤炭自燃有着重要意义。

目前，判定浅埋藏煤层地表裂隙分布和漏风特征的方法主要有示踪气体法和数值模拟法。示踪气体法是在漏风源释放SF₆示踪气体，在漏风汇处采集气样，通过对气样浓度的分析来定性判定漏风通道。由于受现场环境和测量方法的限制，只能通过对一些点的监测来反映整个采空区的裂隙分布和漏风特征，且判定结果易受释放量等因素的影响。在对浅埋煤层裂隙漏风进行数值模拟时，一般使用等效连续介质模型，将裂隙及周围岩体等效为具有一定渗透张量的连续介质，利用多孔介质理论进行求解。但它忽略了浅埋煤层贯通地表的纵向裂隙对漏风的影响，在处理这种大规模裂隙时模拟结果与实际情况往往存在较大偏差。

发明内容

发明目的：针对现有数值模拟方法的不足，本发明通过将相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法，将裂隙的发育状况引入数值模型中，克服了岩体内裂隙检测困难、数值模型过度简化等问题；同时，对模型的修正可以有效的提高模型的精度和可靠性，为浅埋藏矿区开采后地表贯通裂隙分布和漏风特征判定提供一种有益的参考。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

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，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。

具体的，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，以采集检测数据；比如设计同一个水平检测平面内的电阻应变片呈矩形阵列的网格状分布，一般设计同一横向或纵向直线上相邻两电阻应变片之间的水平距离为30cm。

具体的，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。