一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法

技术领域

本发明专利涉及岩石粒径演化模拟技术领域，具体为一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法。

背景技术

垮落法，也叫陷落法，指工作面向前推进移架后，让直接顶自行垮落或强制垮落，该方法适用于直接顶易于垮落或具有中等稳定性的顶板随着工作面继续向前推进，每隔一定距离就按预定计划进行垮落。垮落带是指用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围，随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。

随着上覆岩层逐渐冒落，垮落带岩石逐渐受力，垮落岩石将慢慢被压缩，随着压缩过程的进行，破碎岩石的粒径也会发生相应的变化，因而对预测地表沉降工作具有重要意义，为此提出一种简单高效，不仅可行性和安全性高，而且精度准确的模拟方法来解决此问题。

发明专利内容

本发明专利的目的在于提供一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，具备简单高效，不仅可行性和安全性高，而且精度准确的优点，解决了随着上覆岩层逐渐下降，垮落带岩石逐渐受力，垮落岩石将慢慢被压缩，导致破碎岩石的粒径也会发生相应变化，需要进行地表沉降预测的问题。

为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其方法包括如下步骤：

(1)岩层采样：对煤层上方不同层位顶板岩层进行现场钻孔取样，利用相关设备对岩石内的原生岩块分布状态进行统计分析，得出不同层位垮落岩石的粒径级配及空间分布规律；

(2)岩层分析：对岩石试样进行真三轴压缩试验，对破坏前后的岩块分布状态进行CT扫描，并通过反演计算对垮落岩石的粒径特征进行研究；

(3)判断规律：根据上述计算，获取现场垮落岩石的统计级配以及空间分布的规律，再根据粒径的规律进行独立的压缩试验准备工作；

(4)试验选材：在一定的含量范围内，选取高纯度钙质砂以及石英砂，并通过自然风干后制备试样；

(5)压缩试验：在压力室内对试样进行竖直方向上的应力测试试验，砂粒以疏松的形式不断坍塌并逐渐密实，分阶段记录所施加的应力值；

(6)筛分操作：压缩结束后，对两种砂粒的粒径进行分级筛分，粒径数据统计后，将其与压缩前的试样粒径相对比，进而得到垮落岩石的粒径变化规律；

(7)二次实验：将首次压缩后的试样，进行再次压缩试验，并同时按照粒径分布规律分层设置，试验后得出变化规律的结果，将其与初次压缩试验的结果相比较，判断不同粒径的砂粒受到应力所发生的变化，得出最终结论。

优选的，所述步骤(1)中，使用到的相关设备有激光测距装置、钻孔装置、录像设备及照明设备，同时记录采空区不同部位的破碎岩体块度。

优选的，所述步骤(2)中，通过建立工作面，采用数值模拟方法对采空区岩层断裂过程进行反演。

优选的，所述步骤(3)中，粒径的分布规律应当以竖直方向上剖面粒径的分布为判断标准，且分层进行压缩试验。

优选的，所述步骤(4)中，所选取的钙质砂等效含量在96％以上，相对密度在2.7以上，石英砂的等效含量在90％以上，相对密度在2.6以上。

优选的，所述步骤(4)中，制备试样时通过筛分法进行操作，且对钙质砂和石英砂分别配置两种粒径范围的均匀级配试样，同时配置一定粒径范围的自然级配试样。

优选的，所述步骤(4)中，对钙质砂制备了粒径范围在1-2mm和0.5-1mm的两种均匀级配试样，对石英砂制备了粒径范围在2-5mm和0.5-2mm的两种均匀级配试样，钙质砂和石英砂的自然级配试样的粒径范围分别为0.074-2mm和0.074-5mm。

优选的，所述步骤(5)中，所记录的应力值以压强为单位，且相邻阶段的应力值压强差为25MPa。

优选的，所述步骤(6)中，在进行砂粒筛分时，保证单次筛分的砂粒为某一层面的砂粒，统计出位于不同纵向高度的试样，其受力所带来的粒径变化，进而推断出垮落岩石的粒径变化。

优选的，所述步骤(7)中，二次实验的砂粒粒径小于初次实验，且选取的砂粒为没有破碎的砂粒。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果如下：

本发明专利有利于实现煤矿安全高效生产、环境生态保护，同时解决了随着上覆岩层逐渐下降，垮落带岩石逐渐受力，垮落岩石将慢慢被压缩，导致破碎岩石的粒径也会发生相应变化，需要进行地表沉降预测的问题，该岩石粒径演化运移规律模拟方法简单高效，不仅可行性和安全性高，而且精度准确，分层演示实验以及重复推算，能更好地确定试验规律，值得推广。

具体实施方式

下面将结合本发明专利中的实施例，对本发明专利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专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，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，都属于本发明专利保护的范围。

一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其方法包括如下步骤：

(1)岩层采样：对煤层上方不同层位顶板岩层进行现场钻孔取样，利用相关设备对岩石内的原生岩块分布状态进行统计分析，得出不同层位垮落岩石的粒径级配及空间分布规律；

(2)岩层分析：对岩石试样进行真三轴压缩试验，对破坏前后的岩块分布状态进行CT扫描，并通过反演计算对垮落岩石的粒径特征进行研究；

(3)判断规律：根据上述计算，获取现场垮落岩石的统计级配以及空间分布的规律，再根据粒径的规律进行独立的压缩试验准备工作；

(4)试验选材：在一定的含量范围内，选取高纯度钙质砂以及石英砂，并通过自然风干后制备试样；

(5)压缩试验：在压力室内对试样进行竖直方向上的应力测试试验，砂粒以疏松的形式不断坍塌并逐渐密实，分阶段记录所施加的应力值；

(6)筛分操作：压缩结束后，对两种砂粒的粒径进行分级筛分，粒径数据统计后，将其与压缩前的试样粒径相对比，进而得到垮落岩石的粒径变化规律；

(7)二次实验：将首次压缩后的试样，进行再次压缩试验，并同时按照粒径分布规律分层设置，试验后得出变化规律的结果，将其与初次压缩试验的结果相比较，判断不同粒径的砂粒受到应力所发生的变化，得出最终结论。

实施例一：

一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其方法包括如下步骤：

(1)岩层采样：对煤层上方不同层位顶板岩层进行现场钻孔取样，利用相关设备对岩石内的原生岩块分布状态进行统计分析，得出不同层位垮落岩石的粒径级配及空间分布规律，使用到的相关设备有激光测距装置、钻孔装置、录像设备及照明设备，同时记录采空区不同部位的破碎岩体块度；

(2)岩层分析：对岩石试样进行真三轴压缩试验，对破坏前后的岩块分布状态进行CT扫描，并通过反演计算对垮落岩石的粒径特征进行研究，通过建立工作面，采用数值模拟方法对采空区岩层断裂过程进行反演；

(3)判断规律：根据上述计算，获取现场垮落岩石的统计级配以及空间分布的规律，再根据粒径的规律进行独立的压缩试验准备工作，粒径的分布规律应当以竖直方向上剖面粒径的分布为判断标准，且分层进行压缩试验；

(4)试验选材：在一定的含量范围内，选取高纯度钙质砂以及石英砂，并通过自然风干后制备试样；

(5)压缩试验：在压力室内对试样进行竖直方向上的应力测试试验，砂粒以疏松的形式不断坍塌并逐渐密实，分阶段记录所施加的应力值；

(6)筛分操作：压缩结束后，对两种砂粒的粒径进行分级筛分，粒径数据统计后，将其与压缩前的试样粒径相对比，进而得到垮落岩石的粒径变化规律；

(7)二次实验：将首次压缩后的试样，进行再次压缩试验，并同时按照粒径分布规律分层设置，试验后得出变化规律的结果，将其与初次压缩试验的结果相比较，判断不同粒径的砂粒受到应力所发生的变化，得出最终结论。

实施例二：

一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其方法包括如下步骤：

(1)岩层采样：对煤层上方不同层位顶板岩层进行现场钻孔取样，利用相关设备对岩石内的原生岩块分布状态进行统计分析，得出不同层位垮落岩石的粒径级配及空间分布规律，使用到的相关设备有激光测距装置、钻孔装置、录像设备及照明设备，同时记录采空区不同部位的破碎岩体块度；

(2)岩层分析：对岩石试样进行真三轴压缩试验，对破坏前后的岩块分布状态进行CT扫描，并通过反演计算对垮落岩石的粒径特征进行研究，通过建立工作面，采用数值模拟方法对采空区岩层断裂过程进行反演；

(3)判断规律：根据上述计算，获取现场垮落岩石的统计级配以及空间分布的规律，再根据粒径的规律进行独立的压缩试验准备工作，粒径的分布规律应当以竖直方向上剖面粒径的分布为判断标准，且分层进行压缩试验；

(4)试验选材：在一定的含量范围内，选取高纯度钙质砂以及石英砂，并通过自然风干后制备试样，所选取的钙质砂等效含量在96％以上，相对密度在2.7以上，石英砂的等效含量在90％以上，相对密度在2.6以上，制备试样时通过筛分法进行操作，且对钙质砂和石英砂分别配置两种粒径范围的均匀级配试样，同时配置一定粒径范围的自然级配试样，对钙质砂制备了粒径范围在1-2mm和0.5-1mm的两种均匀级配试样，对石英砂制备了粒径范围在2-5mm和0.5-2mm的两种均匀级配试样，钙质砂和石英砂的自然级配试样的粒径范围分别为0.074-2mm和0.074-5mm；

(5)压缩试验：在压力室内对试样进行竖直方向上的应力测试试验，砂粒以疏松的形式不断坍塌并逐渐密实，分阶段记录所施加的应力值；

(6)筛分操作：压缩结束后，对两种砂粒的粒径进行分级筛分，粒径数据统计后，将其与压缩前的试样粒径相对比，进而得到垮落岩石的粒径变化规律；

(7)二次实验：将首次压缩后的试样，进行再次压缩试验，并同时按照粒径分布规律分层设置，试验后得出变化规律的结果，将其与初次压缩试验的结果相比较，判断不同粒径的砂粒受到应力所发生的变化，得出最终结论。

实施例三：

一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其方法包括如下步骤：

(1)岩层采样：对煤层上方不同层位顶板岩层进行现场钻孔取样，利用相关设备对岩石内的原生岩块分布状态进行统计分析，得出不同层位垮落岩石的粒径级配及空间分布规律，使用到的相关设备有激光测距装置、钻孔装置、录像设备及照明设备，同时记录采空区不同部位的破碎岩体块度；

(2)岩层分析：对岩石试样进行真三轴压缩试验，对破坏前后的岩块分布状态进行CT扫描，并通过反演计算对垮落岩石的粒径特征进行研究，通过建立工作面，采用数值模拟方法对采空区岩层断裂过程进行反演；

(3)判断规律：根据上述计算，获取现场垮落岩石的统计级配以及空间分布的规律，再根据粒径的规律进行独立的压缩试验准备工作，粒径的分布规律应当以竖直方向上剖面粒径的分布为判断标准，且分层进行压缩试验；

(4)试验选材：在一定的含量范围内，选取高纯度钙质砂以及石英砂，并通过自然风干后制备试样，所选取的钙质砂等效含量在96％以上，相对密度在2.7以上，石英砂的等效含量在90％以上，相对密度在2.6以上，制备试样时通过筛分法进行操作，且对钙质砂和石英砂分别配置两种粒径范围的均匀级配试样，同时配置一定粒径范围的自然级配试样，对钙质砂制备了粒径范围在1-2mm和0.5-1mm的两种均匀级配试样，对石英砂制备了粒径范围在2-5mm和0.5-2mm的两种均匀级配试样，钙质砂和石英砂的自然级配试样的粒径范围分别为0.074-2mm和0.074-5mm；

(5)压缩试验：在压力室内对试样进行竖直方向上的应力测试试验，砂粒以疏松的形式不断坍塌并逐渐密实，分阶段记录所施加的应力值，所记录的应力值以压强为单位，且相邻阶段的应力值压强差为25MPa；

(6)筛分操作：压缩结束后，对两种砂粒的粒径进行分级筛分，粒径数据统计后，将其与压缩前的试样粒径相对比，进而得到垮落岩石的粒径变化规律，在进行砂粒筛分时，保证单次筛分的砂粒为某一层面的砂粒，统计出位于不同纵向高度的试样，其受力所带来的粒径变化，进而推断出垮落岩石的粒径变化；

(7)二次实验：将首次压缩后的试样，进行再次压缩试验，并同时按照粒径分布规律分层设置，试验后得出变化规律的结果，将其与初次压缩试验的结果相比较，判断不同粒径的砂粒受到应力所发生的变化，得出最终结论，二次实验的砂粒粒径小于初次实验，且选取的砂粒为没有破碎的砂粒。

尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。