一种底板采动导水损伤破坏深度计算方法

1.本发明涉及底板采动导水损伤破坏深度技术，具体涉及一种底板采动导水损伤破坏深度计算方法。


背景技术：

2.目前，底板采动导水损伤破坏深度是指煤层底板岩层受采动影响而产生的采动裂隙范围，其值为自煤层底板自采动破坏带最深处的法线距离。现场测试确定底板破坏深度，一般是根据钻孔注水测试资料来确定，但往往受制于现场生产技术条件无法准确及时获得。底板采动导水损伤破坏深度主要取决于采场矿压，其影响因素有开采深度、煤层请教、开采厚度、采面长度和顶板管理，还与底板岩层的抗破坏能力（岩石强度、岩层组合和裂隙发育）有关。
3.底板采动导水损伤破坏深度是随着底板岩体中的原始裂隙及采动裂隙在矿山压力作用下逐渐产生变形、摩擦滑动进而形成分支裂纹，节理裂隙相互交错贯通形成带状，并非使底板岩体进入到塑性破坏阶段才发育形成的，其原始损伤度往往没有量化。这一部分的底板岩体既丧失了隔水能力，又进一步受采动作用增大了渗透性。底板采动导水损伤破坏深度的研究集中在理论计算、现场实测、经验公式、数值模拟和物理模拟，这些研究成果多是在浅部煤层开采实践基础上形成。所以，随着开采深度的增加，采场底板岩体损伤更加严重，使得原有公式在今后的深部煤炭资料回采实践中有了一定的局限性。
4.理论计算都是建立在一些基本假定基础上的，如假定物体是连续的；如假定物体是完全弹性的；假定物体是均匀的；假定物体是各向同性的等。所有这些假定是不适合岩体的力学特征的。所以，基于弹性力学推导出的底板破坏深度理论公式实用性不强。
5.这些经验公式考虑参数简单，并且参数易于获取，具有很大的实用性，一直以来都作为底板破坏深度计算的依据。但是这些回归公式的获得均是在浅煤层底板破坏深度上获得的，随着开采深度的增加，经验公式的计算结果与实际有了很大的偏差。采深和底板损伤是影响底板破坏深度的两个重要因素，开采深度增加，底板岩层的损伤更加严重，使得原有的经验公式在今后开采煤层底板破坏深度的计算中有了一定的局限性。
6.现场实测的方法获得底板破坏深度虽然精确，但费时费力，具有一定局限性，无法随时随地快速经济推广使用。相似材料模拟考虑因素较少且理想化，具有理论研究意义，实际应用受限。数值模拟可以考虑影响底板破坏深度的多种因素，且具有方便快捷等优点，成为预测底板破坏深度的重要手段。但必须考虑采场底板岩体原始损伤程度，具体情况具体分析，否则就会造成比较被动的局面。
7.底板采动导水损伤破坏深度是随着底板岩体中的原始裂隙及采动裂隙在矿山压力作用下逐渐产生变形、摩擦滑动进而形成分支裂纹，节理裂隙相互交错贯通形成带状，并非使底板岩体进入到塑性破坏阶段才发育形成的，其原始损伤度往往没有量化。底板采动导水损伤破坏深度的研究集中在理论计算、现场实测、经验公式、数值模拟和物理模拟，这些研究成果多是在浅部煤层开采实践基础上形成。所以，随着开采深度的增加，采场底板岩
体损伤更加严重，使得原有公式在今后的深部煤炭资料回采实践中有了一定的局限性。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种底板采动导水损伤破坏深度计算方法，不但融合室内单轴试验、采空残余强度和封堵测漏，也融合了断裂力学、矿压控制和塑性力学，其参数简洁明了易于获得，其结果准确使用易于应用。
9.本发明采用的技术方案是：一种底板采动导水损伤破坏深度计算方法，包括：基于单轴试验、残余强度和封堵测漏的底板岩体采动损伤度计算；基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度计算。
10.进一步地，所述基于单轴试验、残余强度和封堵测漏的底板岩体采动损伤度计算包括：基于单轴试验的底板岩体采动损伤度计算岩石损伤变量的基本公式
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（1）式（1）中，为岩石微元破坏强度，均为模型相关参数；
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（2）
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（3）式（2）和式（3）中，为弹性模量，为极限峰值下的应变数值，为极限峰值下的应力数值，为泊松比；为水平围压，根据三轴实验，，相应的围岩应变有；
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（4）将式（3）带入式（4），得：
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（5）式（5）带入式（1），得构建底板岩体采动损伤度的基本公式：
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（6）若采用岩石单轴压缩试验，则，单轴试验和三轴试验在到达峰值点钱具有相似的应力应变曲线，因此得到基于单轴试验的底板岩体采动损伤度简化公式，根据岩层的应力应变曲线来确定和；
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（7）计算基于单轴试验的采场底板岩体损伤度如式（8）所示，为采场底板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于单轴试验的损伤度；
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（8）从式（8）可以看出，基于单轴试验的底板岩体采动损伤度公式与弹性模量、极限峰值下的应变数值，极限峰值下的应力数值和采场底板不同岩层的平均厚度有关；
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基于残余强度的底板岩体采动损伤度计算基于残余强度修正的岩石损伤变量的修正公式
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（9）式（9）中，为损伤变量修正系数，主要反映岩石的残余强度特征；为弹性模量，为极限峰值下的应变数值，为极限峰值下的应力数值，为泊松比，为水平围压；将式（9）带入式（1），得底板岩体采动损伤度的基本公式：
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（10）若采用岩石单轴压缩试验，则，单轴试验和三轴试验在到达峰值点钱具有相似的应力应变曲线，因此得到基于残余强度的底板岩体采动损伤度简化公式：
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（11）计算基于残余强度的采场底板岩体损伤度如式（11）所示，为底板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于残余强度的损伤度；
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（12）从式（12）可以看出，基于单轴试验的底板岩体采动损伤度公式与损伤变量修正系数、弹性模量、极限峰值下的应变数值，极限峰值下的应力数值和采场底板不同岩层的平均厚度有关；基于封堵测漏的底板岩体采动损伤度计算底板岩体采动损伤度可以采用岩体钻孔双端封堵测漏系统根据钻孔注水量的多少获得，如式（13）所示；
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（13）式（15）中，为钻孔漏水段总长度，为钻孔总长度；如果没有实测数据，底板岩体采动损伤度可以根据地质构造复杂程度进行估算；如果矿井地质构造复杂程度为简单，；如果矿井地质构造复杂程度为中等，；如果矿井地质构造复杂程度为复杂，；如果矿井地质构造复杂程度为极复杂，；利用加权平均法计算基于封堵测漏的采场底板岩体损伤度如式（14）所示，为底板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于封堵测漏的损伤度；
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（14）基于加权平均的底板岩体采动损伤度计算（15）。
11.更进一步地，所述基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度计算包括：基于断裂力学的底板采动导水损伤破坏带深度计算根据断裂力学公式，基于构建底板采动导水损伤度修正，底板采动导水损伤破坏带深度公式如下式所示；
（16）公式（16）适用于开采深度不超过500m的情况，为底板岩体平均容重，为开采深度，为壁式工作面长度，为底板岩体抗压强度，一般取岩石抗压轻度0.15倍；为底板岩体采动损伤度；基于矿压控制的底板采动导水损伤破坏带深度计算假定采场底板岩体受到均匀损伤，损伤变量为, 根据损伤力学的假设,则垂直应力和水平应力如式（17）所示；（17）根据矿压控制理论，采场底板岩体最大主应力在不同位置深度衰减的规律如式（18）所示，其中为矿山压力最大集中系数；
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（18）将式（18）带入式（17）得到基于矿压控制的底板采动导水损伤破坏带深度公式；（19）基于塑性力学的底板采动导水损伤破坏带深度计算根据塑性力学理论公式，可按式（20）所示，其中为底板岩体的内摩擦角；（20）基于加权平均的底板采动导水损伤破坏带深度公式（21）。
12.本发明的优点：本发明基于单轴试验、残余强度和封堵测漏量化底板岩体采动损伤度，基于断裂力学、矿压控制和塑性力学计算底板采动导水损伤破坏深度。本发明的方法不但融合室内单轴试验、采空残余强度和封堵测漏，也融合了断裂力学、矿压控制和塑性力学，其参数简洁明了易于获得，其结果准确使用易于应用。
13.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
14.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
15.图1是岩体钻孔双端封堵测漏系统图；图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.基于单轴试验、残余强度和封堵测漏的底板岩体采动损伤度公式（1）基于单轴试验的底板岩体采动损伤度公式岩石损伤变量的基本公式
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（1）式（1）中，为岩石微元破坏强度，均为模型相关参数。
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（2）
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（3）式（2）和式（3）中，为弹性模量，为极限峰值下的应变数值，为极限峰值下的应力数值，为泊松比。为水平围压，根据三轴实验，，相应的围岩应变有。
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（4）将式（3）带入式（4），得：
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（5）式（5）带入式（1），得构建底板岩体采动损伤度的基本公式：
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（7）若采用岩石单轴压缩试验，则，单轴试验和三轴试验在到达峰值点钱具有相似的应力应变曲线，因此得到基于单轴试验的底板岩体采动损伤度简化公式，根据岩层的应力应变曲线来确定和。
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（8）计算基于单轴试验的采场底板岩体损伤度如式（8）所示，为采场底板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于单轴试验的损伤度。
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（8）从式（8）可以看出，基于单轴试验的底板岩体采动损伤度公式与弹性模量、极
限峰值下的应变数值，极限峰值下的应力数值和采场底板不同岩层的平均厚度有关。
22.（2）基于残余强度的底板岩体采动损伤度公式基于残余强度修正的岩石损伤变量的修正公式
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（9）式（9）中，为损伤变量修正系数，主要反映岩石的残余强度特征。为弹性模量，为极限峰值下的应变数值，为极限峰值下的应力数值，为泊松比，为水平围压。
23.将式（9）带入式（1），得底板岩体采动损伤度的基本公式：
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（10）若采用岩石单轴压缩试验，则，单轴试验和三轴试验在到达峰值点钱具有相似的应力应变曲线，因此得到基于残余强度的底板岩体采动损伤度简化公式。
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（11）计算基于残余强度的采场底板岩体损伤度如式（11）所示，为底板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于残余强度的损伤度。
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（12）从式（12）可以看出，基于单轴试验的底板岩体采动损伤度公式与损伤变量修正系数、弹性模量、极限峰值下的应变数值，极限峰值下的应力数值和采场底板不同岩层的平均厚度有关。
26.（3）基于封堵测漏的底板岩体采动损伤度公式底板岩体采动损伤度可以采用岩体钻孔双端封堵测漏系统根据钻孔注水量的多少获得，如式（13）所示。
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（13）式（13）中，为钻孔漏水段总长度，为钻孔总长度。如果没有实测数据，底板岩体采动损伤度可以根据地质构造复杂程度进行估算。如果矿井地质构造复杂程度为简单，；如果矿井地质构造复杂程度为中等，；如果矿井地质构造复杂程度为复杂，；如果矿井地质构造复杂程度为极复杂，。
28.利用加权平均法计算基于封堵测漏的采场底板岩体损伤度如式（14）所示，为底
板不同岩层的平均厚度，为底板不同岩层基于封堵测漏的损伤度。
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（14）（4）基于加权平均的底板岩体采动损伤度公式（15）基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度公式（1）基于断裂力学的底板采动导水损伤破坏带深度公式根据断裂力学公式，基于构建底板采动导水损伤度修正，底板采动导水损伤破坏带深度公式如下式所示。
[0030] （16）公式（16）适用于开采深度不超过500m的情况，为底板岩体平均容重，为开采深度，为壁式工作面长度，为底板岩体抗压强度，一般取岩石抗压轻度0.15倍；为底板岩体采动损伤度。
[0031]
（2）基于矿压控制的底板采动导水损伤破坏带深度公式假定采场底板岩体受到均匀损伤，损伤变量为, 根据损伤力学的假设,则垂直应力和水平应力如式（17）所示。
[0032]
（17）根据矿压控制理论，采场底板岩体最大主应力在不同位置深度衰减的规律如式（18）所示，其中为矿山压力最大集中系数。
[0033]
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（18）将式（18）带入式（17）得到基于矿压控制的底板采动导水损伤破坏带深度公式。
[0034] （19）（3）基于塑性力学的底板采动导水损伤破坏带深度公式根据塑性力学理论公式，可按式（20）所示，其中为底板岩体的内摩擦角。
[0035] （22）（4）基于加权平均的底板采动导水损伤破坏带深度公式（21）1. 计算底板采动导水损伤破坏带深度（1）山东良庄煤矿51302采煤工作面底板岩体原始资料
山东良庄煤矿51302采煤工作面底板的岩性主要粉砂岩、砂岩和灰岩，其中徐灰是重要的含水层，动水补给条件良好。但煤层底部到徐灰之间可以看做是一个隔水层，不考虑动水的影响。在51302工作面位于-580水平五采区东翼，为五采区13煤层的首采工作面。该面走向长为690m，倾斜宽为165m，采深为640m。13煤层距徐灰40m左右，距奥灰78m左右，矿山压力应力集中系数为2.8，上覆岩层平均密度28kn/m3，底板底板岩体的内摩擦角为，底板岩体最大主应力为13.1mpa。51302工作面各底板岩层力学参数如表1所示，为水平应力，为极限峰值下的应变数值，极限峰值下的应力数值为极限峰值下的应力数值。
[0036]
（2）计算基于单轴试验、残余强度和封堵测漏的底板岩体采动损伤度，基于加权平均的底板岩体采动损伤度d=0.49。
[0037]
（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度（3）计算基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度从计算结果可以看出，基于断裂力学、矿压控制和塑性力学的底板采动导水损伤破坏深度离散型较大，最大值与最小值的比值为4.19，三个计算结果与最终结果的比值为0.84、1.74、0.42，这说明不同公式的计算结果差别较大，往往与工程结果存在出入。最终计算结果为69.27m，这表明本公式统筹各种理论和不同因素在一定程度上解决了这个问题。
[0038]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。