CN109059833B - 温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度‑渗流‑应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，解决了测量并计算承压水导升带高度的技术问题，该方法的步骤包括：对比完整岩层和承压水导升带内的温度场的差异指标；确定实际地温梯度值；确定煤体和岩体的材料参数，材料参数包括渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容；运用COMSOL软件建模后进行数值计算得到地温梯度和地温等值线结果；根据地温梯度和地温等值线结果确定承压水导升带与完整岩层的分界线；根据水文钻孔测量确定承压水导升带与完整岩层的分界线；根据分界线位置确定承压水导升带高度。本方法综合确定承压水导升带高度，计算结果更准确，实际操作更方便，施工量更少。
Description
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，尤其是一种在温度-渗流-应力的耦合作用下承压水导升带高度的确定方法。
背景技术
在煤矿开采中，巷道开拓和工作面回采会对煤层底板造成影响，在煤层底板区域存在“下三带”，从煤层底面至承压含水层顶面分别为底板导水破坏带、完整岩层带和承压水导升带。其中，在承压水导升带部分承压水可沿含水层顶面以上隔水的裂隙导升，因此将充水裂隙分布的范围称为承压水导升带。承压水导升带受开采矿压作用影响，原始的导升裂隙范围有可能扩大，通常所指的承压水导升带高度带为受开采扰动影响后的充水裂隙发育高度。
目前，承压水导升高度带的确定方法有物探法、钻探法和统计分析法。其中物探法最常用的是电法，通过在井下巷道内用电探测方法测量低值异常区，从而预测承压水导升高度带高度；钻探法是指在底板内打钻孔，通过对钻孔取样的分析判断地层变化、岩性差异和地层含水量等信息来判断承压水导升带的高度；统计分析法是当井下物探法和钻探法受地质条件限制时，对以往勘探钻孔资料进行统计分析后确定承压水导升带高度。上述方法在确定承压水导升带高度时需要大量的现场测量工作，现场工作量大操作不便，并且存在准确性不高的问题，不能及时测量当前的承压水导升带高度，因此现有技术存在不足，需要进一步的改进。
发明内容
为解决承压水导升带高度测量不方便，精确度不高的技术问题，本发明提供了一种温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，具体技术方案为：
温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，包括以下步骤：
步骤A.对比确定完整岩层和承压水导升带内的温度场的差异指标，所述差异指标包括地温梯度值和地温等值线分布规律；
步骤B.根据实测地温数据确定实际地温梯度值，以及承压水导升带与完整岩层的对比分界线；
步骤C.对现场煤体和岩体进行取样，进行室内实验测量确定煤体和岩体的材料参数，运用COMSOL软件建模，利用所述材料参数对模型进行数值计算，得到模拟地温梯度和模拟地温等值线结果；
步骤D.根据模拟地温梯度和模拟地温等值线结果确定承压水导升带与完整岩层的模拟分界线；
步骤E.根据水文钻孔测量数据确定承压水导升带与完整岩层的初始分界线；
步骤F.根据对比分界线、模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度。
优选的是，材料参数包括渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容。
进一步优选的是，步骤C中运用COMSOL软件建模并进行数值计算的步骤包括：
(1)根据实际工程数据建立几何模型；
(2)使用材料参数对几何模型进行赋值；
(3)添加多物理场耦合接口；通过达西定律接口添加承压水条件来模拟渗流场，通过传热接口添加温度条件来模拟温度场，通过力学接口添加重力条件、采动条件和边界应力条件来模拟应力场；
(4)进行数值计算，输出模拟地温梯度和模拟地温等值线数值模拟结果。
优选的是，步骤D中模拟分界线的确定步骤具体包括：
(1)观测地温等值线为直线或者曲线，当地温等值线为直线时为完整岩层区域，当地温等值线为曲线时为承压水导升带区域，曲线凸起方向为渗流方向；
(2)观测地温-深度回归曲线，曲线的斜率等于地温梯度，在地温深度回归曲线的直线段地温梯度为常数，属于完整岩层部分，在地温深度回归曲线的曲线段地温梯度非常数，属于非完整岩层部分。
优选的是，水文钻孔数据包括岩层隔水性、钻孔柱状图和涌水量。
优选的是，步骤F中根据对比分界线、模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度时，取模拟分界线确定的承压水导升带高度、初始分界线确定的承压水导升带高度和对比分界线确定的承压水导升带高度中的最大值，作为承压水导升带高度。
本发明的有益效果包括：
(1)通过对比完整岩层和承压水导升带内岩层的地温梯度与地温等值线差异，确定了通过地温梯度和地温等值线观测承压水导升带范围的方法，进而能够方便的确定承压水导升带的高度。
(2)利用实测地温、实验测量材料参数、运用COMSOL软件建模进行数值计算，实现了温度场、渗流场和采动应力场耦合，能准确方便地计算出地温梯度规律和地温等值线分布，通过对比水文钻孔测量数据综合确定承压水导升带高度，通过该方法确定的导升带高度准确性更高。
(3)根据模拟分界线确定的承压水导升带高度、初始分界线确定的承压水导升带高度和对比分界线确定的承压水导升带高度中的最大值综合确定承压水导升带高度，从安全的角度更具有合理性，利用该方法还具有节约成本，方法便捷、安全，结果准确可靠等优点。
附图说明
图1是温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法流程图；
图2是几何模型结构示意图；
图3是模拟地温等值线分布示意图；
图4是地温-深度回归曲线图；
图中：1-上覆岩层；2-煤层；3-底板导水破坏带；4-完整岩层带；5-承压水导升带；6-承压含水层；7-采空区；8-模拟分界线。
具体实施方式
结合图1至图4所示，本发明公开的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法具体实施方式如下。
实施例1
根据图1所示，一种温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，具体包括以下步骤：
步骤A.对比确定完整岩层和承压水导升带内的温度场的差异指标，其中差异指标具体包括地温梯度值和地温等值线分布规律。
其中完整岩层和承压水导升带的地温梯度值和地温等值线分布规律的差异具体是，完整岩层与承压水导升带内的温度场是不同的，完整岩层的隔水性良好，岩体中几乎不含液体，所以温度场为导热型温度场，在导热型温度场中地温-深度回归曲线是一条直线，直线的斜率为地温梯度，所以完整岩层的地温梯度是一个常数，并且地温等值线在完整岩层处是近似水平的直线。承压水导升带内含有很多裂隙，裂隙中含有水，所以温度场为导热-对流型温度场，其地温-深度回归曲线不是直线，而是呈“上凸”或“下凹”的曲线，渗流运动在垂直方向上的运动将会对原岩体温度场产生明显的影响，渗流向上运动时地温-深度回归曲线“上凸”，渗流向下运动时温度场地温-深度回归曲线“下凹”，承压水导升高度带内地温梯度不是一个常数，而是一个变化的数值，因此地温等值线在承压水导升带分界线的位置不再是水平直线，而是向渗流方向凸起。
步骤B.根据实测地温数据确定实际地温梯度值，以及承压水导升带与完整岩层的对比分界线。具体是根据矿井实测地温资料中的地温梯度和地温等值线数据，根据步骤A中确定的差异判断承压水导升带范围，从而测量得出承压水导升带高度。
步骤C.对现场煤体和岩体进行取样，进行室内实验测量确定煤体和岩体的材料参数，运用COMSOL软件建模，利用所述材料参数对模型进行数值计算，得到模拟地温梯度和模拟地温等值线结果。其中，材料参数包括渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容，材料参数的测量均在实验室内进行，因此该过程安全可靠，操作性强。
在步骤C中运用COMSOL软件建模并进行数值计算的步骤具体包括：
(1)根据实际工程数据建立几何模型；
(2)使用材料参数对几何模型进行赋值；
(3)添加多物理场耦合接口；通过达西定律接口添加承压水条件来模拟渗流场，通过传热接口添加温度条件来模拟温度场，通过力学接口添加重力条件、采动条件和边界应力条件来模拟应力场；
(4)进行数值计算，输出模拟地温梯度和模拟地温等值线数值模拟结果。
步骤D.根据模拟地温梯度和模拟地温等值线结果确定承压水导升带与完整岩层的模拟分界线。
在步骤D中进一步优选的是，步骤D中模拟分界线的确定步骤具体包括：
(1)观测地温等值线为直线或者曲线，当地温等值线为直线时为完整岩层区域，当地温等值线为曲线时为承压水导升带区域，曲线凸起方向为渗流方向；
(2)观测地温-深度回归曲线，曲线的斜率等于地温梯度，在地温深度回归曲线的直线段地温梯度为常数，属于完整岩层部分，在地温深度回归曲线的曲线段地温梯度非常数，属于非完整岩层部分。
步骤E.根据水文钻孔测量数据确定承压水导升带与完整岩层的初始分界线。其中，水文钻孔数据包括岩层隔水性、钻孔柱状图和涌水量等参数，该水文钻孔数据从矿井初期水文地质勘测资料中提取，因此与实际情况不一定能很好的贴合工程实际，但是水文钻孔测量数据能够准确的反映工程实际，通过该方法确定的初始分界线和承压水导升带高度可以用于验证初始分界线的准确性。
步骤F.根据对比分界线、模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度。
在步骤F中根据模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度时，取模拟分界线确定的承压水导升带高度、初始分界线确定的承压水导升带高度和对比分界线确定的承压水导升带高度中的最大值，作为承压水导升带高度。更具体的是，综合分析步骤B得到的对比分界线确定的承压水导升带高度、步骤D得到的模拟分界线确定的承压水导升带高度和步骤E得到的初始分界线确定的承压水导升带高度，取上述步骤中确定的承压水导升带高度的最大值，作为本方法确定的承压水导升带高度。
利用该方法，对比完整岩层和承压水导升带内岩层的地温梯度与地温等值线差异，确定了通过地温梯度和地温等值线观测承压水导升带范围的方法，进而能够方便的确定承压水导升带的高度。通过实测地温、实验测量材料参数、运用COMSOL软件建模进行数值计算的技术手段，实现了温度场、渗流场和采动应力场耦合，能准确方便地计算出地温梯度规律和地温等值线分布，对比水文钻孔测量数据综合确定承压水导升带高度，通过该方法确定的导升带高度准确性更高，另外，该方法还具有节约成本，方法便捷、安全，结果准确可靠等优点。
实施例2
根据图1至图4所示，本实施例以煤矿开采工程实际为例，对该矿井开采实际中的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法做进一步的具体说明。
在本实施例中，选取矿井的工作面埋深为900m，工作面沿煤层走向布置，工作面长度为200m，隔水层的厚度为85m，承压含水层厚度为20m，2煤层厚度为3m作为研究对象。
步骤A：对比确定完整岩层和承压水导升带内的温度场在地温梯度和地温等值线的差异，确定该地质条件下的地温梯度和地温等值线分布规律。
步骤B：根据矿井实测地温数据确定实际地温梯度值，在矿井地温等值线资料中，从2煤层以下的地温-深度回归曲线可以看出完整岩层部为直线段，计算直线段斜率得到地温梯度为1.9℃/100m，在承压含水层上部10m的位置地温梯度变化，而且地温梯度不再是常数，因此地温梯度确定的承压水导升带高度为10m，在地温梯度变化的位置处连线即承压水导升带与完整岩层的对比分界线。
步骤C.为获得材料参数，对矿井现场煤体和岩体进行取样，进行实验室分别测得不同岩层和煤层的渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容，将测量得到的材料参数作为COMSOL计算的材料参数。在本实施例中，矿井的工作面埋深为900m，工作面沿煤层走向布置，工作面长度为200m，隔水层的厚度为85m，承压含水层厚度为20m，2煤层厚度为3m，上覆岩层厚度选取85m作为模型建模依据。基于该矿井的实际工程背景，运用COMSOL软件建模，将实验测得的材料参数作为COMSOL计算所需的材料参数，运用COMSOL进行数值计算得到模拟地温梯度和模拟地温等值线结果。
如图2所示，运用COMSOL软件，根据实例的工程背景，建立几何模型，根据实验测得的温度-渗流-应力耦合所需的材料参数，依次给模型中的煤、岩及含水层赋予材料参数，包括渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容。通过达西定律接口添加承压水来模拟渗流场，通过传热接口添加温度条件来模拟温度场，通过力学接口添加重力条件、采动条件和边界应力条件来模拟应力场。具体是，在Darcy定律接口添加承压水来模拟渗流场，即在承压含水层中添加4MPa的水压；在力学接口对整个模型添加重力，对采空区添加采动应力场，在上覆岩层的上部边界添加补偿应力20.3MPa，在承压含水层下部边界添加固定约束，整个模型两侧边界添加滑动约束；在传热接口添加温度条件模拟温度场，根据地温资料得到的上覆岩层的上部边界设置为35℃，承压含水层的下部边界设置为40℃。最后进行数值计算，得出模拟地温梯度值和模拟地温等值线分布。
步骤D：根据模拟地温梯度和模拟地温等值线结果确定承压水导升带与完整岩层的模拟分界线。对模拟得到的模拟地温梯度值和模拟地温等值线分布进行分析，如图3所示的COMSOL数值计算得出的地温等值线分布图，地温等值线“上凸”位置最高的位置点坐标为(51.5，-961)，所以-961m水平即为由模拟地温等值线确定的完整岩层与承压水导升带的分界线。如图4所示的是x＝51.5m截线处的地温-深度回归曲线，可以观察到在-965m处地温回归曲线呈“上凸”趋势，地温梯度不再是一个常数，大于-965m的范围地温-深度回归曲线近似为直线，地温梯度近似为一个常数，所以-965m水平即为由模拟地温梯度确定完整岩层与承压水导升带的分界线。两者选取最大值，所以模拟温度差异指标值确定的承压水导升带高度为24m。
步骤E：根据矿井水文钻孔测量数据资料确定承压水导升带与完整岩层的初始分界线，根据该矿水文地质报告水文钻孔资料，承压含水层上部岩层隔水性较好，钻孔未发现明显的承压水导升高度带，故此认为水文钻孔资料确定的承压水导升高度带高度为0m。但是由于水文钻孔资料往往是建井时期的资料，因此难以反映煤层采动引起的承压水导升带的高度。
步骤F：综合分析步骤B得到的对比分界线确定的承压水导升带高度10m，步骤D得到的模拟分界线确定的承压水导升带高度为24m，以及步骤E得到的初始分界线确定的承压水导升带高度0m，取上述步骤中确定的承压水导升带高度的最大值，作为本方法确定的承压水导升带高度为24m。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.对比确定完整岩层和承压水导升带内的温度场的差异指标，所述差异指标包括地温梯度值和地温等值线分布规律；
步骤B.根据实测地温数据确定实际地温梯度值和实际地温等值线，根据实际地温梯度值和实际地温等值线的差异判断承压水导升带与完整岩层的对比分界线；
步骤C.对现场煤体和岩体进行取样，进行室内实验测量确定煤体和岩体的材料参数，运用COMSOL软件建模，利用所述材料参数对模型进行数值计算，得到模拟地温梯度和模拟地温等值线结果；
步骤D.根据模拟地温梯度和模拟地温等值线结果确定承压水导升带与完整岩层的模拟分界线；
步骤E.根据水文钻孔测量数据确定承压水导升带与完整岩层的初始分界线；
步骤F.根据对比分界线、模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度；具体是根据对比分界线、模拟分界线和初始分界线位置确定承压水导升带高度时，取模拟分界线确定的承压水导升带高度、初始分界线确定的承压水导升带高度和对比分界线确定的承压水导升带高度中的最大值，作为承压水导升带高度。
2.根据权利要求1所述的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，其特征在于，所述材料参数包括渗透率、孔隙率、密度、强度、导热系数和比热容。
3.根据权利要求1或2所述的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，其特征在于，所述步骤C中运用COMSOL软件建模并进行数值计算的步骤包括：
(1)根据实际工程数据建立几何模型；
(2)使用材料参数对几何模型进行赋值；
(3)添加多物理场耦合接口；通过达西定律接口添加承压水条件来模拟渗流场，通过传热接口添加温度条件来模拟温度场，通过力学接口添加重力条件、采动条件和边界应力条件来模拟应力场；
(4)进行数值计算，输出模拟地温梯度和模拟地温等值线数值模拟结果。
4.根据权利要求1所述的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，其特征在于，所述步骤D中模拟分界线的确定步骤具体包括：
(1)观测地温等值线为直线或者曲线，当地温等值线为直线时为完整岩层区域，当地温等值线为曲线时为承压水导升带区域，曲线凸起方向为渗流方向；
(2)观测地温-深度回归曲线，曲线的斜率等于地温梯度，在地温深度回归曲线的直线段地温梯度为常数，属于完整岩层部分，在地温深度回归曲线的曲线段地温梯度非常数，属于非完整岩层部分。
5.根据权利要求1所述的温度-渗流-应力耦合作用下承压水导升带高度确定方法，其特征在于，所述水文钻孔数据包括岩层隔水性、钻孔柱状图和涌水量。
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