【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于煤礦防治水，涉及一種基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法及系統。
技術介紹
1、我國華東、華北等煤礦區普遍被新近系、第四系松散承壓含水層所覆蓋，近松散含水層下開采極易誘發潰水潰砂地質災害，給礦井的安全生產帶來了巨大的挑戰。
2、根據《煤礦防治水細則》第八十七條規定“水體下采煤，其防隔水煤(巖)柱應當按照裂縫角與水體采動等級所要求的防隔水煤(巖)柱相結合的原則設計留設。其中：留設防砂和防塌煤(巖)柱開采的，應當結合上覆土層、風化帶的臨界水力坡度，進行抗滲透破壞評價，確保不發生潰水和潰砂事故”。在進行松散層下開采上覆土層、風化帶巖層的抗滲透破壞分析中，存在兩個至關重要的指標，即：土層與風化帶巖層發生突水潰砂的臨界水力坡度j1和采動過程中各層位的實際水力坡度j2。當實際水力坡度j2<j1時，較為安全，工作面無突水潰砂危險；當實際水力坡度j2>j1時，工作面存在突水潰砂危險。因此準確計算工作面回采過程中上覆土層與風化帶巖層的臨界水力坡度j1與實際水力坡度j2，會直接影響松散含水層下留設防砂和防塌煤(巖)柱工作面的安全開采。
3、對于臨界水力坡度j1的計算目前常采用的是太沙基公式、南京水利科學研究院公式以及“煤礦防治水細則解讀”中所推薦的扎馬林公式等，并將各種方法計算結果取最小值定為臨界水力坡度。但對于工作面回采過程中上覆土層、風化帶巖層的實際水力坡度j2的計算，卻沒有給出具體的推薦公式。
4、針對該情況，眾多學者以松散含水層下開采潰水潰砂機理為研究目標，采用理論分析、數值模
5、1、基于單井定流量抽水承壓完整井流原理在導水裂隙導通含水層底部發生潰水潰砂時并不成立，由于此時涌水量并非定值，而是隨著時間變化的，因此將其等效成為單井定流量抽水顯然與實際不符。同時，含水層涌水量采用承壓-無壓流量預計公式，含水層涌水量為其中，k為含水層滲透系數；根據達西定律推導礦井涌水量為q＝kaj，其中q為涌水量，k為滲透系數，i為實際水力坡度，a為過水面積，表示以r為底面半徑、含水層厚度m為高的圓柱形涌水通道的側面積，即a＝2πrm；將兩式聯立得到在采動應力與承壓水耦合效應影響下，當覆巖導水裂隙波含水層后，往往伴隨著含水層內部土體發生破壞，在土體破壞區域內(塑性破壞區)滲透系數急劇增大，成為主要潰水、潰砂的通道，因此將理論模型中圓柱形導水通道的滲透系數k1視為含水層初始滲透系數k是不合理的，運用該方法計算所得的實際水力坡度值顯然是過高的，會存在數量級的差別。
6、2、基于單井定降深模型條件原理推導實際水力坡度的過程中存在以下問題：該模型中雖然考慮到了潰水潰砂過程中流量不恒定的弊端，但工作面在回采過程中，只有當導水裂隙帶發育至含水層形成突水通道之后才有可能發生潰水潰砂事故，且潰水是潰砂的前提條件，在該過程中煤層頂板覆巖、基巖風化帶、松散層底部含水層等在采動應力影響區域內滲透系數均會發生改變，且改變程度與其所處彈性或塑性的狀態有關，在彈性范圍內有滲透系數隨有效應力變化而變化，在塑性破壞范圍內滲透系數與裂隙特征參數相關，可能會發生數量級的改變。因此當覆巖、風化帶、含水層的滲透系數發生改變后，直接影響著實際水力坡度的計算結果，反之，各層位滲透系數改變后也會影響著應力分布狀態，忽略采動應力與承壓水耦合效應的影響，對水力坡度的計算結果會產生極大影響。因此如何提出一種能夠基于流固耦合效應計算導水通道內的實際水力坡度的方法至關重要。
技術實現思路
1、本專利技術的技術方案用于解決在采動應力與松散層承壓水耦合效應影響下，當覆巖導水裂隙擴展至松散含水層后如何計算導水通道內的實際水力坡度值的問題。
2、本專利技術是通過以下技術方案解決上述技術問題的：
3、一種基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，包括以下步驟：
4、s1、依托地質勘查鉆孔獲取松散含水層土樣及煤樣、頂板覆巖層巖樣若干；
5、s2、確定數值模擬所需的參數，并建立實際水力坡度數值計算模型；
6、s3、對數值計算模型設定位移邊界條件、應力邊界條件以及破壞準則，輸入步驟s2獲取的參數，啟動固體力學模式，同時關閉流體力學模式，進行初始應力平衡計算；
7、s4、利用fish語言按照單元格遍歷的原則，編寫覆巖、基巖風化帶、松散含水層各層位單元格在彈性未破壞范圍及塑性破壞范圍內滲透系數變化關系；
8、s5、同時啟動固體力學模式和流體力學模式，基于流固耦合效應對回采工作面進行開挖計算，尋找松散含水層的導水通道；
9、s6、利用fish語言遍歷各導水通道內含水層頂部及底部的各網格節點，定義水力坡度函數，分別計算各導水通道內水力坡度的數值范圍；
10、s7、遍歷所有導水通道內水力坡度的數值范圍，分別取水力坡度的最大值與最小值作為實際水力坡度的上下限，得到基于流固耦合效應的實際水力坡度范圍。
11、進一步地，步驟s2中所述確定數值模擬所需的參數，并建立實際水力坡度數值計算模型；具體為：通過室內物理力學測試、水理性測試以及松散含水層的壓水試驗結果，獲取各層位土樣與巖樣的物理力學參數與水理性參數；獲取回采工作面附近水文長觀孔的水位數據以及松散含水層標高數據，計算出松散含水層水壓p；根據各層位巖性及高度繪制回采工作面的綜合鉆孔柱狀圖，運用flac3d軟件，依據回采工作面中勘查區域的鉆孔柱狀圖建立實際水力坡度數值計算模型。
12、進一步地，所述物理力學參數包括單軸抗壓強度rc、彈性模量e、抗拉強度rt、內聚力c、內摩擦角所述水理性參數包括滲透系數k。
13、進一步地，步驟s3中所述破壞準則為莫爾-庫倫屈服準則。
14、進一步地，步驟s4中所述彈性未破壞范圍內滲透系數k1的表達式如下：
15、k1＝k0exp(-ασ)
16、式中，k0為各單元格初始滲透系數，α為試驗參數，σ為各單元格有效應力，其值為各單元格三個方向主應力均值與孔隙壓力之差。
17、進一步地，步驟s4中所述塑性破壞范圍內滲透系數km的表達式如下：
18、
19、式中，w為巖體或土體的損傷變量，對于發生破壞的巖體或土體而言，w>0；為破壞巖體或土體當前的孔隙率，為初始孔隙率，為高應力狀態下的殘余孔隙度，σ為平本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S2中所述確定數值模擬所需的參數，并建立實際水力坡度數值計算模型；具體為：通過室內物理力學測試、水理性測試以及松散含水層的壓水試驗結果，獲取各層位土樣與巖樣的物理力學參數與水理性參數；獲取回采工作面附近水文長觀孔的水位數據以及松散含水層標高數據，計算出松散含水層水壓p；根據各層位巖性及高度繪制回采工作面的綜合鉆孔柱狀圖，運用Flac3D軟件，依據回采工作面中勘查區域的鉆孔柱狀圖建立實際水力坡度數值計算模型。
3.根據權利要求2所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，所述物理力學參數包括單軸抗壓強度Rc、彈性模量E、抗拉強度Rt、內聚力C、內摩擦角所述水理性參數包括滲透系數k。
4.根據權利要求1所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S3中所述破壞準則為莫爾-庫倫屈服準則。
5.根據權利要求1所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其
6.根據權利要求5所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S4中所述塑性破壞范圍內滲透系數km的表達式如下：
7.根據權利要求6所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S6中所述水力坡度函數的表達式如下：
8.根據權利要求7所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S6中所述水力坡度函數的最大值Jmax與最小值Jmin的表達式如下：
9.根據權利要求8所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟S7中所述實際水力坡度的范圍具體為：
10.一種基于流固耦合效應的實際水力坡度計算系統，其特征在于，包括樣本采集模塊、模型建立模塊、初始應力平衡計算模塊、滲透系數變化模塊、開挖計算模塊、水力坡度計算模塊和實際水力坡度計算模塊；
...【技術特征摘要】
1.一種基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟s2中所述確定數值模擬所需的參數，并建立實際水力坡度數值計算模型；具體為：通過室內物理力學測試、水理性測試以及松散含水層的壓水試驗結果，獲取各層位土樣與巖樣的物理力學參數與水理性參數；獲取回采工作面附近水文長觀孔的水位數據以及松散含水層標高數據，計算出松散含水層水壓p；根據各層位巖性及高度繪制回采工作面的綜合鉆孔柱狀圖，運用flac3d軟件，依據回采工作面中勘查區域的鉆孔柱狀圖建立實際水力坡度數值計算模型。
3.根據權利要求2所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，所述物理力學參數包括單軸抗壓強度rc、彈性模量e、抗拉強度rt、內聚力c、內摩擦角所述水理性參數包括滲透系數k。
4.根據權利要求1所述的基于流固耦合效應的實際水力坡度計算方法，其特征在于，步驟s3中所述破壞準則為莫爾-庫倫屈服準則。...
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