[发明专利]有限差分法与相似实验预测再生顶板漏风裂隙发育的方法

说明书

本发明公开了一种有限差分法与相似实验预测再生顶板漏风裂隙发育的方法，通过改变实体煤宽度，依据有限差分软件模拟巷道掘进面掘进过程中再生顶板的裂隙发育情况，确定实体煤宽度与裂隙发育深度的变化规律以及得出实体煤宽度与再生顶板关键块位置偏移之间的函数关系；根据模拟结果制作关键块相似模型分别进行静荷载与动荷载作用下力学相似实验，从而确定关键块的蠕变特性曲线；然后通过改变关键块相似模型的旋转角度表征实际关键块的动态变化过程，确定旋转角度对再生顶板关键块蠕变性能的影响；最后结合上述函数依据幂函数的特性求解出再生顶板关键块孔隙率随时间变化函数，最终根据多个函数拟合对再生顶板漏风裂隙的发育情况进行预测。

技术领域

本发明涉及一种预测再生顶板漏风裂隙发育的方法，具体是一种有限差分法与相似实验预测再生顶板漏风裂隙发育的方法。

背景技术

再生顶板是一种在地层压力作用下，将上分层垮落岩层压实并经过自然胶结或人工处理而形成的下分层开采顶板。通过此种方式形成的顶板能够降低开采费用、缩短施工周期，但其相比于其他类型顶板存在一些明显差异，一方面再生顶板松散破碎、强度较低，容易形成漏风裂隙，另一方面再生顶板的上覆遗煤含量丰富，将会通过形成的漏风裂隙通道导致遗煤氧化自燃，甚至引起瓦斯爆炸。因此，研究再生顶板漏风裂隙发育过程与裂隙发育程度是当前亟需解决的问题。

当前再生顶板裂隙发育研究的相似物理模型较少，但国内外针外对岩层裂隙发育研究却很深入，主要有两种：其一是运用软件进行模拟试验，如申请号为201811055893.4的发明专利中公开了一种煤层裂隙场定量化的描述方法，通过砌体梁理论定量计算断裂块间的裂隙面积，并依据建立的顶板裂隙场坐标系，拟合孔隙率空间分布函数，以此求出多孔介质的渗透率和孔隙率之间的关系；又如申请号为201811324625.8的发明专利通过对构建的各组类岩石裂隙试样定义损伤张量进行计算，推导出类岩石裂隙式样有效应力公式和类岩石裂隙试样几何损伤本构模型，通过数值模拟软件完成类岩石裂隙试样力学特性研究；另一种是进行力学相似实验，如申请号为201810367298.8的发明专利提出一种在初始受力条件下，研究顶板关键块形成过程以及关键块岩石在扰动作用下裂纹扩展规律并逐步失稳的实验装置，基于此种装置明确关键块失稳滑动的临界条件与扰动作用导致失稳的作用机理；又如申请号为201910305195.3的发明专利中公开了一种根据几何相似建立上覆岩层平台，使用相机记录开挖过程不同阶段的岩层裂隙发育情况，通过图像处理软件以此明确开挖过程的分形维数和裂隙发育特征曲线。

由上述可知目前顶板岩层的裂隙发育研究成果显著，但其研究的内容主要集中在导致顶板失稳的临界条件、裂隙存在的状态与演化过程。而再生顶板由于其自身成分的特殊性，且裂隙发育又是一个动态过程，仅仅依据同步观测裂隙的状态以及导致失稳的临界条件很难定量预测再生顶板漏风裂隙发育过程的要求。因此如何能精准预测再生顶板漏风裂隙的发育情况是本行业的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种有限差分法与相似实验预测再生顶板漏风裂隙发育的方法，通过模拟巷道掘进面模型获得所需力学参数，然后制作关键块相似模型进行动荷载和静荷载的力学相似实验，进而得出再生顶板漏风裂隙发育过程随时间变化的函数，最终根据函数对再生顶板漏风裂隙的发育情况进行精准预测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种有限差分法与相似实验预测再生顶板漏风裂隙发育的方法，具体步骤为：

A、先对所需预测的再生顶板及巷道进行多个物理参数的测量及计算，多个物理参数具体为：再生顶板胶结再生带平均厚度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力、抗拉强度、巷道掘进面尺寸、支撑煤柱尺寸；

B、利用有限差分软件FLAC 3D模拟软件结合上述物理参数建立巷道掘进面模型，巷道掘进面模型中的巷道一侧支撑结构为支撑煤柱、另一侧支撑结构为实体煤；然后对巷道掘进面模型进行网格划分；