CN115577497A - 一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质，涉及煤矿开采技术领域，包括：通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H‑B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。本发明中的技术方案能够对煤矿采空区进行精密探测，分析煤岩体稳定性，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持。

Description

一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，更具体的说是涉及一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质。
背景技术
安全生产是煤矿运行之中的重中之重，煤炭作为重要的基础能源，在一次能源结构中占主导地位，在国民经济发展中具有不可替代的作用。地下煤层开采后会形成大面积采空区，而采空区赋水的具体水深及泡水之后围岩体的力学性质变化未知的情况，使得赋水采空区成为空区临近采场与巷道煤岩稳定性的重大安全隐患，易造成严重的地表塌陷、山体滑坡、地下水漏失、土地沙化、植被破坏等地质灾害和生态环境问题，影响着矿区和周边人民的正常生产和生活，制约矿区经济发展、社会稳定和生态环境的可持续发展，已经引起各部门的高度重视。
准确获取空区三维形态与空区含水量是保证矿山的开采工作与后续维护工作的重要环节，岩体力学性质特性与岩体力学参数是决定岩土工程稳定性的重要因素。只有准确了解矿山地下采空区的分布与空间形态调整，才能够针对性地采取处理措施，消除隐患。由于空区内部能见度低、通风条件较差、不具备通信条件，传统测量技术手段由于通视、通讯的原因，很难保障测量人员的人身安全和测绘生产的安全，无法适用于空区内部的测量，无法满足研究和开发的需要，必须探索和采用新的技术。
因此，如何实现采空区的精密探测以及煤岩体稳定性的分析，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质，能够对煤矿采空区进行精密探测，分析煤岩体稳定性，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤岩体稳定性检测方法，包括以下步骤：
通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
上述技术方案达到的技术效果为：可以对煤矿采空区临近区域稳定性进行分析，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持。
可选的，所述三维模型的建立，具体包括以下步骤：
根据煤矿采空区的位置，结合现场排水孔钻孔，利用激光点云技术对所述煤矿采空区进行三维扫描，获得点云数据；
利用三维地质软件对所述点云数据进行解译、滤噪处理，结合地质资料与前期施工图，建立赋水采空区水体与空区的三维几何模型。
上述技术方案达到的技术效果为：激光扫描头伸入空区后能进行水平和竖直360°旋转，直至完成整个空区扫描工作，可以对采空区进行精密探测，获取采空区三维形态并构建三维立体模型。
可选的，所述获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数，具体包括以下步骤：
根据地质钻孔的岩芯情况，进行典型煤岩体的岩样采集，对所述岩样开展室内岩石加卸载实验，获取煤矿典型煤岩体的基本岩石力学参数指标；
利用流固耦合压力试验机开展煤岩体的渗透特性力学实验，获得煤岩体的渗透性系数。
可选的，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角。
可选的，所述进行煤岩体的宏观力学参数评估，具体包括以下步骤：
将所述煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数作为煤岩体力学特性，并通过现场地质资料获得煤层地质结构特征；
基于得到的煤层地质结构特征及煤岩体力学特性，采用H-B准则获得煤岩体的宏观力学参数，以进行典型煤岩体力学特性的定量化表达，为数值模拟分析提供基础数据支撑。
可选的，所述获取煤岩体稳定性的评价结果，具体包括以下步骤：
利用FLAC3D软件进行基于流固耦合的赋水空区煤岩体稳定性研究，通过数值模拟计算手段，获取赋水空区临近区域煤岩体的围岩位移场、应力场的分布特征；
通过FLAC3D的数值模拟，计算采空区的岩体应力值和塑性区变化范围，获得煤岩体稳定性的评价结果。
上述技术方案达到的技术效果为：可利用流固耦合方法计算赋水空区周围岩体的稳定性并提供安全评价，还能进一步研究采空区塌陷规律，***采空区积水量，向生产中心提供相应的出水量，合理布置巷道内排水管的大小，避免重复投工铺设排水管，同时为安全生产提供保证。
本发明还提供了一种煤岩体稳定性检测***，包括：模型建立模块、试验模块、评估模块、稳定性评价模块，且各结构依次连接；
所述模型建立模块，通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
所述试验模块，用于采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
所述评估模块，根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
所述稳定性评价模块，通过结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
可选的，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角。
本发明还提供了一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上所述煤岩体稳定性检测方法的步骤。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种煤岩体稳定性检测方法、***及可存储介质，具有以下有益效果：
(1)本发明可以对煤矿采空区三维形态进行精准建模，通过三轴流固耦合压力试验机获得卸荷岩体渗透力学特性，并利用H-B强度准则全面、科学、***的评价煤矿岩体力学参数，最终利用流固耦合数值模拟方法对煤矿采空区临近区域进行煤岩体稳定性分析，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持；
(2)本发明采用三维激光进行采空区探测，空区激光三维扫描仪能够发射和接收激光，并通过软件记录反射点的空区坐标信息；激光扫描头伸入空区后能进行水平和竖直360°旋转，直至完成整个空区扫描工作，再通过对扫描数据进行处理和编辑，在建模软件中构建采空区三维立体模型，可实现对采空区的精密探测；
(3)本发明还可以进一步研究采空区塌陷规律，***采空区积水量，向生产中心提供相应的出水量，合理布置巷道内排水管的大小，避免重复投工铺设排水管，同时为安全生产提供保证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为煤岩体稳定性检测方法的流程图；
图2为煤岩体稳定性检测***的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
早期的工程空区探测主要采用钻探技术，近年来有越来越多的矿山应用物探技术对采空区进行探测，各种地球物理方法以各自的优势得到了广泛的应用，但往往受复杂地质环境的限制，需结合多种方法相互验证，探测所得结果精度较低，在探测完成后需要对所得数据进行专业的解释，劳动量大且过程繁琐，探测的采空区边界往往为二维甚至是一维的定性数据，可视化效果差，不能精确绘制出用以准确分析采空区的三维图形。
对于井下煤矿而言，赋水采空区是空区临近采场与巷道煤岩稳定性的重大安全隐患，准确获取空区三维形态与空区含水量是评价空区及其临近采场、巷道稳定性的关键。为此，本发明实施例公开了一种煤岩体稳定性检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
进一步地，所述三维模型的建立，具体包括以下步骤：
根据煤矿采空区的位置，结合现场排水孔钻孔，利用激光点云技术对所述煤矿采空区进行三维扫描，获得点云数据；利用三维地质软件对所述点云数据进行解译、滤噪处理，结合地质资料与前期施工图，建立赋水采空区水体与空区的三维几何模型。
三维激光扫描仪采用高速非接触式激光测量方法，可以在三维空间内对复杂的物体进行360度全景快速扫描，并能实时获取激光扫描点云数据，点云数据通过逆向工程软件或矿业工程软件进行点云过滤、拼接及三维建模，获得三维空间下的物体三维形态，能够精确地扫描出复杂空区实际空间分布状况，扫描所得的三维点云数据及生成的复杂空区三维表面模型能够使地下不明空区可视化，提供更为直观的数字信息。因此，利用三维激光探测法进行采空区探测，可提高采空区探测数据的准确性、可靠性和实用性，将传统的定性探测提高到精确三维定位的水平，可以为采空区煤矿的持续安全开采提供详尽的信息。
进一步地，所述获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数，具体包括以下步骤：
根据地质钻孔的岩芯情况，进行典型煤岩体的岩样采集，对所述岩样开展室内岩石加卸载实验(可对卸荷煤岩体进行浸泡实验，对干燥和饱水的试件开展单轴压缩、直剪与巴西劈裂实验)，获取煤矿典型煤岩体的基本岩石力学参数指标；利用三轴流固耦合压力试验机开展煤岩体的渗透特性力学实验，获得煤岩体的渗透性系数。其中，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角等。
进一步地，所述进行煤岩体的宏观力学参数评估，具体包括以下步骤：
将煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数作为煤岩体力学特性，并通过现场地质资料获得煤层地质结构特征；基于得到的煤层地质结构特征及煤岩体力学特性，采用H-B准则获得煤岩体的宏观力学参数，以进行典型煤岩体力学特性的定量化表达，为数值模拟分析提供基础数据支撑。
进一步地，所述获取煤岩体稳定性的评价结果，具体包括以下步骤：
利用FLAC3D软件进行基于流固耦合的赋水空区煤岩体稳定性研究，通过数值模拟计算手段，获取赋水空区临近区域煤岩体的围岩位移场、应力场的分布特征；通过FLAC3D的数值模拟，计算采空区的岩体应力值和塑性区变化范围，获得煤岩体稳定性的评价结果。
此外，还可以进一步对采空区的塌陷形式与采空区塌陷范围进行预测，研究采空区塌陷规律，***采空区积水量，向生产中心提供相应的出水量，合理布置巷道内排水管的大小，避免重复投工铺设排水管，同时为安全生产提供保证。
本实施例公开了一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上所述煤岩体稳定性检测方法的步骤。
具体地，在本实施例中可利用的实验设备在常规岩石室内试验设备的基础上，还拥有YAG-3000微机控制岩石刚度试验机、温度-应力-渗流-化学腐蚀耦合的岩石三轴流变试验***、伺服控制岩石直剪试验机、相似材料模型试验台和高应力硬岩真三轴试验***和Rockman 2000型高压三轴***等设备，其中高应力真三轴试验***三个方向的应力可独立加载和控制，三个方向的最大压力分别为1000MPa、1000MPa和100MPa，有效解决了高应力加载问题。此外还拥有Hyperion HNSI型声发射***(高频125Hz-750kHz)、24通道高频段SH-II声发射***和微震(低频10Hz)监测设备数据采集***，上述仪器与设备为研究硬岩时效损伤致灾的力学特性研究提供硬件平台。同时还可配置联想1800并行计算机(32个双核CPU，具有每秒8000亿次的浮点运算速度和4TG的光纤磁盘阵列)、3GSM数字照相扫描***、多物理场耦合分析有限元软件***Comsol Multiphysics 3.5、用于地质建模及虚拟现实的软件***Gocad、进行岩体稳定性分析的Geo Studio 6.0软件以及FLAC、UDEC、PFC等数值分析软件，可为本实施例的精细数值分析和程序开发工作提供良好的软件平台，也可利用其他实验设备获取结果，此处不做限制。
实施例2
本发明实施例公开了一种煤岩体稳定性检测***，如图2所示，包括：模型建立模块、试验模块、评估模块、稳定性评价模块，且各结构依次连接；
所述模型建立模块，通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
所述试验模块，用于采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
所述评估模块，根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
所述稳定性评价模块，通过结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
具体地，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角等。
基于以上内容可见，本技术方案可以对煤矿采空区三维形态进行精准建模，通过三轴流固耦合压力试验机获得卸荷岩体渗透力学特性，并利用H-B强度准则全面、科学、***的评价煤矿岩体力学参数，最终利用流固耦合数值模拟方法对煤矿采空区临近区域进行煤岩体稳定性分析，为煤矿的安全生产提供技术保障和安全支持。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，所述三维模型的建立，具体包括以下步骤：
根据煤矿采空区的位置，结合现场排水孔钻孔，利用激光点云技术对所述煤矿采空区进行三维扫描，获得点云数据；
利用三维地质软件对所述点云数据进行解译、滤噪处理，结合地质资料与前期施工图，建立赋水采空区水体与空区的三维几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，所述获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数，具体包括以下步骤：
根据地质钻孔的岩芯情况，进行典型煤岩体的岩样采集，对所述岩样开展室内岩石加卸载实验，获取煤矿典型煤岩体的基本岩石力学参数指标；
利用流固耦合压力试验机开展煤岩体的渗透特性力学实验，获得煤岩体的渗透性系数。
4.根据权利要求1所述的一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角。
5.根据权利要求1所述的一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，所述进行煤岩体的宏观力学参数评估，具体包括以下步骤：
将所述煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数作为煤岩体力学特性，并通过现场地质资料获得煤层地质结构特征；
基于得到的煤层地质结构特征及煤岩体力学特性，采用H-B准则获得煤岩体的宏观力学参数，以进行典型煤岩体力学特性的定量化表达。
6.根据权利要求1所述的一种煤岩体稳定性检测方法，其特征在于，所述获取煤岩体稳定性的评价结果，具体包括以下步骤：
利用FLAC3D软件进行基于流固耦合的赋水空区煤岩体稳定性研究，通过数值模拟计算手段，获取赋水空区临近区域煤岩体的围岩位移场、应力场的分布特征；
通过FLAC3D的数值模拟，计算采空区的岩体应力值和塑性区变化范围，获得煤岩体稳定性的评价结果。
7.一种煤岩体稳定性检测***，其特征在于，包括：模型建立模块、试验模块、评估模块、稳定性评价模块，且各结构依次连接；
所述模型建立模块，通过三维扫描技术，获取空区数据并进行三维模型的建立；
所述试验模块，用于采集典型煤岩体的岩样，对干燥与饱水的煤岩体试件进行室内岩体力学测试，获取煤岩体的基本岩石力学参数指标与渗透性系数；
所述评估模块，根据地下水条件与室内岩体力学测试，采用H-B强度准则进行煤岩体的宏观力学参数评估；
所述稳定性评价模块，通过结合赋水空区三维形态、水体情况、地质条件、岩体力学特性，利用数值模拟进行煤岩体的流固耦合计算分析，获取煤岩体稳定性的评价结果。
8.根据权利要求7所述的一种煤岩体稳定性检测***，其特征在于，所述基本岩石力学参数指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角。
9.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述煤岩体稳定性检测方法的步骤。
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