[发明专利]基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法

权利要求书

1.基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，其特征在于：

包括如下步骤：

(1)收集待评估的工作面的相关地质信息；

(2)根据所述地质信息建立数值计算模型；

(3)根据开挖步距和顶板下沉量确定工作面初次来压步距和周期来压步距；

(4)根据计算过程中单元体塑性应变的变化确定工作面上方垮落带和裂隙带的范围，并将垮落带单元体定位为空模型；

(5)根据垮落带单元体的碎胀系数判断采空区是否已被完全充填；

(6)将垮落带的单元模型由空模型改为双屈服模型，同时弱化裂隙带范围内岩体的材料属性；

(7)重复执行上述过程，直至工作面开采结束。

2.根据权利要求1所述的基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，其特征在于：

步骤(1)中，相关地质信息包括：岩层的岩性、煤岩体的物理力学属性、工作面埋深、工作面长度以及原岩应力场；

煤岩体的物理力学属性包括煤岩体厚度、弹性模量、泊松比、密度、内摩擦角、内聚力和单轴抗拉强度。

3.根据权利要求1所述的基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，其特征在于：

步骤(2)中，建立数值计算模型的方法如下：

建立模型网格，模块参数设置，边界条件与初始条件设置，模型初始平衡。

4.根据权利要求1所述的基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，其特征在于：

步骤(3)中，确定工作面初次来压和周期来压步距的方法包括如下步骤：

(31)根据数值模型网格的大小确定开挖步距，设定开挖步距为一个网格；

(32)每运行100步，进行最大不平衡力收敛确定，若最大平衡比率小于1e-5，说明模型受力平衡，可进行进一步的开挖计算；若最大平衡比率大于1e-5，说明模型受力不平衡，此时进行下一步(33)的顶板下沉量判断；

(33)每进行一个开挖步距，根据顶板下沉量，判断顶板是否垮落充分；若最大垂直位移大于等于开挖煤层的厚度，则说明垮落充分，此时选取该开挖步距内任一点的开挖值为初次来压步距，若最大垂直位移小于开挖煤层的厚度，则继续开挖；

(34)以垮落充分的开挖步距为起点，每继续进行一个开挖步距，根据顶板下沉量，判断顶板是否垮落充分；若最大垂直位移大于等于开挖煤层的厚度，则选取当前开挖步距内任一点的开挖值为周期来压步距，若最大垂直位移小于开挖煤层的厚度，则继续开挖。

5.根据权利要求1所述的基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，其特征在于：

步骤(4)中，确定工作面上方垮落带和裂隙带的范围的方法包括如下方法：

基于塑性理论，最大主应变ε₁^t表达式如下：

ε₁^t＝ε₁^e+ε₁^p；

其中，ε₁^e为最大主弹性应变，ε₁^p为最大主塑性应变，ε_c为顶板岩层单元体垮落前的最大拉应变；若单元体的塑性应变值ε₁^t＝0时，该单元体属于弯曲下沉带，若0<ε₁^t<ε_c时，该单元体属于裂隙带，若ε₁^t≥ε_c时，该单元体属于垮落带；其中，ε_c根据实测的地表下沉量与数值模拟结果对比分析确定。