[发明专利]一种采动覆岩导水通道演化的模拟方法

说明书

本发明属于保水采煤技术领域，公开了一种采动覆岩导水通道演化的模拟方法，包括：S1.确定覆岩中结构面的几何参数，并建立关于覆岩中结构面的三维网络几何模型；所述结构面包括主要结构面及次要结构面；S2.建立包含结构面的采场覆岩导水通道演化的数值计算模型；S3.确定零厚度裂缝单元的尺寸，分别在所述数值计算模型的覆岩结构面处及基质内实体单元边界处嵌入所述零厚度裂缝单元，以此模拟覆岩中主要结构面及次要结构面的随机分布；S4.分别获取岩层基质的弹塑性特征、结构面的脆性/韧性断裂力学特征、完全断裂后岩块的剪切摩擦特征，将各特征赋予所述数值计算模型的结构面和裂缝单元中，并采用FEM与DEM耦合计算。

技术领域

本发明属于保水采煤技术领域，具体涉及一种采动覆岩导水通道演化的 模拟方法。

背景技术

晋陕蒙地区蕴含我国近60％的煤炭资源，却仅拥有我国8％的水资源。更 严重的是，高强度的煤炭地下开采会导致上覆岩层移动和破坏，从而对导水 裂隙带影响范围内的含水层产生影响，导致地下水漏失、生态环境破坏。这 为实现“黄河流域生态保护和高质量发展”目标带来巨大挑战。大同矿区燕 子山矿的工程实践表明：煤系地层包含有脆性的砂岩、灰岩以及韧性的泥岩、 高岭岩，同时这些地层中包含有大量的主、次结构面。地层复杂的力学性质、 丰富的结构面会对采动覆岩导水通道分布、高度及其演化产生重大影响，决定了侏罗系采空区积水能否下泻至二叠系采煤工作面。采用合理的数值模拟 方法预测采动覆岩导水通道发育高度，对于优化工作面参数、保水采煤至关 重要。

近年来，国内外学者主要采用有限元FEM和离散元DEM方法开展采动覆 岩运动模拟研究。其中：

FEM方法基于连续介质假设，采用弹性、塑性、损伤力学理论，研究采动 过程中覆岩的力场、塑性区、损伤带等的发育高度与演化规律。

DEM方法基于离散介质假设，大多将覆岩中的结构面设置成规则的砌体结 构形式，覆岩结构面、基质多分别采用弹脆性、弹性力学本构模型，进而数 值模拟得到煤层开采过程中覆岩内水平裂隙、竖直裂隙的发育高度。但是， 覆岩中的结构面随机分布、且尺度不一，在数值计算模型中需建立多级结构 面体系及其随机生成程序；与此同时，覆岩中的泥岩、高岭岩具有显著的韧 性破坏特征。

上述DEM方法会改变采动覆岩导水通道传播路径，并对其分布与演化规 律产生决定性作用；而FEM方法会在很大程度上消耗次生应力产生的能量， 影响覆岩裂隙发育高度。

发明内容

鉴于此，为解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供 一种采动覆岩导水通道演化的模拟方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采动覆岩导水通道演 化的模拟方法，包括：

S1.确定覆岩中结构面的几何参数，并建立关于覆岩中结构面的三维网络 几何模型；所述结构面包括主要结构面及次要结构面；

S2.建立包含结构面的采场覆岩导水通道演化的数值计算模型；

S3.确定零厚度裂缝单元的尺寸，分别在所述数值计算模型的覆岩结构面 处及基质内实体单元边界处嵌入所述零厚度裂缝单元，以此模拟覆岩中主要 结构面及次要结构面的随机分布；

S4.分别获取岩层基质的弹塑性特征、结构面的脆性/韧性断裂力学特征、 完全断裂后岩块的剪切摩擦特征，将各特征赋予所述数值计算模型的结构面 和裂缝单元中，并采用FEM与DEM耦合计算；

S5.获取并输入所述数值计算模型的材料参数、边界条件和初始条件；

S6.编制煤层位置处单元随时间和空间位置删除的VUSDFLD程序，嵌入所 述数值计算模型，以模拟采煤工作面回采过程；

S7.求解所述数值计算模型的模拟结果，并输出；