1.一种采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于步骤如下:步骤一、根据采矿地质条件初步确定壁式连采连充工作方案,包括工作面布置方式、工作面采充方式、采场支巷采充顺序;
步骤二、根据连采连充工作方案,分析承载充填体的初始受力特征获得承载充填体的初始损伤信息,之后利用蠕变方程计算连采连充承载充填体的长期变形规律;
步骤三、通过初始损伤以及蠕变变形规律是否超过充填体的设计变形量判断承载充填体是否破坏失稳;若失稳,则调整步骤一连采连充工作方案中的开采参数减少承载充填体的承载需求,或调整充填材料配比以提高承载充填体支撑强度,然后重复步骤二重新判断承载充填体稳定性;若充填体稳定,则确定满足稳定承载的充填体允许变形范围,给出承载充填体第一次变形约束条件;
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步骤四、定义覆岩渗流隔离带渗透系数小于10 m/s可保持阻水稳定性,计算承载充填体第一次变形约束条件下采动覆岩渗透率演化规律,通过比较判断其能否保持阻水稳定性,若不能,则再次调整步骤一所述的开采参数或充填材料配比,依次经步骤二、步骤三后重新判断渗流隔离带能否有效阻水;若可以,则确定满足覆岩渗流隔离带阻水稳定性的充填体允许变形范围,给出承载充填体第二次变形约束条件;
步骤五、当承载充填体变形满足自身承载稳定性与渗流隔离带阻水稳定性的双重约束条件时,即可实现采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制。
2.根据权利要求1所述的采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于:步骤一中:连采连充工作面布置方式主要包括采场支巷的单翼布置与双翼布置;工作面采充方式主要包括采场支巷的全采全充、全采局充、局采全充及局采局充;采场支巷采充顺序主要包括开采阶段的划分,以及同一开采阶段内采场支巷采充顺序的调整。
3.根据权利要求1所述的采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于,步骤二中:对传统不能表征初始损伤的塑性损伤原件进行改进,得到考虑初始损伤与蠕变损伤叠加效应的能够描述蠕变加速阶段的非线性塑性损伤元件NPDM,并与常用的Hook体、Kelvin体以及Bingham流变力学元件串联,构建连采连充承载充填体蠕变本构模型;
式中,σds为偏应力,单位MPa;σsB为等速蠕变启动应力,单位MPa;σsN为加速蠕变启动应力,单位MPa;KH为Hook体体积模量,单位GPa;KB为Bingham体体积模量,单位GPa;GH为Hook体剪切模量,单位GPa;GK为Kelvin体剪切模量,单位GPa;GB为Bingham体剪切模量,单位GPa;ηK为Kelvin体粘滞系数;ηB为Bingham体粘滞系数;D0为损伤变量,r为充填体材料常数。
4.根据权利要求1所述的采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于,步骤三中,开采参数包括采连充工作面一次性采掘巷道的宽高比、开采阶段数、充填体的稳定承载强度,具体的调整方法为:
a1调整连采连充工作面一次性采掘巷道的宽高比,宽高比越大,开采暴露的顶板面积越大,对充填体的承载能力要求越高;
a2调整连采连充工作面开采阶段数,开采阶段数越小,采煤作业与充填作业间隔越近,充填体上方应力集中系数越大,对充填体的承载能力要求越高;
a3调整充填体的凝固时间与稳定承载强度,在保证稳定承载强度的前提下跟上充填进度。
5.根据权利要求4所述的采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于步骤三中判断承载充填体是否发生破坏失稳的步骤如下:b1研究工作面当前覆岩、煤柱与承载充填体之间的相互作用关系,分析充填体发挥承载作用的时间相关性,其中,承载充填体发挥作用的应变量需达到:式中,λ1与λ2为充填体应力应变关系拟合系数;N为连采连充开采阶段数,具体为2~5;n表示连采连充过程中第n个开采阶段;E1与E2分别表示煤与充填体的弹性模量;q为覆岩载荷;
b2分析充填体与覆岩,特别是直接顶相互挤压过程中应变能积聚与充填体发生应变软化后应变能的转化与释放特征,得出承载充填体破坏失稳能量平衡方程为:式中,κ为修正系数;Ein为充填体初始弹性模量;Sfill为充填体与覆岩相互作用的面积;
εav为充填体峰值应变平均值;λ是与曲线形态相关的系数,其物理意义为表征材料的均质程度,λ应大于1,且λ值越大表明材料的软化程度越高;ke为直接顶刚度;
b3建立承载充填体尖点突变失稳模型,将巷道宽高比、开采阶段数、充填体强度及凝固时间参数输入尖点突变稳定性判别式中,分别计算控制变量a与b的值;
其中控制变量a与b具体为:
式中,Q(v0)为充填体位移为v0时的内力;Q′(v0)=dQ(v0)/dv0为充填体内力的一阶导数;ke为顶板的刚度; vr为顶板的位移;
尖点突变模型稳定性判别式为:
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△c=4a+27b (5)△c表示尖点突变模型的稳定性判别式,其中△c=0时,表示尖点突变模型的分叉点集,△c<0表示失稳,△c>0表示稳定;当控制变量a≥0时,不论b取何值,系统始终处于稳定状态,承载充填体发生渐进破坏,不发生冲击性失稳;
b4利用公式(5)确定出承载充填体突变失稳临界条件,给出公式(2)中各参数的取值范围,由公式(1)与(2)联立,计算出充填体稳定承载的蠕变时间范围,由此得出承载充填体的允许变形范围。
6.根据权利要求1所述的采动覆岩渗流隔离带阻水稳定性控制方法,其特征在于计算采动覆岩渗透率演化规律的具体步骤如下:c1分析承载充填体与岩层的垫层力学特征,得到充填体蠕变影响下采动覆岩挠曲变形规律;
c2建立岩石应变与渗透率之间耦合关系,建立采动覆岩渗透率数值计算模型,研究充填体给定变形下采动覆岩渗透率演化规律;考虑岩石损伤的影响条件下,岩石渗透率(krt)与有效应力的关系满足式(6):
其中,κf为次生裂隙对渗透性的影响系数;DR为岩石损伤变量; 与 分别为岩石整体与岩石孔隙体积模量,σeft与σef0分别表示受采充影响与初始状态岩石有效应力。