[发明专利]采动岩层应力演化数值反演及应力路径等效转换方法

说明书

本发明公开了一种采动岩层应力演化数值反演及应力路径等效转换方法，属煤炭开采技术领域。首先建立相应数值模型并设置监测点；然后反演煤层开挖、顶板垮落、矸石堆积等动态过程，获得煤层开采全过程中顶板、底板应力演化规律，顶板垂直和水平应力整体呈现相反的变化规律，而底板垂直和水平应力则呈现相同的变化规律；根据垂直、水平应力同步变化规律，总结得到采动顶、底板应力路径特征：最后通过等效转换方法将垂直应力和水平应力等效为轴压和围压，将顶、底板应力演化过程等效转换为三轴加卸载应力路径。充分体现了煤层开采全过程中顶板、底板的应力演化规律，将采动应力演化等效转换为实验室加、卸载应力路径，能够更好的指导现场工程实践。

技术领域

本发明涉及一种采动岩层应力演化数值反演及应力路径等效转换方法，尤其适用于煤炭开采技术领域。

背景技术

煤岩的损伤、破坏、渗流等力学特性与其经受的应力路径紧密相关，不同应力路径下煤岩的物理力学特性必然不相同。传统试验中的应力路径多是针对静态环境下的条件，而煤层开采是一个动态变化的应力环境。因此，有必要对煤层开采全过程中围岩应力演化规律进行研究，进而将其转换为实验室应力路径，开展采动应力路径下的煤岩力学性能试验，获得采动煤岩损伤、破坏等特征，为指导现场开采实践提供支持。

目前对于煤层开采时超前段围岩应力演化规律的研究已经较为成熟，而对于煤层采后采空区内部应力的演化规律还处于探索阶段。由于采空区内部的隐蔽性和复杂性，现场实测手段对其研究比较困难因此，采用数值模拟软件对采空区应力恢复特征进行研究是比较可行的方法。

本发明采用在工程领域应用比较广泛的连续介质分析软件，通过对连续介质分析软件进行二次开发，模拟煤层开采全过程中顶板、底板内应力演化规律，并将其转换为试验室加卸载应力路径，为研究采动应力路径下煤岩力学特性提供基础。相较于现有的研究，本发明的主要创新体现在以下几个方面：

(1)顶板垮落过程模拟

连续介质软件块体之间不能相互分离，无法直接模拟采空区顶板的垮落和堆积过程。现有的研究中多是通过直接删除顶板单元体模拟顶板垮落，例如文献《基于采空区压实理论的采动响应反演》中通过经验公式计算出一个平均垮落带高度，然后直接删除对应高度范围内的单元体模拟顶板发生跨落。但是实际煤层开采过程中工作面不同位置处顶板的由于岩性、支承条件、受力状态均不相同，因此其垮落高度也均不相同，也就是说用平均垮落高度没有体现实际开采过程中顶板的随采随落特征。

(2)垮落矸石堆积过程模拟

对于采空区垮落矸石堆积过程的模拟多是通过充填不同材料模型的单元体，例如文献《采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究》中通过对采空区内充填DoubleYield材料模型的单元体模拟矸石的堆积过程。但实际上并不是所有位置处垮落矸石都能够对顶板形成支承，有的位置处垮落矸石的堆积高度小于其垮落高度，该种情况下垮落矸石并没有与顶板发生接触，也就不会对顶板形成有效支承。根据现有研究成果，采空区四周边界处顶板垮落不充分，矸石不会对顶板形成支承；而采空区中部区域顶板垮落较为充分，矸石易对顶板形成有效支承。因此，如果仅仅是简单的通过充填所有采空区空间的方法，并不能够反应实际采空区内的矸石堆积状态。

(3)堆积矸石压实承载过程模拟

对于采空区堆积矸石压实承载过程中力学特性的模拟，现有的研究表明其力学性质可以采用Salamon关系表征，一般采用Double Yield材料模型来模拟堆积矸石的压实承载特性，该模型能够较好的模拟材料的塑性硬化特征，与采空区堆积矸石的压实过程类似。但大部分研究中标定Double Yield模型材料参数时多通过试错法、循环迭代法，例如文献《长壁开采全过程采场矿压数值模拟方法》中，这样不仅工作量大，而且模拟效果在不同的地质条件下变化较大，不具有普遍适用性。

发明内容