[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

说明书

本发明公开一种基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，包括如下步骤：(1)收集待评估的工作面的相关地质信息；(2)建立数值计算模型；(3)确定工作面初次来压(l_p)和周期来压步距(l_s)；(4)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)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。本发明数值模拟方法能很好的模拟长壁开采过程，揭示矿压显现规律，为灾害防控提供理论依据和施工指导。

技术领域

本发明涉及一种工作面开采全过程数值模拟方法，具体涉及一种适用于煤矿井下长壁工作面开采过程中影响矿压显现的基于采空区压实效应的数值模拟方法。

背景技术

随着我国煤炭开采深度与难度的不断增大，开采引发的冲击矿压、煤与瓦斯突出和强矿压显现等工程灾害日渐严峻，严重制约了矿井的安全高效生产。因此，研究采场矿压显现规律，为灾害防控提供理论依据和现场指导具有重要的理论和现实意义。

研究表明，冲击矿压的发生主要与工作面采动过程中煤岩体所承载的静载荷和动载荷有关。采掘空间周围煤岩体中的静载荷主要由围岩自重应力、构造应力和采动后覆岩结构演化造成的采动应力等组成，动载扰动主要包括采掘空间顶板的来压、上覆岩层运动、工作面煤体破坏以及断层滑移等导致的采掘煤岩矿震活动。

综上所述，研究采动后覆岩结构的演化特征及其影响范围对于工作面动静载分布有重要意义。而针对采矿等大尺寸、复杂工程问题的研究，数值模拟以其直观、高效、便于反演现场复杂地质条件和进行大量参数敏感性分析的特点与优势，在矿压研究中得到广泛应用。然而，目前的数值模型计算所得结果与现实存有较大差异。开采过程中顶板破裂、垮落和采空区充填、承压等反复卸压、支撑作用对应力分布影响显著。故进行数值软件的二次开发对采场矿压显现规律的研究是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，能够给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能较好的再现长壁开采过程，有助于揭示矿压显现规律。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法，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。

作为优选方案，

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。

作为优选方案，

步骤(2)中，建立数值计算模型的方法包括如下步骤：

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。

作为优选方案，