МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ РАЗЛОМА В ПОРОДЕ, ОКРУЖАЮЩЕЙ ШТРЕК Российский патент 2021 года по МПК G01N3/08 G06F30/23 G01N33/24 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

Настоящее изобретение относится к области технологий добычи угля и, в частности, к методу дискретных элементов для имитации развития разлома в породе, окружающей штрек.

Описание связанного уровня техники

Устойчивость угольного целика всегда находится в фокусе исследований безопасной и эффективной добычи. По мере увеличения глубины добычи и усложнения геологических условий, в ходе проходки штрека со стороны выработанной породы могут происходить сильные деформации и из выработанного участка может сочиться газ, ухудшая контроль породы, окружающей штрек. Ненадлежащая зарезервированная ширина угольного целика, а также неясное понимание механизмов разрушения угольного целика и окружающей породы, не позволяют предложить меру контроля, которая была бы эффективной для длительной, сильно воздействующей, безопасной и эффективной добычи угольных ресурсов.

Метод численного моделирования обладает очевидными преимуществами при решении проблем при инженерно-технических работах и в основном он включает метод конечных элементов и метод дискретных элементов. Численная модель конечных элементов может имитировать процесс разрушения породной массы и в явной форме имитировать расширение и развитие раскола, что делает ее широко применимой при решении подземных геотехнических проблем. Модель «UDEC Trigon», которая является непостоянной моделью, дополнительно усовершенствованной полигоном Вороного-Тиссена, формируется из блоков и сочленения. Повреждение сочленения между блоками возникает при различных нагрузках, и первичные разломы и вновь образованные разломы явным образом могут быть отличены друг от друга, так что имитация процесса развития разлома в породе, окружающей штрек, может быть реалистичной.

Существующие метод и технология численной имитации обладают следующими недостатками при имитации деформации штрека: Механические параметры, измеряемые в лабораторных условиях, выбираются непосредственно в качестве механических параметров породной массы для модели и применяются в численной модели. Однако образцы, используемые в лабораторных условиях, в целом являются малыми. Образцы, сформированные после использования и резки породной массы, меняют свое внутреннее напряжение и структуру в ходе этого процесса, и, следовательно, сильно отличаются от породной массы. Существующие метод и технология численной имитации оставляют без внимания разницу между породной массой и интактной породой, что приводит к сильному отклонению конечного результата от реальной ситуации на месторождении. Таким образом, существующие метод и технология не могут напрямую зависеть от работ на месторождении.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в представлении метода дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, который мог бы эффективно и реалистично воспроизводить условия на месторождении, а также получать реалистичные и достоверные результаты имитации.

Для решения указанной выше задачи, в настоящем изобретении используется метод дискретных элементов для имитации развития разлома в породе, окружающей штрек, включающий следующие этапы:

S1: в тестовом штреке, наблюдение за характеристиками деформации штрека и взятие колонок породы из угольного пласта и породной массы; запись характеристик деформации породы, окружающей штрек, и слежение за характеристиками распространения разломов в кровле и двух стенках штрека; и взятие колонок породы из кровли и угольного пласта, и запись значений RQD у колонок породы из кровли и колонок породы из угольного пласта;

S2: составление полученных по отдельности колонок породы из кровли и колонок породы из угольного пласта в стандартную интактную породу и выполнение экспериментов в отношении механических свойств для испытания интактных пород на прочность при одноосном сжатии, прочность на растяжение по бразильскому методу и модуль упругости; и, в соответствии с функциональной взаимосвязью между соотношением модуля упругости породной массы к таковому интактной породы и RQD, а также функциональной взаимосвязи между прочностью при одноосном сжатии породной массы и таковой интактной породы, определение прочности при одноосном сжатии и модуля упругости породной массы, причем прочность на растяжение породной массы по бразильскому методу составляет 0,1 от ее прочности при одноосном сжатии;

S3: создание калибровочной модели путем использования Trigon-логики в UDEC, причем среднее значение длин боковых сторон треугольных блоков в модели определяют в соответствии с характеристиками распространения разлома, статистически проанализированными на этапе S1; путем использования прочности при одноосном сжатии, прочности на растяжение по бразильскому методу и модуля упругости породной массы, вычисленных на этапе S2, в качестве известных характеристических значений, выполнение инверсии с калибровочной моделью для получения параметров треугольного блока и общих параметров в модели коррекции;

S4: создание численной модели с масштабом добычи рабочей поверхности месторождения путем использования UDEC, определение исследуемой области и разделение исследуемой области на треугольные блоки путем использования Trigon-логики, причем среднее значение длин краев треугольных блоков и параметры треугольного блока идентичны таковым в калибровочной модели на этапе S3; формирование прямоугольных блоков с постоянно возрастающей длиной путем разделения на области за пределами исследуемой области; и, основываясь на характеристиках деформации породы, окружающей штрек, и характеристиках распространения разлома, которые наблюдали на этапе S1, выполнение инверсии для получения механических параметров прямоугольных блоков в модели масштаба месторождения.

В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения, параметры треугольного блока и общие параметры в калибровочной модели, которые получены посредством инверсии на этапе S3, соответственно, включают размер и модуль упругости треугольного блока, а также нормальную жесткость, жесткость на сдвиг, когезию, угол трения и прочность на растяжение сочленения; и способ инверсии, в частности, включает:

a) создание по отдельности прямоугольной калибровочной модели шириной 2 м и высотой 4 м, и круглой калибровочной модели с диаметром 2 м, причем среднее значение значений длины боковой стороны треугольных блоков гарантировано согласуется с длиной разлома на основе статистических данных месторождения;

b) настройку модуля упругости треугольных блоков в модели таким образом, чтобы они равнялись таковому у породной массы, вычисленному по формуле (II):

c) выведение нормальной жесткости K_n сочленения между треугольными блоками по формуле (IV), соотношение жесткости на сдвиг K_s к K_n составляет 0,2; и определение коэффициента Пуассона µ в соответствии с изменением K_s/K_n, причем формула (IV), в частности, является следующей:

где K и G, соответственно, представляют собой объемный модуль и модуль сдвига треугольных блоков в ГПа и вычисляются согласно уравнениям K=E/3(l-2μ) и G=E/2(1+μ), μ представляет собой коэффициент Пуассона блока, а E представляет собой модуль упругости блока в ГПа; ΔZ_min представляет собой минимальную ширину соседних блоков в вертикальном направлении в м; а n равняется 10; и

d) выполнение испытания прочности при одноосном сжатии и испытания раскалывания по бразильскому методу несколько раз путем использования калибровочной модели для получения кривых напряжение-деформация; применение средства итеративного метода проб и ошибок для обеспечения того, чтобы имитированные механические параметры соответствовали прочности при одноосном сжатии, прочности на растяжение по бразильскому методу и модулю упругости породной массы, вычисленным на этапе S2; и конечное выполнение инверсии для получения когезии, угла трения и прочности на растяжения сочленения в модели.

В соответствии с некоторыми вариантами реализации, на этапе S1 устанавливают станцию измерения смещения поверхности штрека посредством перекрестной схемы, характеристики деформации породы, окружающей штрек, записывают с помощью взрывоустойчивой камеры, характеристики распространения разломов в кровле и двух стенках штрека отслеживают с помощью инструмента для наблюдения за бурением, и характеристики распространения значений длины разломов в поверхности буровой скважины подвергают количественной оценке посредством прорисовки бурения.

В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения, RQD на этапе S1 представляет собой показатель нарушенности породы, который выражается следующим специальным уравнением:

где l представляет собой совокупную длину колонок породы в м, которая больше или равна 10 см; а L представляет собой общую длину буровой скважины.

В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения, на этапе S2 функциональная взаимосвязь между соотношением модуля упругости породной массы к таковой у блока породы и RQD выражается следующим специальным уравнением:

где E_m представляет собой модуль упругости породной массы в ГПа; а E_r представляет собой модуль упругости интактной породы в ГПа.

В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения, на этапе S2 функциональная взаимосвязь между прочностью при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы выражается следующим специальным уравнением:

где σ_cm и σ_c представляют собой прочность при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы, соответственно, в МПа; а m равняется 0,63.

Полезный эффект

Настоящее изобретение имеет следующие преимущественные технические эффекты: Ввиду отличий между породной массы и интактной породой, механические параметры породной массы вычисляются в соответствии с функциональной взаимосвязью между показателем нарушенности породы RQD и соотношением модуля упругости породной массы к таковой у интактной породы, а также в соответствии с функциональной взаимосвязью между прочностью при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы, создается калибровочная модель путем использования Trigon-логики в UDEC и выполняется инверсия для получения параметров породной массы для численной вычислительной модели, что обеспечивает возможность реалистичной и достоверной имитации характеристик деформации штрека в месторождении. Таким образом, способ коррекции параметров для имитации деформации штрека методом дискретных элементов, предложенный в настоящем изобретении, преодолевает существующую проблему, заключающуюся в трудности определения параметров для численной имитации, а также может реалистично воспроизводить ситуации в месторождении, что обеспечивает реалистичность и достоверность результатов имитации. Таким образом, настоящее изобретение гарантирует в определенной степени безопасную и эффективную добычу и может быть использовано для обеспечения руководств при операциях в месторождении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На ФИГ. 1 показана общая стратиграфическая колонка испытательной площадки;

На ФИГ. 2a показаны характеристики распространения разлома на стенке угольного целика;

На ФИГ. 2b показаны характеристики распространения разлома на стенке неподработанного угольного пласта;

На ФИГ. 3a представлено вероятностное распределение длины разломов в угольном целике;

На ФИГ. 3b представлено вероятностное распределение длины разломов в неподработанном угольном пласте;

На ФИГ. 4a показана калибровочная модель для испытания прочности при одноосном сжатии;

На ФИГ. 4b показана калибровочная модель для испытания прочности на растяжение по бразильскому методу;

На ФИГ. 5a показана кривая напряжение-деформация в отношении одноосного сжатия по калибровочной модели;

На ФИГ. 5b показана кривая напряжение-деформация в отношении испытания раскалывания по бразильскому методу по калибровочной модели;

На ФИГ. 6 показана численная модель состояния месторождения;

На ФИГ. 7 представлена диаграмма, показывающая сравнение между деформацией штрека при численной имитации и наблюдениями на месторождении;

На ФИГ. 8 показано распространение разломов в угольном целике шириной 7 м после имитации; и

На ФИГ. 9 показана блок-схема метода дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, в настоящем изобретении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение далее подробно описано ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи и конкретный вариант реализации. Следует отметить, что представленные далее варианты реализации используются лишь в целях описания настоящего изобретения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения.

В варианте реализации предусмотрена проходка штрека со стороны выработанной породы в узком угольном целике шириной 7 м в хвостовом штреке 15106 шахты «Sijiazhuang», относящейся к «Yangquan Coal Group», в качестве основы для инженерных работ. В данном случае, угольный пласт имеет среднюю глубину погружения 574 м и среднюю толщину 5,5 м, и развивающиеся в нем совместные разломы. Хвостовой штрек 15106 имеет общую длину 1700 м. Выемку штрека проводят вдоль кровли угольного пласта, и секция выемки представляет собой прямоугольник шириной 4,8 м × высотой 4,0 м Статиграфический разрез буровой скважины угольного пласта показан на ФИГ. 1. Способ, в соответствии с настоящим изобретением, используется здесь для коррекции параметров в численной модели для моделирования имитации деформации штрека. Метод дискретных элементов для имитации развития разлома в породе, окружающей штрек, в данном варианте реализации включает следующие несколько этапов:

1) Взятие образцов из цельной кровли и грунта в хвостовом штреке 15106, и запись значений RQD, соответствующих другому литологическому составу. Для изучения стенки узкого угольного целика и стенки однородного угля используют инструмент для наблюдения за бурением модели YTJ20, разработанный и произведенный Китайским горно-технологическим институтом (China University of Mining and Technology). Горизонтальное разведочное отверстие диаметром 29 мм выполняют на расстоянии 2 м до грунта. Буровое отверстие на глубине 4 м выполняют в боковой стороне угольного целика, а буровое отверстие на глубине 20 м выполняют в боковой стороне однородного угля. Характеристики распространения разломов на двух стенках, полученные путем наблюдения, показаны на ФИГ. 2a и ФИГ. 2b соответственно. Из ФИГ. 2a и ФИГ. 2b можно увидеть, что на стороне угольного целика выполнено множество кольцевых сквозных разломов и вертикальных разломов в пределах наблюдаемого спектра 4 м. Уголь, находящийся вблизи части стенки угольного целика, уже поврежден, образуя разрушенную зону и приводя к обрушению отверстия. Выработанный участок находится на другой стороне угольного целика и его нельзя увидеть с помощью инструмента для наблюдения за бурением. Однако, в соответствии с результатом наблюдения за бурением, можно сделать вывод, что степень повреждения угольного целика вблизи стороны выработанной породы, вероятно, будет подобна таковой у штрека или являться более серьезной. Таким образом, может быть определено, что в хвостовом штреке 15106 разломы разрабатываются внутри угольного целика после выемки штрека и весь угольный целик уже выработан. На стороне однородного угля, угольный пласт на расстоянии в пределах 1 м до стенки угля серьезно разрушен; имеется несколько разломов в пределах диапазона от 1 м до 2 м; а угольный пласт, находящийся глубже чем 2 м, остался без воздействия со стороны процесса добычи и является почти полностью целым без относительно крупных разломов.

Посредством прорисовки бурения выполняют статистический анализ значений длины разломов в угольном целике и однородном угле для получения результатов, показанных на ФИГ. 3a и ФИГ. 3b соответственно. Из ФИГ. 3a и ФИГ. 3B можно увидеть, что длина разломов в угольном целике и однородном угле удовлетворяет правилу логарифмически нормального распределения. Длина разломов в однородном угле составляет от 0,01 м до 0,23 м и имеет среднее значение 0,07 м, при этом разломы длиной менее 0,2 м составляют 99,7% от общего количества, а крупные разломы (длиной более 0,2 м) практически отсутствуют. Длина разломов в угольном целике составляет от 0,03 м до 0,59 м и имеет среднее значение 0,13 м, при этом разломы длиной менее 0,2 м составляют 80% от общего количества, а крупные разломы составляют 20% от общего количества. Путем сравнения ФИГ. 3a с 3b можно увидеть, что в однородном угле, который не был подвержен воздействию процесса добычи, отсутствуют крупные разломы, а 20% крупных разломов в угольном целике не являются изначальными разломами в естественном угле, а получились в результате повреждения, нанесенного в ходе формирования угольного целика. Эти крупные разломы не могут представлять собой естественные изначальные разломы. Таким образом, изначальные разломы в угольном пласте должны иметь длину менее 0,2 м для того, чтобы обеспечить базовые данные для построения калибровочной модели.

2) Из колонок породы, полученных на этапе 1), делают стандартные образцы, представляющие собой цилиндры диаметром 50 мм и высотой 100 мм, а также малые цилиндры диаметром 50 мм и толщиной 25 мм, а затем эти цилиндры подвергают испытанию прочности при одноосном сжатии и испытанию раскалывания по бразильскому методу для испытания образцов породы на прочность при одноосном сжатии, прочность на растяжение и модуль упругости. Прочность и модуль упругости породной массы вычисляют по формулам (II) и (III), причем прочность породной массы на растяжение составляет 0,1 от ее прочности при одноосном сжатии. Результаты испытаний показаны в таблице 1.

Таблица 1. Свойства интактной породы и вычисленной породной массы в угольной шахте «Sijiazhuang»

Породная толща Интактная порода RQD Породная масса Модуль упругости
E_r/ГПа Прочность при одноосном сжатии
σ_c/МПа Модуль упругости
E_m/ГПа Прочность при одноосном сжатии
σ_cm/МПа Прочность на растяжение
σ_tm/МПа Мелкозернистый песчаник 23,4 48,9 92 14,8 36,6 3,66 Аргиллит 10,6 16,6 76 3,4 8,1 0,81 Угольный пласт 3,2 10,5 72 0,86 4,6 0,46 Песчаный аргиллит 14,2 21,0 85 6,6 13,0 1,30

Результаты испытания показывают, что породная масса и мелкая интактная порода имеют явное отличие в части механических параметров, при котором модуль упругости и прочность при одноосном сжатии понижены до разных степеней. Результаты также показывают, что включать механические параметры мелкой породы, измеренные в лабораторных условиях, в численную модель для вычисления неправильно, и требуется дополнительная коррекция для обеспечения соответствия параметров породной массы.

Функциональная взаимосвязь между соотношением модуля упругости породной массы к таковой у блока породы и RQD выражается следующим специальным уравнением:

В уравнении, E_m представляет собой модуль упругости породной массы в ГПа; а E_r представляет собой модуль упругости интактной породы в ГПа.

Функциональная взаимосвязь между прочностью при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы выражается следующим специальным уравнением:

В уравнении, σ_cm и σ_c, соответственно, представляют собой прочность при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы, в МПа, где m равняется 0,63.

3) Как показано на ФИГ. 4a, прямоугольная модель коррекции малого размера шириной 2 м и высотой 4 м создается путем использования Trigon-модуля в UDEC и используется для испытания прочности приодноосном сжатии. Как показано на ФИГ. 4b, круговая модель коррекции с диаметром 2 м создается для испытания раскалывания по бразильскому методу. Треугольники в модели имеют среднюю длину стороны 0,2 м, которая может представлять размер начальных разломов в угольном пласте перед нарушением, тем самым легко отличая вновь образованные разломы от начальных разломов.

Модели создаются для коррекции, соответственно, для четырех породных толщ с разным литологическим составом. Блоки в моделях выполнены упругими, то есть, блоки могут быть деформированы, но не повреждены. Модель состояния, основанная на остаточной прочности Мора-Кулона, используется для сочленений. Породная масса повреждается только вдоль поверхности сочленения, а макроразломы постепенно формируются после образования, расширения и проникновения микроразломов.

Плотность блока идентична фактической плотности породной массы и измеряется в лабораторных условиях. Модуль упругости блока идентичен вычисленному модулю упругости породной массы. Жесткость поверхности сочленения определяется согласно размеру блока в модели и соотношению K_s/K_n. Инверсия выполняется посредством итеративного метода проб и ошибок для получения когезии, угла трения и прочности на растяжение сочленения модели.

Путем использования моделей выполняется ряд испытаний прочности при одноосном сжатии и раскалывания по бразильскому методу для получения кривых напряжение-деформация для всего процесса, как показано на ФИГ. 5a и 5b.

Результаты имитации соответствуют механическим параметрам породной массы (прочности при одноосном сжатии, прочности на растяжение и модулю упругости), и в конечном итоге выполняют инверсию для получения механических параметров, используемых для модели, как показано в таблице 2. Согласно совместному критерию остаточной прочности, когезия и угол внутреннего трения сочленения снижаются до 0 после повреждения, оставляя лишь некоторый остаточный угол внутреннего трения.

Таблица 2. Откалиброванные микросвойства в Trigon-модели для модели состояния месторождения

Породная толща Параметры блока Параметры поверхности сочленения Плотность
Кг/м³ Модуль упругости
ГПа Коэффициент Пуассона Нормальная жесткость
ГПа/м Жесткость при сдвиге
ГПа/м Когезия
МПа Угол трения
(°) (Пиковый/Остаточный) Прочность на растяжение (МПа) Мелкозернистый песчаник 2600 14,8 0,28 757 151 11,7 40/33 5,55 Аргиллит 2100 3,4 0,26 166,4 33,3 2,7 36/30 1,23 Угольный пласт 1300 0,86 0,25 160 32 1,5 35/30 0,41 Песчаный аргиллит 2350 6,6 0,28 337 67,5 4,2 38/32 1,97

Откалиброванные результаты механических параметров показаны в таблице 3. Как видно из таблицы 3, все ошибки между откорректированными механическими параметрами и целевыми значениями составляют менее 10%, что доказывает достоверность такого способа коррекции параметров.

Таблица 3. Откалиброванные результаты свойств породной массы в Trigon-модели

Породная толща Модуль упругости (ГПа) Ошибки
(100%) Прочность при одноосном сжатии
(МПа) Ошибки
(100%) Прочность на растяжение (МПа) Ошибки
(100
%) Целевые значения Откорректированные значения Целевые значения Откорректированные значения Целевые значения Откорректированные значения Мелкозернистый песчаник 14,8 15,07 1,82 36,6 36,87 0,74 3,66 3,65 -0,27 Аргиллит 3,4 3,37 -0,88 8,1 8,12 0,25 0,81 0,89 9,88 Угольный пласт 0,86 0,84 -2,33 4,6 4,67 1,52 0,46 0,44 -4,35 Песчаный аргиллит 6,6 6,74 2,12 13,0 13,14 1,08 1,30 1,36 4,62

4) В соответствии с геологическими условиями панели 15106, создается численная модель путем использования программного обеспечения UDEC для метода дискретных элементов, где модель имеет длину 150 м и высоту 58 м. Для улучшения эффективности вычислений, ключевая область исследования делится на треугольные блоки с помощью Trigon-модуля, как показано на ФИГ. 6. Треугольные блоки в зоне угольного целика имеют длины боковых сторон 0,2 м, таковые в зоне, окружающей угольный пласт, имеют длины боковых сторон 0,4 м, а таковые непосредственно в зонах кровли и грунта угольного пласта имеют длины боковых сторон 0,5 м. Прямоугольные блоки с постоянно увеличивающейся длиной образуются путем деления на области за пределами исследуемой области и имеют меняющиеся значения длины 1,1 м, 2 м и 7 м. Такой способ настройки размера блока может эффективным образом имитировать механическое поведение угольного целика.

Левая и правая границы модели фиксированы по горизонтали, нижняя граница фиксирована по вертикали, давление, эквивалентное перегрузу, применяется к верхней границе, а поле напряжения, измеренное на месте, применяется внутри модели. Значения параметров для модели задаются в соответствии с откорректированными параметрами в таблице 2. План выемки осуществляется в соответствии с фактическим порядком добычи. Сначала производится выемка рабочей поверхности 15108, а затем производится выемка хвостового штрека 15106 после балансировки посредством вычисления модели. Резервная ширина угольного целика составляет 7 м. Способ поддержания штрека имитируется в соответствии с фактическими параметрами поддержания. Основываясь на характеристиках деформации породы, окружающей штрек, и правилу распространения разлома, которые наблюдались на этапе 1), выполняют инверсию для получения механических параметров прямоугольных блоков в крупной модели.

На ФИГ. 7 показано сравнение между имитированной деформацией штрека и результатом наблюдения за месторождением. Из ФИГ. 7 можно увидеть, что штрек был серьезно поврежден в ходе выемки, схождение кровли к грунту составляет приблизительно 592 мм, а схождение стенки к стенке составляет 696 мм. Эти показатели согласуются с показателями деформации штрека (где схождение кровли к грунту составляет 540 мм, а схождение стенки к стенке составляет 645 мм, как показано на ФИГ. 7b), которые наблюдаются на расстоянии 610 м до входа в штрек. На ФИГ. 7c-7g показано сравнение в отношении форм повреждения между численной имитацией и наблюдением в месторождении. Результат сравнения предполагает, что после влияния со стороны напряжения при добыче, кровля просевших сторон штрека месторождения, две стенки сжимаются в направлении пространства штрека и происходит вспучивание кровли, что приводит к разлому стальной полосы кровли и деформации реек, пролегающих по грунту. Угольный целик имеет максимальную степень деформации, которая в основном имеет место на ее нижней половине; и прочно прижимает ленту для доставки угля. Все указанные выше повреждения формы штрека, наблюдаемые в ходе выемки на месторождении, могут быть реально зарегистрированы в Trigon-модели UDEC, как показано на ФИГ. 7f.

Путем имитации с помощью Trigon-модели UDEC, можно изучить распространение разлома в угольном целике шириной 7 м после выемки воздушного вентиляционного штрека 15106, как показано на ФИГ. 8. Угольный целик делится на зоны крупного разлома и зоны малого разлома в соответствии с распространением разлома. Из ФИГ. 8 можно увидеть, что зоны крупного разлома находятся на двух сторонах угольного целика. Разломы при растяжении развиваются практически до разрушения в пределах расстояния 2 м от штрека и расстояния 3 м до выработанного участка с образованием зон крупного разлома. Разломы при сдвиге развиваются в пределах расстояния от 3 м до 4 м до штрека с образованием зон малого разлома. Результаты имитации в высокой степени соответствуют результатам наблюдения при бурении на месторождении (ФИГ. 2a).

Путем проверки с помощью большой модели масштаба месторождения, указывается, что деформация штрека в месторождении может быть реалистичным образом имитирована путем включения откалиброванных параметров в Trigon-модель UDEC, а поведение давления в шахте, активируемое последующей выемкой на рабочей поверхности, может быть дополнительно прогнозировано путем использования откалиброванных параметров. Более того, доказано, что метод, согласно настоящему изобретению, обладает высокой степенью достоверности и имеет практическую значимость.

Представлен метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, который включает: взятие колонок породы из угольного пласта в месторождении и запись значений RQD, наблюдение за деформацией штрека и выполнение статистического анализа характеристик распространения разломов в угольном пласте; испытание механических параметров образцов угольной породы в помещении и вычисление прочности породной массы в соответствии со значениями RQD; создание численной модели путем использования модуля UDEC-Trigon для регулировки параметров для обеспечения соответствия прочности породной массы и коррекцию параметров модели; и создание численной модели проектного масштаба для регулировки параметров для обеспечения соответствия характеристикам деформации в месторождении, и, в конечном итоге, имитация развития разлома в породе, окружающей штрек. Технический результат – в настоящем изобретении обеспечены точные и базовые механические параметры для численной имитации деформации штрека на основе дискретных элементов, гарантирующей реалистичные и достоверные результаты имитации. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, включающий следующие этапы:

S1: в тестовом штреке, наблюдение за характеристиками деформации штрека и взятие колонок породы из угольного пласта и породной массы; запись характеристик деформации породы, окружающей штрек, и слежение за характеристиками распространения разломов в кровле и двух стенках штрека; и взятие колонок породы из кровли и угольного пласта, и запись значений RQD у колонок породы из кровли и колонок породы из угольного пласта;

S2: составление полученных по отдельности колонок породы из кровли и колонок породы из угольного пласта в стандартную интактную породу и выполнение экспериментов в отношении механических свойств для испытания интактной породы на прочность при одноосном сжатии, прочность на растяжение и модуль упругости; и, в соответствии с функциональной взаимосвязью между соотношением модуля упругости породной массы к таковому интактной породы и RQD, а также функциональной взаимосвязи между прочностью при одноосном сжатии породной массы и таковой интактной породы, определение прочности при одноосном сжатии и модуля упругости породной массы, причем прочность на растяжение породной массы составляет 0,1 от ее прочности при одноосном сжатии;

S3: создание калибровочной модели путем использования Trigon-модуля в UDEC, причем среднее значение длин боковых сторон треугольных блоков в модели определяют в соответствии с характеристиками распространения разлома, статистически проанализированными на этапе S1; путем использования прочности при одноосном сжатии, прочности на растяжение и модуля упругости породной массы, вычисленных на этапе S2, в качестве известных характеристических значений, выполнение инверсии с калибровочной моделью для получения параметров треугольного блока и параметров поверхности сочленения в модели коррекции; и

S4: создание крупноразмерной численной модели с масштабом месторождения путем использования UDEC, определение исследуемой области и разделение исследуемой области на треугольные блоки путем использования Trigon-логики, причем среднее значение длин сторон треугольных блоков и параметры треугольного блока идентичны таковым в калибровочной модели на этапе S3; формирование прямоугольных блоков с постоянно возрастающей длиной путем разделения на области за пределами исследуемой области; и, основываясь на характеристиках деформации породы, окружающей штрек, и правиле распространения разлома, которые наблюдали на этапе S1, выполнение инверсии для получения механических параметров прямоугольных блоков в крупной модели.

2. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, по п. 1, отличающийся тем, что параметры треугольного блока и общие параметры в калибровочной модели, которые получены посредством инверсии на этапе S3, соответственно, содержат размер и модуль упругости треугольного блока, а также нормальную жесткость, жесткость на сдвиг, когезию, угол трения и прочность на растяжение сочленения; и способ инверсии, в частности, включает:

a) создание по отдельности прямоугольной калибровочной модели шириной 2 м и высотой 4 м, и круглой калибровочной модели с диаметром 2 м, причем среднее значение значений длины боковой стороны треугольных блоков гарантировано согласуется с длиной разлома на основе статистических данных месторождения;

b) настройку модуля упругости треугольных блоков в модели таким образом, чтобы они равнялись таковому у породной массы, вычисленному по формуле (II);

c) выведение нормальной жесткости K_n сочленения между треугольными блоками по формуле (IV), соотношение жесткости на сдвиг K_s к K_n составляет 0,2; и определение коэффициента Пуассона μ в соответствии с изменением K_s/K_n, причем формула (IV), в частности, является следующей:

где K и G, соответственно, представляют собой объемный модуль и модуль сдвига треугольных блоков в ГПа и вычисляются согласно уравнениям K=E/3(l-2μ) и G=E/2(1+μ), μ представляет собой коэффициент Пуассона блока, а E представляет собой модуль упругости блока в ГПа; ΔZ_min представляет собой минимальную ширину соседних блоков в вертикальном направлении в м; а n равняется 10; и

d) выполнение ряда испытаний прочности при одноосном сжатии и испытания раскалывания по бразильскому методу путем использования калибровочной модели для получения кривых напряжение-деформация; применение средства итеративного метода проб и ошибок для обеспечения того, чтобы имитированные механические параметры соответствовали прочности при одноосном сжатии, прочности на растяжение и модулю упругости породной массы, вычисленным на этапе S2; и конечное выполнение инверсии для получения когезии, угла внутреннего трения и прочности на растяжение сочленения в модели.

3. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на этапе S1 устанавливают станцию измерения смещения поверхности штрека посредством перекрестной схемы, характеристики деформации породы, окружающей штрек, записывают с помощью взрывоустойчивой камеры, характеристики распространения разломов в кровле и двух стенках штрека отслеживают с помощью инструмента для наблюдения за бурением, и правило распространения значений длины разломов в поверхности буровой скважины подвергают количественной оценке посредством прорисовки бурения.

4. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, по п. 3, отличающийся тем, что RQD на этапе S1 представляет собой показатель нарушенности породы, который выражается следующим специальным уравнением:

где l представляет собой совокупную длину колонок породы в м, которая больше или равна 10 см; а L представляет собой общую длину буровой скважины.

5. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, по п. 3, отличающийся тем, что на этапе S2 функциональная взаимосвязь между соотношением модуля упругости породной массы к таковой у интактной породы и RQD выражается следующим специальным уравнением:

где E_m представляет собой модуль упругости породной массы в ГПа; а E_r представляет собой модуль упругости интактной породы в ГПа.

6. Метод дискретных элементов для моделирования развития разлома в породе, окружающей штрек, по п. 3, отличающийся тем, что на этапе S2 функциональная взаимосвязь между прочностью породной массы при одноосном сжатии и таковой у интактной породы выражается следующим специальным уравнением:

где σ_cm и σ_c представляют собой прочность при одноосном сжатии породной массы и таковой у интактной породы, соответственно, в МПа; а m равняется 0,63.