基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法

技术领域

本申请涉煤矿安全防治技术领域，尤其涉及一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法。

背景技术

目前，在大采高工作面进行大面积开采后，采空区上方的岩层在重力作用下产生变形和移动，产生覆岩破坏。覆岩破坏是影响河下大采高采矿的安全性的一个重要因素，认清覆岩破坏的发育高度及其分布形态是实现水体下安全采煤的关键。其中，煤矿开采顶板“两带”发育高度是矿井顶板水害影响评价和防治水工程布设的关键技术参数，是矿井顶板水防治的主要工作依据，关系到探放水钻孔设计、防水煤柱留设和矿井及采煤工作面涌水量估算等多项重要举措。

相关技术中，在确定“两带”发育高度时，通常是根据地质勘探报告中提供的数据，采用经验数据计算公式计算两带高度。然而，由于该经验数据计算公式仅适用于限定条件下的开采场景，与实际应用中的各种采煤工艺不符，因此相关技术中的计算方案具有较高的限制性，无法准确的确定各个工作面的两带发育高度。并且，该方案的计算结果较为单一，无法从整体上实现对大采高覆岩破坏分析。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法。该方法可以准确、全面的获得工作面的覆岩破坏规律，提高覆岩破坏的发育高度计算的准确性。有利于保证矿井的安全合理开采。

本申请的第二个目的在于提出一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统。

本申请的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

为达上述目的，本申请第一方面提出了一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法，该方法包括：

在大采高工作面的采空区上方设置多个观测钻孔，基于所述多个观测钻孔，通过钻孔冲洗液漏失量观测法和彩色钻孔电视观测法，分别对所述大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测；

对所述大采高工作面设置水文补充勘查钻孔，采集不同岩层中的岩心样本，并对所述岩心样本进行测试，测定所述岩心样本的密度、多个力学强度参数、声发射特征和组构特征；

在三维数值计算软件中建立针对所述大采高工作面的三维地质模型，基于所述岩心样本的测试结果调整所述三维地质模型的力学参数，并基于调整后的三维地质模型进行数值模拟，通过分析数值模拟结果获得所述大采高工作面的覆岩破坏规律、垂直应力分布规律和垂直位移场分布规律；

对比两带高度实测结果和覆岩破坏数值模拟结果，根据所述实测结果对数值模拟得到的应力场和位移场的变化进行验证和修正，并确定大采高覆岩破坏特征。

另外，本申请实施例的基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法还具有如下附加的技术特征：

可选地，在一些实施例中，所述设置多个观测钻孔，包括：设置所述多个观测钻孔的孔位、孔数和孔径，其中，所述设置所述多个观测钻孔的孔位，包括：沿工作面推进方向，确定在工作面预设数量个周期来压之后的第一区域；根据两带高度经验公式计算最大导水裂隙带高度，并根据所述最大导水裂隙带高度确定待布置孔位的第二区域；确定所述第一区域和所述第二区域的交叉区域，并结合工作面倾斜方向、覆岩破坏形态特征和现场条件，在所述交叉区域中选定在工作面的上顺槽和下顺槽附近的多个目标位置，将所述多个观测钻孔分别布置在对应的目标位置处。

可选地，在一些实施例中，通过所述钻孔冲洗液漏失量观测法对所述导水裂隙带的高度进行实测，包括：在钻孔钻进过程中根据冲洗液漏失量确定各类反水现象，剔除岩层特性对冲洗液漏失的影响，将稳定出现不反水现象时的深度作为所述导水裂隙带的顶点埋深；通过所述钻孔冲洗液漏失量观测法对所述垮落带的高度进行实测，包括：在钻孔钻进过程中观测钻孔水位的变化状况，将水位变化至零且出现多种钻机异常时的深度作为所述垮落带的顶点埋深。

可选地，在一些实施例中，在所述对所述钻探过程中涉及的含水层进行抽水试验之前，还包括：选取抽水设备，调整选取的抽水设备至额定工作状态下进行最大降深的试验抽水；根据试验抽水的结果初步确定当前的含水层的出水能力，并选取用于所述抽水试验的目标抽水设备。

可选地，在一些实施例中，在所述分别对所述大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测之后，还包括：

通过以下公式计算所述导水裂隙带的所述实测高度：

H

其中，H

通过以下公式计算所述垮落带的所述实测高度：

H

其中，H

可选地，在一些实施例中，所述多个力学强度参数，包括：抗拉强度、单轴抗压强度、抗剪切强度、弹性模量和泊松比；测定所述岩心样本的所述声发射特征，包括：通过电液伺服试验机进行三轴试验，测量不同围压下所述岩心样本的应力-应变曲线和声发射事件曲线；测定所述岩心样本的所述组构特征，包括：对所述岩心样本进行X射线衍射定量分析，测定所述岩心样本中各种矿物质的占比；对所述岩心样本进行扫描电镜测试分析，测定所述岩心样本中各种矿物质的分布特征和所述岩心样本的裂隙特征。

可选地，在一些实施例中，所述在三维数值计算软件中建立针对所述大采高工作面的三维地质模型，基于所述岩心样本的测试结果调整所述三维地质模型的力学参数，包括：根据工作面地质条件、煤岩条件和钻孔资料，确定所述三维地质模型的结构参数，并根据不同区域的计算权重调整所述三维地质模型的单元疏密度；设置所述三维地质模型的边界条件；基于测定的所述多个力学强度参数，确定所述三维地质模型中各个含煤岩层的力学参数；设定岩体破坏的判别准则。

可选地，在一些实施例中，所述获得所述大采高工作面的覆岩破坏规律，包括：模拟覆岩破坏过程，生成多个塑性区分布图；根据所述多个塑性区分布图分析破坏场的形态特征和破坏发展趋势，并确定拉张破坏区和拉张裂隙区的分布特征。

可选地，在一些实施例中，所述确定大采高覆岩破坏特征，包括：根据数值模拟结果，导出所述三维地质模型中各个节点的力学参数，并将所述各个节点的力学参数代入预设的计算公式获得所述各个节点的材料安全系数值；根据所述各个节点的材料安全系数值，计算大采高工作面的垮落带高度、垮采比、导水裂缝带高度和裂采比，并结合所述大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的实测数据，得到所述大采高覆岩破坏特征数据表。

为实现上述目的，本发明第二方面提出了一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统，包括：

两带高度实测模块，用于在大采高工作面的采空区上方设置多个观测钻孔，基于所述多个观测钻孔，通过钻孔冲洗液漏失量观测法和彩色钻孔电视观测法，分别对所述大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测；

岩石测试模块，用于对所述大采高工作面设置水文补充勘查钻孔，采集不同岩层中的岩心样本，并对所述岩心样本进行测试，测定所述岩心样本的密度、多个力学强度参数、声发射特征和组构特征；

数值模拟模块，用于在三维数值计算软件中建立针对所述大采高工作面的三维地质模型，基于所述岩心样本的测试结果调整所述三维地质模型的力学参数，并基于调整后的三维地质模型进行数值模拟，通过分析数值模拟结果获得所述大采高工作面的覆岩破坏规律、垂直应力分布规律和垂直位移场分布规律；

对比分析模块，用于对比两带高度实测结果和覆岩破坏数值模拟结果，根据所述实测结果对数值模拟得到的应力场和位移场的变化进行验证和修正，并确定大采高覆岩破坏特征。

本申请第三方面实施例提出了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行本申请第一方面公开的基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本申请通过选取典型地层条件或特殊条件下工作面布置“两带”观测钻孔，采用地面钻孔冲洗液法、彩色钻孔电视观测法实地观测工作面煤层回采后导水裂隙带、垮落带发育高度。并对煤田整体进行覆岩破坏预计分析，结合数值模拟技术手段，能够从宏观角度分析研究出煤田大采高工作面的覆岩破坏规律。本申请通过现场测试获得的准确、可靠的覆岩破坏高度数值，以及通过宏观数值模拟技术分析得到的工作面推进过程中的多个覆岩破坏规律，通过两种研究方法的对比，能够准确和全面的了解工作面覆岩破坏情况并对破坏进行预计。从而，本申请能够为实现水体下安全采煤提供可靠的依据，有利于正确指导安全开采上限的合理确定和保证矿井的安全合理开采，并为煤田矿井顶板水害防治提供数据支持。由此，本申请提高了水体下采煤的安全性和可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提出的一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法的流程图；

图2为本申请实施例提出的一种观测钻孔的孔位确定方法的流程图；

图3为本申请实施例提出的一种钻孔的冲洗液漏失量观测结果的示意图；

图4为本申请实施例提出的一种钻孔的水位变化观测结果的示意图；

图5为本申请实施例提出的一种三维地质模型的设计方法的流程图；

图6为本申请实施例提出的一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法及系统。

图1为本申请实施例提出的一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101，在大采高工作面的采空区上方设置多个观测钻孔，基于多个观测钻孔，通过钻孔冲洗液漏失量观测法和彩色钻孔电视观测法，分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测。

需要说明的是，在大采高等长壁工作面采用全部垮落法等方式进行大面积开采后，采空区上方的岩层在重力作用下产生变形和移动，并且可能波及到地表。由于开采空间与上覆岩层的距离不同，不同位置处岩层的变形和移动有一定的差异。从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲，经过若干时间终止移动。移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，覆岩破坏类型可划分为“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中裂隙带和弯曲下沉带合称为导水裂隙带，即本申请中测量发育高度的垮落带和导水裂隙带可简称为“两带”，后续不再赘述。由于两带发育高度可以最为直观的体现覆岩破坏情况，因此，为便于研究覆岩破坏规律和保证井下开采安全，先对两带发育高度进行实测。

具体的，本申请通过在地面施工钻孔观测两带高度，并采用地面钻孔冲洗液消耗量观测法和彩色钻孔电视观测法相结合的综合观测方法进行观测，以进一步提高两带高度实测的准确性。

其中，地面钻孔冲洗液消耗量观测法是指在采空区地面布置一定数量的钻孔，通过观测钻孔中冲洗液漏失量和钻孔水位变化等各种异常现象，确定导水裂缝带高度；根据观测卡钻、掉钻、吸风等钻机异常，确定垮落带高度；并利用岩心观察及地质描述等资料来综合判定覆岩破坏特征。彩色钻孔电视观测法是指利用自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面直接观测地下钻孔的地质构造，并进行图像记录。钻孔彩色电视观测法是根据钻孔图像资料信息，直接识别岩性、裂隙、空洞和软弱夹层的位置，判别垮落与裂缝带高度。

具体实施时，为了能够充分的运用上述两种方法对两带高度进行实测，在大采高工作面的采空区上方设置多个观测钻孔的孔位、孔数、孔径、施工时间及施工要求都需要合理设置，以便准确观测出“两带”发育规律。

在本申请一个实施例中，设置多个观测钻孔，包括：设置多个观测钻孔的孔位、孔数和孔径，其中为了更加清楚的说明本申请确定孔位的实现方式，下面以本实施例中提出的一种观测钻孔的孔位确定方法进行示例性说明。图2为本申请实施例提出的一种观测钻孔的孔位确定方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S201，沿工作面推进方向，确定在工作面预设数量个周期来压之后的第一区域。

具体的，周期来压是指随着工作面的持续推进，老顶悬露的跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落，随工作面的推进老顶这种垮落现象周而复始的出现。为充分对垮落破坏进行观测，本申请将钻孔设置在预设数量个周期来压之后区域，即第一区域。

举例而言，可以沿工作面推进方向，将钻孔布置在工作面第2个周期来压的以后位置。

步骤S202，根据两带高度经验公式计算最大导水裂隙带高度，并根据最大导水裂隙带高度确定待布置孔位的第二区域。

具体的，本实施例还根据相关规范文件中的两带高度经验公式，对当前待研究的煤层开采覆岩破坏导水裂隙带高度进行预计，根据预计的高度确定钻孔的孔位，以便可以完全、充分的观测出整个导水裂隙带的高度。

举例而言，假设当前待研究的煤层开采厚度为10m，为对钻孔进行合理设计，选取中硬岩层预计公式，计算最大导水裂隙带高度为129.47m。因此，两带孔位置应布置在当前待研究的煤层距砂砾含水层厚度大于130m的区域，该区域即为第二区域。

步骤S203，确定第一区域和第二区域的交叉区域，并结合工作面倾斜方向、覆岩破坏形态特征和现场条件，在交叉区域中选定在工作面的上顺槽和下顺槽附近的多个目标位置，将多个观测钻孔分别布置在对应的目标位置处。

具体的，通过上述两个步骤确定第一区域和第二区域是布置钻孔的待选区域，应当在这两个区域中确定孔位以便进行合理充分的观测，因此，确定第一区域和第二区域的交叉区域，以同时满足两类要求。

进一步的，根据工作面倾斜方向确定工作面的上顺槽和下顺槽，由于垮落带和导水裂缝带的高度发育形态(即覆岩破坏形态特征)通常为“马鞍形”。对于本申请采用2观测方法进行综合观测时，可以确定钻孔的孔数为2即可满足要求，进而确定在上、下顺槽附近各布置1个钻孔。

具体实施时，在沿工作面倾斜方向，将钻孔布置在上顺槽和下顺槽附近时，为了观测导水裂缝带发育高度最大值，需结合现场实际情况进行确定钻孔的具体位置。举例而言，现场条件包括但不限于：第一，有无保护煤柱和其他设备影响钻进。第二，煤层的厚度、走势和倾角是否利于施工。第三，煤层顶板的地质信息等。本示例中可将钻孔布置在工作面两顺槽中部的附近位置。

进而，在交叉区域中选定在工作面的上顺槽和下顺槽附近的多个目标位置后，根据目标位置的坐标，将多个观测钻孔分别布置在对应的目标位置处。比如，在上述示例中为两个位置，根据每个位置的经纬度，则将2个钻孔分别设置在对应的目标位置处。

由此，本申请通过合理的确定多个观测钻孔的孔位，可以提高两带高度实测的全面性和准确性。

在本申请一个实施例中，具体进行钻进施工时，还根据孔位下各岩层的特征和观测区域设置钻孔的结构，包括不同区域的孔径。举例而言，设计松散层中下放套管，钻孔开孔孔径为

进一步的，按照相关规程要求对观测钻孔进行施工，并遵循相关的注意事项和流程进行高度观测。举例而言，在执行钻孔冲洗液漏失量观测法时，开钻后，测定一次水源箱的水位，并记录开钻时间、钻孔深度，每钻进0.5m再测定和记录一次。当漏失量变大时，缩短为0.3m测定和记录一次。完成一个回次以后，再测定和记录一次。并用钢尺测出该回次的实际进尺量。当冲洗液循环中断时，及时记录孔深和时间，当冲洗液恢复循环时，同样记录孔深与时间。当钻孔内冲洗液循环中断时，根据实际情况进行注水试验，即将钻具提出孔外，然后用泵直接向孔内注入清水，再通过水源箱测定水量的漏失情况，注水试验时要求注水量大于漏失量。由此，可以保证观测数据完整可靠。

又比如，在钻孔钻进过程中对岩石进行取芯，并准确判断岩层的层位、岩性、倾角、风化带深度及描述岩心的风化、破碎状况等。确保终孔深度是按要求钻进至垮落带顶点位置。

更进一步的，按照上述方式进行钻进后，基于多个观测钻孔通过钻孔冲洗液漏失量观测法和彩色钻孔电视观测法，分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测，再分析各个钻孔的观测成果，以获取两带的实测数据。下面对通过观测成果确定两带实测高度的过程进行详细说明。

在本申请一个实施例中，可以首先通过钻孔揭露地层特征，包括涉及的各个岩层的厚度和岩性等。举例而言，对于某个钻孔总进尺401.4m，并进行全孔地质编录。钻孔揭露松散层厚度为3.80m，基岩段取芯钻进，该煤层的顶板以砾岩、泥岩、砂质泥岩为主，局部有砂岩夹层，其中砾石层厚度为249.4m，坚硬固结较好的粗砾岩为18m。

然后，根据冲洗液漏失量观测成果确定导水裂隙带的顶点埋深。在本实施例中，通过钻孔冲洗液漏失量观测法对导水裂隙带的高度进行实测，具体包括：在钻孔钻进过程中根据冲洗液漏失量确定各类反水现象，剔除岩层特性对冲洗液漏失的影响，将稳定出现不反水现象时的深度作为导水裂隙带的顶点埋深。

其中，各类反水现象包括：持续返水、不返水和间断式返水等，可以根据不同深度下的冲洗液漏失量确定返水现象，比如，当冲洗液完全漏失时，则为不返水现象。

举例而言，对于某个钻孔的冲洗液漏失量观测结果如图3所示。钻孔在松散层下套管并固管，在基岩段钻孔开始清水钻进。钻孔总进尺为401.4m，当钻进至191.4m时第1次出现不返水现象，而由于煤层埋深为453m，距煤层261.6m，与煤层间距大，分析该位置可能为巨厚砾石层中部离层带(即对应上述分析岩层特性)，造成冲洗液完全漏失。从而在确定是由于岩层特性导致冲洗液漏失时，不将该深度作为顶点埋深而是继续钻进，避免岩层特性对冲洗液漏失的影响造成顶点埋深的误判(即对应上述剔除岩层特性对冲洗液漏失的影响)。继续参照图3可知，在之后出现断断续续的返水，分析出可能是由于弱胶结砾石层裂隙较发育，而直到稳定基岩段320.4m时完全不返水，再未出现返水现象，冲洗液全部漏失，循环终止，则将该位置作为导水裂隙带的顶点埋深。

其次，本实施例还结合钻孔水位观测成果对垮落带的顶点埋深进行实测。在本实施例中，通过钻孔冲洗液漏失量观测法对垮落带的高度进行实测，包括：在钻孔钻进过程中观测钻孔水位的变化状况，将水位变化至零且出现多种钻机异常时的深度作为垮落带的顶点埋深。

举例而言，对于某个钻孔的水位变化观测结果如图4所示。由图4可知，随着该钻孔进尺的增大，水位逐渐下降，但在191.4m之前水位降深缓慢，钻进至191.4m时冲洗液漏失量完全消失，同时水位突降，分析是由于巨厚砾石层中岩层内部存在局部岩性差异导致离层产生，但由于整体岩性相差较小，离层空间较小，且容易受遇水崩解松散砾石填充空间，为此钻孔电视观看的离层未能发现较大落差空间，仅能看出离层边界线。之后钻孔中无水位，直到275.4m时钻孔中逐渐有水位，表明该地层下较完整，无明显漏失。钻进至305.4m下套管，固管后水位明显升高，随着孔深的增大，水位逐渐降低，钻进至397.4m时钻孔中已无水，即水位降至零，且出现“掉钻”现象；钻进速度时快时慢；并且发生卡钻及钻具震动加剧的现象，造成钻杆顶部连接杆扭断；钻孔孔口有明显的吸风现象，则将该位置作为垮落带的顶点埋深。

再者，本实施例还结合彩色钻孔电视观测成果确定导水裂隙带和垮落带的顶点埋深。继续以上述示例中的某钻孔作为示例，该钻孔中通过彩色钻孔电视法观测采动裂隙发育特征。分析观测结果可以得到采动裂隙已发育至侏罗系基岩顶部约320.35，与冲洗液漏失观测成果一致；随着钻孔深度的增大，采动裂隙逐渐发育，即煤层附近顶板裂隙发育，裂隙以“倾斜”型为主；397.4m处孔壁已出现小空洞，向深部空洞更明显，表明垮落带发育至该位置。

由此，通过上述示例中的冲洗液漏失量、钻孔水位和钻孔电视等多种观测方法，可以确定该钻孔对应位置的煤层埋深为453m(孔口标高+1257m，煤层顶板标高+804m)，钻孔总进尺为401.4m；判定该钻孔导水裂隙带已发育至侏罗系基岩顶部，裂隙带顶点埋深约为320.4m，垮落带顶点埋深为397.4m。

需要说明的是，对于多个观测钻孔中的每个钻孔，均可以按照上述实施例中所述的方式进行两带高度的实测，实现方式相同，此处不再赘述。其中，在按上述方式进行垮落带高度观测时，若出现钻孔塌孔等异常，应及时停止钻进观测，以保证安全性。

再进一步的，在分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测之后，还可以根据实测数据进行两带发育高度的计算，以根据实测数据确定实测高度。

具体实施时，在本申请一个实施例中，在分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测之后，还包括：通过以下公式计算导水裂隙带的所述实测高度：

H

其中，H

通过以下公式计算垮落带的所述实测高度：

H

其中，H

继续参照上述示例中的钻孔得到实测数据进行说明，若第二个钻孔发生塌孔，仅观测到导水裂隙带的实测数据，则将上述示例中两个钻孔得到实测数据代入上述计算公式计算两带实测高度后，可以得到如下表1所示的两带高度实测数据。

表1两带高度实测数据表

由上述表1可知，这两个钻孔的导水裂缝带高度和垮落带高度相差较小；两个钻孔裂隙带发育顶点均在巨厚砾石层底板以下，均位于覆岩采动破坏高度统计的范围内，表明实际观测成果的一致性较好。通过以上综合分析，本次观测煤层距砾石层底板基岩厚度较大且裂隙带未发育到砾石层，覆岩破坏“两带”高度垮采比为5.6，裂采比为13.3。实测的“两带”高度与经验公式预计结果接近，表明实测结果可靠。

由此，基于实测结果可得，若基岩较薄，裂隙带发育至砾石层时，从防治水安全考虑建议按整个砾石层厚度进行预计分析，或者进一步对砾石层分段细化研究后进行水害防治分区划分。

步骤S102，对大采高工作面设置水文补充勘查钻孔，采集不同岩层中的岩心样本，并对所述岩心样本进行测试，测定岩心样本的密度、多个力学强度参数、声发射特征和组构特征。

具体的，对大采高工作面现场施工的水文补充勘查钻孔采取优质岩心，并进行实验室加工制作标准岩样，再对岩心样本进行测试分析顶板岩层物理力学性质，测定出多个物理力学参数，并测定岩石的组构特征及组成成分，以确定煤田的覆岩类型，从而能够为工作面覆岩破坏数值模拟提供依据和数据支撑。可以理解的是，由于在钻进过程中对不同岩层进行了岩心取样，对于不同岩层中的岩心样本可按照相同的方式进行测试。

其中，对于不同的待测数据采用不同的测试方法。在本申请一个实施例中，多个力学强度参数，包括：抗拉强度、单轴抗压强度、抗剪切强度、弹性模量和泊松比。下面针对其中的几种待测参数进行示例性说明。

其中，在本实施例中进行测试试验的设备可以选取电液伺服试验机，通过该电液伺服试验机可进行单轴压缩试验、三轴压缩试验(三轴全曲线)、三轴蠕变试验(短时)、三轴松弛试验(短时)、恒围压下的三轴压缩试验、多级围压下的各种程序试验和煤岩孔隙水试验。可以根据需要任意设定包含有加载、保载卸载环节的多种程序波形，当轴向变形、径向变形、孔隙水压、时间等参数达到极限值或预设值、试样断裂，均可自动保护。

作为第一种示例，对于抗拉强度，采用巴西劈裂法测试，对实心圆柱体试件施加径向压缩线荷载至破坏。采用力的加载方式加载，岩石根据软硬程度采用500N/s～1000N/s的速度加载。根据煤质的不同，煤则采用200N/s～500N/s的速度加载，全过程均实时采集记录数据。

作为第二种示例，对于单轴压缩变形试验，采用引伸计测量试件轴向和径向变形，力传感器动态测量轴向力，采用力加载方式加载。岩石根据软硬程度采用500N/s～1000N/s的速度加载，全过程均实时采集记录数据。

作为第三种示例，对于岩石抗剪强度参数除采用三轴压缩试验得到外，还可以采用变角剪切试验得到。比如，在35°～65°范围内选取3个以上剪切角度，将试样安放在夹具上座，调整承压板球形座使变角剪夹具受力均匀，启动试验机施加载荷约0.5KN，进一步检查试样与变角剪的位置是否正常，检查无误后以0.5MPa加载速率加载直至试样破坏，记录破坏载荷。

作为第四种示例，进行岩石裂隙扩展声发射测试。在测定岩心样本的声发射特征时，包括：通过电液伺服试验机进行三轴试验，测量不同围压下岩心样本的应力-应变曲线和声发射事件曲线。

具体而言，在本示例中，根据声发射参数对时间的变化过程来对岩体的稳定性进行评价，围岩应力及时间是监测预报的一个基本变量，因此本示例对不同状态条件下的岩样进行变形破坏全过程声发射检测，寻找岩样在不同应力条件下变形破坏过程中的声发射特征。

具体实施时，将岩心样本样放于三轴压力室内进行三轴试验，在本示例中三轴试验采用普通三轴试验，即σ

作为第五种示例，进行岩石微观组构特征测试。在测定岩心样本的组构特征，包括：对岩心样本进行X射线衍射定量分析，测定岩心样本中各种矿物质的占比；对岩心样本进行扫描电镜测试分析，测定岩心样本中各种矿物质的分布特征和岩心样本的裂隙特征。

具体而言，在本示例中，组构特征测试即确定各岩层的结构特征及成分特征。在本示例中可以通过X射线衍射定量分析(XRD)，测定岩样中各矿物质成分，比如，测得石英、斜长石、钾长石、铁白云石、方解石、菱铁矿、高岭石、伊利石、绿泥石、方沸石和钠闪石等矿物质在岩心样本中分别的占比。并且，还可以通过扫描电镜测试分析，测定各种矿物质在岩心样本中的分布特征以及样本的裂隙。

举例而言，根据扫描电镜测试结果可以得到，含有粘土矿物的砂质泥岩、泥岩，其伊利石矿物在岩石颗粒表面呈片状且定向分布，细砂岩和粉砂岩有溶蚀空洞发育，岩石的裂隙普遍较发育，大部分连通性好，有的裂隙被长石和石英充填等。

步骤S103，在三维数值计算软件中建立针对大采高工作面的三维地质模型，基于岩心样本的测试结果调整三维地质模型的力学参数，并基于调整后的三维地质模型进行数值模拟，通过分析数值模拟结果获得大采高工作面的覆岩破坏规律、垂直应力分布规律和垂直位移场分布规律。

其中，岩心样本的测试结果即上一步骤中的岩心样本的密度、多个力学强度参数、声发射特征和组构特征等。在本申请实施例中，力学参数的获取是通过钻孔取芯进行力学试验，具体获取力学参数时，可以根据预先进行钻孔做的试验，也可以是在大采高工作面的采空区附近钻孔取芯测试获得的数值。

需要说明的是，数值模拟是研究覆岩破坏的一种方法，它利用上一步骤中对岩心样本进行测试获得的力学参数和在三维软件中构建的地质模型，通过建模的方式获得覆岩破坏的位移、应力和塑性区的变化规律，进而分析研究出覆岩破坏的情况。数值模拟获得的模拟的结果，可以从应力场和位移场来反应覆岩破坏变化的内在过程

具体的，本申请进行数值模拟，是以煤矿煤层的实际赋存条件、采矿条件和水文地质条件为基础，将前两个步骤中得到的两带实测数据和岩心样本测试数据作为数据基础，采用三维宏观力进行模拟，分析工作面开采过程中覆岩三维宏观力学性质变化以及地表移动变形特征。在进行数值模拟时，可以采用大型非线性三维数值计算软件，比如，FLAC

具体实施时，先在FLAC

为了更加清楚的说明本申请设计三维力学模型的的具体实现流程，下面在本申请一个实施例中提出的一种具体的三维地质模型的设计方法进行详细描述。图5为本申请实施例提出的一种三维地质模型的设计方法的流程图，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤S501，根据工作面地质条件、煤岩条件和钻孔资料，确定三维地质模型的结构参数，并根据不同区域的计算权重调整三维地质模型的单元疏密度。

具体的，在FLAC

其中，在节省单元，提高运算速度的同时，为保证计算精度，按区域需要考虑的轻重来调整单元的疏密。可以理解的是，两带发育的区域是需要重点关注的区域，对两带发育高度可能设计的区域设置更高的权重，并在权重更高的区域设置较多的节点，以便充分的进行数值模拟分析。

步骤S502，设置三维地质模型的边界条件。

具体的，在本实施例中，计算模型边界条件确定如下：第一，模型前后和左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零。第二，模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零。第三，模型顶部为自由边界。

且在水平方向上施加由自重应力产生的侧向应力，由下式确定：

σ

其中，λ为侧压系数，由λ＝μ/(1-μ)确定；μ为泊松比。

步骤S503，基于测定的多个力学强度参数，确定三维地质模型中各个含煤岩层的力学参数。

具体的，由于数值模拟计算结果的可靠度依赖于计算模型的建立，即岩体力学参数、本构模型和边界条件选取的可靠性与合理性。在本实施例中模型中各含煤岩层的力学参数以现场提供资料，步骤S102中的岩块体物理力学实验结果，以及相关统计数据的平均值来确定。本申请根据实际的数据构建数值模拟计算模型，使该模型的模拟运算结果与实际情况相符。

步骤S504，设定岩体破坏的判别准则。

具体的，当满足一定条件时，岩体发生破坏并按照一定的规律发展，本步骤设置数值模拟中岩体破坏的判别准则，采用理想弹塑性本构模型，即莫尔－库仑屈服准则进行描述，该准则可以通过以下公式表示：

其中，σ

当满足上式时岩体破坏。此外当拉应力超过岩体单轴抗拉强度时，材料发生拉伸破坏。

进一步的，在通过上述步骤搭建完成模型后，进行岩体破坏的数值模拟，并分析数值模拟结果确定各个覆岩破坏规律。下面对确定的几种覆岩破坏规律进行详细描述。

作为第一种示例，获得覆岩破坏规律。其中，在获得大采高工作面的覆岩破坏规律时，包括：模拟覆岩破坏过程，生成多个塑性区分布图；根据多个塑性区分布图分析破坏场的形态特征和破坏发展趋势，并确定拉张破坏区和拉张裂隙区的分布特征。

具体而言，通过覆岩破坏数值模拟得到的塑性云图可以清晰表示工作面开采之后顶板岩层的破坏情况。垮落带、裂缝带的高度与云图中所标示的塑性分区是相对应的，因此，可以通过分析破坏塑性区云图判断垮落带和裂缝带的高度。在本申请中将垮落带和导水裂隙带的实测高度对应设置在对三维地质模型进行数值模拟得到的塑性云图中，即是指根据实测数据构建模型，使对该模型进行数值模拟后得到的塑性云图中显示的两带高度与实测高度相同，从而能够验证数值模拟结果符合实际情况，确保数值模拟的准确性。若数值模拟得到的结果与实测两带高度不符，可以调整模型的构建参数和构建方式，以及数值模拟过程，直至数值模拟结果与实测两带高度相匹配。

在本示例中，根据库伦摩尔模型条件下的初始地应力场，模拟大采高工作面推进50m～200m时覆岩破坏场模拟结果。从得到的多个塑性区分布图中可以看出，自工作面开切眼回采开始，工作面顶底板及煤壁前方和工作面后方均产生明显的破坏区域，煤层顶板自下往上，依次发育拉伸破坏和剪切破坏。破坏范围呈现明显的“马鞍”型。

进一步的，根据多个塑性区分布图分析破坏场的形态特征和破坏发展趋势，并确定拉张破坏区和拉张裂隙区的分布特征。举例而言，通过分析不同时间点下的塑性区分布图可知，在开采初期工作面岩体破坏场，采空区周边岩体大部分发生剪切破坏，说明煤层开采后围岩受剪切力较大。应力转移传递过程中，岩体所受应力大于其自身强度后便发生岩体破坏现象。工作面推进过程中岩体的破坏首先发生在采空区煤壁，岩体破坏以位移等形式释放一定的能量，破坏后的岩体承载能力降低，其所受应力向远处传递，破坏区也在不断向远处发展，直到岩体自身强度能够维持其所受应力为止。计算结果表明，拉张破坏区主要分布在采空区的上方拉应力区岩层内，其上部发育拉张裂隙区，产生单向或双向裂隙，单向受拉区的范围随工作面的推进而向前移动，原为压缩部位出现拉伸，通常出现单向裂隙。塑性变形区主要发生在支撑压力区和张裂隙区之上的下沉盆地中间部位之软弱岩层等。

作为第二种示例，获得垂直应力分布规律。其中，通过分析煤大采高工作面推进50m～200m时的垂直应力场模拟结果可知，垂直应力集中主要体现于采空区围岩中，应力集中最大值一般位于工作面煤壁前上方和后上方不远位置，底板应力则向煤柱内部转移。采空区范围以外，应力集中程度逐步减弱。在采空区正上方，应力值相对工作面煤壁位置应力集中较明显。覆岩破坏后上部应力主要由工作面围岩承担，引起采空区四周竖向应力升高。

作为第三种示例，获得垂直位移场分布规律。其中，随着岩体应力不断转移传递，工作面覆岩也在不断通过移动方式释放能量，工作面开采后岩体移动主要表现为周围岩体向采空区移动。通过分析煤大采高工作面推进50m～200m时垂直位移场分布特征可知，随着工作面的推进，岩体移动趋势是采空区覆岩向下移动。上分层开采引起岩体竖向位移在工作面后壁附近最大，向前、向上以环状等值逐渐减小，这主要是由于随着远离采场的距离的增加，岩体受到的采动影响逐渐减小，位移量逐渐减小。

步骤S104，对比两带高度实测结果和覆岩破坏数值模拟结果，根据实测结果对数值模拟得到的应力场和位移场的变化进行验证和修正，并确定大采高覆岩破坏特征。

具体的，在本申请之前的步骤中，分别采用了两带高度实测和数值模拟两种覆岩破坏规律的研究方法。其中，数值模拟获得的结果是一种模拟值，结果中可能存在偏差，而实测可以获得精准的实测数据，但获得的数据量有限。

因此，本申请为兼顾大采高覆岩破坏规律的研究的全面性和准确性，将上述两种方法得到的结果进行了对比，根据实测结果验证数值模拟得到的覆岩破坏规律，以修正数值模拟结果中的偏差，即将实测结果作为样本数据验证、模拟得到的各个规律是否符合实际情况，若检测出错误则修正数值模拟结果中的偏差。其中，可以根据实测的内容，反应应力场、位移场的变化，并修正应力场和位移场的变化数据中的错误值，或者，根据实测的内容模拟、反应整个覆岩规律。并且，本步骤还结合两种方式，汇总两种方式得到的结果确定最终的大采高覆岩破坏特征值。

举例而言，将实测获得的垮落带、裂缝带的高度，代入数值模拟得到的塑性云图，检测实测值与云图中显示的高度值是否一致，若存在偏差，则将实测值代替模拟值，并调整数值模拟策略和模型参数等。又比如，根据不同时间下的两个高度实测值，验证是否与数值模拟确定的大采高工作面的覆岩破坏规律的变化一致等。

进一步的，结合两种研究方式，获得大采高覆岩破坏特征。其中，大采高覆岩破坏特征是包括大采高工作面的两带实测数据以及本次数值模拟得到的大采高开采工作面的两带数据。具体的，获得大采高覆岩破坏特征，包括：根据数值模拟结果，导出三维地质模型中各个节点的力学参数，并将各个节点的力学参数代入预设的计算公式获得各个节点的材料安全系数值；根据各个节点的材料安全系数值，计算大采高工作面的垮落带高度、垮采比、导水裂缝带高度和裂采比，并结合大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的实测数据，得到大采高覆岩破坏特征数据表。

在本示例中，首先假定：

由莫尔-库仑准则可知，当s≤1时，材料发生破坏；当s≥1时，材料安全。因此可以将s定义为材料安全系数，s值越大，材料越安全，反之越危险。根据模拟结果，将模型各节点的应力和力学参数导出，并带入上式得出各节点的s值。安全起见并结合以往经验，本次模拟采用s＝1.1作为岩体临界安全系数，求得某煤层大采高开采6.5m条件下覆岩破坏垮落带高度为38m，垮采比为5.85；导水裂缝带发育高度约为102m，裂采比约为15.69。

进一步的，通过已进行的“两带”高度实测以及本步骤中的Flac

表2大采高覆岩破坏特征数据表

由表2可知，地面“两带”钻孔观测采用钻孔冲洗液消耗量观测法和彩色钻孔电视观测法，能直观的反映现场实际，是获得“两带”高度最可靠的方法。而“两带”高度在工作面不同位置存在差异，在现场在不允许进行大量的地面钻孔实测的情况下，一般仅施工1～2个钻孔，而通过本实施例的数值模拟方法，可以获得煤层中整体、全面的两带破坏情况。在本示例中还可以得到大采高开采的垮采比和裂采比明显比综放开采大等规律。

综上所述，本申请实施例的基于数值模拟的大采高覆岩破坏规律的研究方法，通过选取典型地层条件或特殊条件下工作面布置“两带”观测钻孔，采用地面钻孔冲洗液法、彩色钻孔电视观测法实地观测工作面煤层回采后导水裂隙带、垮落带发育高度。并对煤田整体进行覆岩破坏预计分析，结合数值模拟技术手段，能够从宏观角度分析研究出煤田大采高工作面的覆岩破坏规律。该方法通过现场测试获得的准确、可靠的覆岩破坏高度数值，以及通过宏观数值模拟技术分析得到的工作面推进过程中的多个覆岩破坏规律，能够准确和全面的了解工作面覆岩破坏情况并对破坏进行预计。从而，该方法能够为实现水体下安全采煤提供可靠的依据，有利于正确指导安全开采上限的合理确定和保证矿井的安全合理开采，并为煤田矿井顶板水害防治提供数据支持。由此，该方法提高了水体下大采高采煤的安全性和可靠性。

为了实现上述实施例，本申请还提出了一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统。图6为本申请实施例提出的一种基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统的结构示意图。如6图所示，该系统包括：两带高度实测模块100、岩石测试模块200、数值模拟模块300和对比分析模块400。

其中，两带高度实测模块100，用于在大采高工作面的采空区上方设置多个观测钻孔，基于多个观测钻孔，通过钻孔冲洗液漏失量观测法和彩色钻孔电视观测法，分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测。

岩石测试模块200，用于对所述大采高工作面设置水文补充勘查钻孔，采集不同岩层中的岩心样本，并对岩心样本进行测试，测定岩心样本的密度、多个力学强度参数、声发射特征和组构特征。

数值模拟模块300，用于在三维数值计算软件中建立针对大采高工作面的三维地质模型，基于岩心样本的测试结果调整三维地质模型的力学参数，并基于调整后的三维地质模型进行数值模拟，通过分析数值模拟结果获得大采高工作面的覆岩破坏规律、垂直应力分布规律和垂直位移场分布规律。

对比分析模块400，用于对比两带高度实测结果和覆岩破坏数值模拟结果，根据实测结果对数值模拟得到的应力场和位移场的变化进行验证和修正，并确定大采高覆岩破坏特征。

可选地，一些实施例中，两带高度实测模块100，具体用于：沿工作面推进方向，确定在工作面预设数量个周期来压之后的第一区域；根据两带高度经验公式计算最大导水裂隙带高度，并根据最大导水裂隙带高度确定待布置孔位的第二区域；确定第一区域和第二区域的交叉区域，并结合工作面倾斜方向、覆岩破坏形态特征和现场条件，在交叉区域中选定在工作面的上顺槽和下顺槽附近的多个目标位置，将多个观测钻孔分别布置在对应的目标位置处。

可选地，一些实施例中，两带高度实测模块100，具体用于：在钻孔钻进过程中根据冲洗液漏失量确定各类反水现象，剔除岩层特性对冲洗液漏失的影响，将稳定出现不反水现象时的深度作为导水裂隙带的顶点埋深；在钻孔钻进过程中观测钻孔水位的变化状况，将水位变化至零且出现多种钻机异常时的深度作为垮落带的顶点埋深。

可选地，一些实施例中，两带高度实测模块100在分别对大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的高度进行实测之后，还用于：通过以下公式计算导水裂隙带的实测高度：

H

其中，H

通过以下公式计算垮落带的实测高度：

H

其中，H

可选地，一些实施例中，岩石测试模块200，具体用于：通过电液伺服试验机进行三轴试验，测量不同围压下岩心样本的应力-应变曲线和声发射事件曲线；对岩心样本进行X射线衍射定量分析，测定岩心样本中各种矿物质的占比；对岩心样本进行扫描电镜测试分析，测定岩心样本中各种矿物质的分布特征和所述岩心样本的裂隙特征。

可选地，一些实施例中，数值模拟模块300，具体用于：根据工作面地质条件、煤岩条件和钻孔资料，确定三维地质模型的结构参数，并根据不同区域的计算权重调整三维地质模型的单元疏密度；设置三维地质模型的边界条件；基于测定的多个力学强度参数，确定三维地质模型中各个含煤岩层的力学参数；设定岩体破坏的判别准则。

可选地，一些实施例中，数值模拟模块300，具体用于：模拟覆岩破坏过程，生成多个塑性区分布图；根据多个塑性区分布图分析破坏场的形态特征和破坏发展趋势，并确定拉张破坏区和拉张裂隙区的分布特征。

可选地，一些实施例中，数值模拟模块300，具体用于：根据数值模拟结果，导出三维地质模型中各个节点的力学参数，并将各个节点的力学参数代入预设的计算公式获得各个节点的材料安全系数值；根据各个节点的材料安全系数值，计算大采高工作面的垮落带高度、垮采比、导水裂缝带高度和裂采比，并结合大采高工作面的垮落带和导水裂隙带的实测数据，得到大采高覆岩破坏特征数据表。

需要说明的是，上述对本申请的基于数值模拟的大采高覆岩破坏规律的研究方法实施例的相关描述，也适用于本实施例中的系统，其实现原理相似，此处不再赘述。

综上所述，本申请实施例的基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究系统，通过现场测试获得的准确、可靠的覆岩破坏高度数值，以及通过宏观数值模拟技术分析得到的工作面推进过程中的多个覆岩破坏规律，能够准确和全面的了解工作面覆岩破坏情况并对破坏进行预计。从而，该系统能够为实现水体下安全采煤提供可靠的依据，有利于正确指导安全开采上限的合理确定和保证矿井的安全合理开采，并为煤田矿井顶板水害防治提供数据支持。由此，该系统提高了水体下采煤的安全性和可靠性。

为了实现上述实施例，本申请还提出一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述实施例中任一项所述的基于对比分析的大采高覆岩破坏规律的研究方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。