CN104196569B - 充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，涉及矿山压力控制技术技术领域。包括以下步骤：分析充填采煤工作面岩层综合柱状图，确定直接顶、含水层下方隔水层以及与其上、下相邻岩层的位置与厚度；在充填采煤支架控制顶板区域通过安装位移传感器，测量充填前顶板下沉量，使用工具取出采煤工作面区域的圆柱状岩石样品，在实验室条件下，测量各岩层参数；根据上述参数计算得出稳定隔水层允许沉降空间H_b与直接顶下沉量h_b的值；利用隔水层不被破坏的边界条件公式h_b≤H_b，得出填充物的密实充填率k_b的边界值。所述预测方法能够判断充填采煤工作面上隔水层是否稳定，并根据得出的结果控制充填物的填充，降低充填采煤成本，提高矿山经济效益。

Description

充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法

技术领域

本发明涉及矿山压力控制技术领域，尤其涉及一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法。

背景技术

水是人类赖以生存和发展的重要资源。当前，水资源生态体系随大环境的变化已经显得十分脆弱，保持水资源现有状况日益困难。水资源生态体系的破坏往往是不可逆的，而且易朝着不利于人类利用的方向发展，因此，有必要采取技术手段维护水资源生态体系的良性循环。煤炭开采是向大自然获取资源，必然会对矿区水资源造成影响。矿区的地表塌陷不仅破坏了矿区的地表水系，对地下水资源也造成了不同程度的影响。地下稳定隔水层由于采矿引起岩层垮落，水横向流动变为纵向流动，形成不容易恢复的破坏。

为了保护水资源，冀中能源在保水采煤方面做了大量工作，尤其是利用充填采煤控制上覆岩层运移，保护煤层上方和地面水系，为保水开采提供了一条新的技术途径。近年来，不少煤炭企业在保护水资源方面做了大量工作，并取得一定成效。目前采用的技术途径有2种:①采前定位封堵，减少地下水流经采场；②利用回灌方式和地下存储的方式在稳定隔水层和采空区保存采出的水资源。这两种方式虽然已应用于煤炭企业，但这需要前期技术配套和后期的技术管理，并且后者是采后治理。

煤矿水资源与矿区生态环境密切相关，因此，煤矿水资源的破坏影响的不仅仅是煤炭企业本身，而是整个矿区的水环境。水是维护生态环境的重要因素，同时水资源具有其自身变化的客观规律，对它的破坏有时是不可恢复的。因此，对于水资源，不能破坏后再去治理，而是要最大限度地减少对水资源的扰动，不破坏水资源维持的边界条件，这是对采煤提出的又一课题。

充填开采是将充填体充满煤层采出空间，控制上覆岩层的运移。在开采上组煤时，煤层上方多有稳定隔水层，地表也有河流、湖泊形成的水系，随着煤层采动引起上覆岩层的垮落，地下稳定隔水层和地表水系都受到破坏。利用充填采煤，控制上覆岩层运动尤其是稳定隔水层不受破坏，使采煤过程在不破坏水资源的边界条件之内进行，合理地保护水资源，建立一种有效保护水资源的安全采煤方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，所述预测方法能够判断充填采煤工作面上隔水层是否稳定，并根据得出的结果控制充填物的填充，降低充填采煤成本，提高矿山经济效益。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分析充填采煤工作面岩层综合柱状图，确定直接顶、含水层下方隔水层以及与其上、下相邻岩层的位置与厚度；

(2)在采煤层支架控制顶板区域通过安装位移传感器，测量充填前顶板下沉量，使用工具取出采煤工作面区域的圆柱状岩石样品，在实验室条件下，测量各岩层的相关参数；

(3)根据上述参数计算得出稳定隔水层下沉量H_b与直接顶下沉量h_b的值；

(4)利用隔水层不被破坏的边界条件公式h_b≤H_b，得出填充物的密实充填率k_b的边界值，如果密实充填率k_b的值小于k_b的边界值则隔水层是不稳定的，如果密实充填率k_b的值大于或等于k_b的边界值则隔水层是稳定的。

进一步的技术方案在于：各岩层的相关参数包括容重、弹性模量、弯曲拉应力、岩性影响系数、岩体完整性系数以及直接顶岩石饱和单轴抗压强度参数。

进一步的技术方案在于：直接顶下沉量h_b的表达式为

h_b＝U₁+U₂+U₃(1)

其中：U₁为充填前顶板下沉量，U₂为充填后顶板下沉量，U₃为直接顶岩体特性下沉量；

将采出煤炭的密实体积与充填体初充体积之比作为充填率k_h，但考虑到此时已经存在下沉量U₁，所以有：

$k_h=\frac{h_f}{H_c-U_1}---\left(2\right)$

其中，H_c为煤层厚度，h_f为充填体初充高度；

不同的充填体充填到工作面，其与实际岩体存在差别，用密实度k_ys描述，用充填体被压实最终体积V_ys与初充体积V_s之比表示，即

$k_{ys}=\frac{V_{ys}}{V_s}---\left(3\right)$

充填率是充填空间与充填物的容积关系，密实度是充填体初充与形成不可压缩体的比例关系，采用采空区达到充分采动后的充填率与密实度的乘积衡量充填效果，可定义为密实充填率k_b，则有

k_b＝k_hk_ys(4)

结合岩土力学原理，联立式(1)-(4)可得

U₂＝(H_c-U₁-U₃)(1-k_b)(5)

直接顶岩体特性下沉量U₃主要由其本身的岩性决定，依据岩体力学《工程岩体分级标准》，分析直接顶岩体特性下沉量U₃为

$U_3=\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(6\right)$

式中，α为直接顶岩性影响系数，R_cw为不同岩层饱和单轴抗压强度，K_v为不同岩体完整性系数；

结合式(5)和(6)，可以确定直接顶下沉量h_b为

$h_b=U_1+(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v})(1-k_b)+\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(7\right)$

简化可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v})k_b---\left(8\right)$

进一步的技术方案在于：构建稳定隔水层沉降结构力学模型，不论采煤方式和充填效果如何，都会在采煤区上方产生允许沉降空间H_b，由于原岩应力被打破，上覆岩层发生运移并趋于平衡，在这个过程中，充填体强度不断变大，直到达到不可被压缩后，形成新的应力平衡，这时，稳定隔水层也形成一个稳定隔水层实际沉降量H_g，从稳定隔水层采动沉降结构力学模型可以得到稳定隔水层沉降平衡方程，即

$H_b=H_g+\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i{\mathrm{\γ}}_i-{\mathrm{h\γ}}_g}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i{E}_i}\underset{0}{\overset{l_0}{\∫}}\frac{{\mathrm{q\γ}}_g}{{\mathrm{E\σ}}_x}{d}_x---\left(9\right)$

式中，为稳定隔水层下部岩层厚度，m，γ_i为各岩层容重，单位为10^-3kN/m³，γ_g为稳定隔水层岩体容重，单位为10^-3kN/m³，l₀为充填工作面走向长度，单位为m，E_i为各岩层弹性模量，单位为Mpa，E为稳定隔水层弹性模量，单位与Mpa，σ_x为稳定隔水层拉应力，单位为MPa；h为稳定隔水层高度，单位为m。

结合平衡方程，稳定隔水层实际下沉量H_g为

$H_g=H_b-\frac{{\mathrm{q\γ}}_g{l}_0^2}{64{\mathrm{E\σ}}_g}(k_A-1)---\left(10\right)$

式中，σ_g为稳定隔水层实际拉应力，单位与MPa；k_A为稳定隔水层下覆岩层变形系数。

令β＝γ_g/64Eσ_g，在上覆岩层载荷q作用下，充填体压实过程中H_g的大小主要由允许沉降空间、上覆岩层载荷、自身岩性及其下覆岩层地质特征决定，式(10)可简化为

$H_g=H_b-{\mathrm{\βql}}_0^2(k_A-1)---\left(11\right)$

进一步的技术方案在于：隔水层实际最大下沉量公式为

$H_{g\max }=h\cos \left({\tan }^{-1}\frac{h\sqrt{2{\mathrm{\γgh}}_s^2{\mathrm{\σ}}_0\left(h_s+h_c\right)}}{2h_s^2{\mathrm{\σ}}_0}\right)---\left(12\right)$

式中，σ₀为稳定隔水层实际最大拉应力，单位为MPa；h_s为稳定隔水层相邻下部岩层厚度，单位为m；h_c为稳定隔水层相邻上部岩层厚度，单位为m；

在以上因素共同作用下，最终决定了H_gmax的大小，令常量其代表由稳定隔水层和上下相邻岩层厚度的影响下引起的岩层最大转角的正切值，则上式简化为

H_gmax＝hcos(tan^-1γ)(13)

稳定隔水层不被破坏的临界条件为H_g＝H_gmax，而H_g的变化受H_b的影响，可见H_b是控制的要素，从式(11)，(13)可以得出

$H_b=hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\γ}\right)+{\mathrm{q\βl}}_0^2(k_A-1)---\left(14\right)$

为了使充填开采满足保护含水层的目的，结合式(8)，(12)，建立稳定隔水层不被破坏的边界条件为

h_b≤H_b(15)

联立公式(8)，(14)及式(15)，可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-U_3)k_b\≤hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\γ}\right)+{\mathrm{q\βl}}_0^2(k_A-1)---\left(16\right)$

从人为控制因素角度考虑，整个充填过程中，通过各种方法只能控制k_b，U₁和U₃三个变量以改变直接顶下沉量h_b，并与允许最大沉降空间H_b进行比较:当h_b满足h_b≤H_b时，则表明在人为调控作用下，直接顶下沉量h_b并没有使H_g超过实际最大下沉量这一最高指标，隔水层的稳定性在可控范围内；反之，当h_b满足h_b＞H_b时，则意味着隔水层稳定性被打破，失去对含水层的保护能力。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：(1)本发明采用充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，在实验室条件下测得各岩石参数作为基础数据，并结合直接顶下沉量h_b与理论推导结果实际最大下沉量H_gmax，推算出密实充填率的临界值，进而为合理安排充填采煤计划、修正施工方案、预防隔水层破断的发生提供依据。(2)本发明利用基础参数，间接推算出隔水层稳定的边界条件，不仅为工作面提供充填参照标准，又消除了充填作业的盲目性，还为充前液压支架控制顶板下沉提供控制标准。(3)本发明采用的充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，降低了充填采煤成本，提高了充填采煤效率和矿山经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中充填开采岩层移动的主要影响因素图；

图2是本发明中稳定隔水层采动沉降结构力学模型；

其中：1、地表2、含水层3、稳定隔水层4、充填体。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明公开了一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，包括以下步骤：

(1)分析充填采煤工作面岩层综合柱状图，确定直接顶、含水层下方隔水层以及与其上、下相邻岩层的位置与厚度；

(2)在采煤层支架控制顶板区域通过安装位移传感器，测量充填前顶板下沉量，使用工具取出采煤工作面区域的圆柱状岩石样品，在实验室条件下，测量各岩层容重、弹性模量、弯曲拉应力、岩性影响系数、岩体完整性系数以及直接顶岩石饱和单轴抗压强度参数；

(3)根据上述参数计算得出稳定隔水层下沉量H_b与直接顶下沉量h_b的值；

(4)利用隔水层不被破坏的边界条件公式h_b≤H_b，得出填充物的密实充填率k_b的边界值，如果密实充填率k_b的值小于k_b的边界值则隔水层是不稳定的，如果密实充填率k_b的值大于或等于k_b的边界值则隔水层是稳定的。

上述步骤具体如下：

1.1直接顶下沉量影响因素

直接顶下沉量影响因素在充填采煤过程中，受充填装备、工艺和充填材料的影响必然会引起充填前顶板下沉量U₁与充填后顶板下沉量U₂，这两个下沉量尽管不容易消除，但可通过改变支架参数和结构、改善充填材料和工艺以及加强现场管理加以有效控制。但同时还存在一个绝不容被忽视且不受人为控制的因素-由直接顶自然岩性特点而引起的下沉，实际上充前与充后下沉量都与其有关。将由直接顶岩性和上覆岩层压力带来的直接顶下沉量定义为直接顶岩体特性下沉量U₃。充填开采岩层移动的主要影响因素如图1所示，由此，直接顶下沉量h_b的表达式为：

h_b＝U₁+U₂+U₃(1)

充填前顶板下沉量U₁是由充填采煤过程中液压支架控顶区内液压支架的支护强度、支撑结构和初撑力等因素形成的。充填是在支架下完成的，不容易实现所有空间全部充填，因此存在一个欠接顶量。同时，因为充填体的种类不同，充填的体积和形成支护顶板的实体体积也有差别。将采出煤炭的密实体积与充填体初充体积之比作为充填率k_h，但考虑到此时已经存在下沉量U₁，所以有

$k_h=\frac{h_f}{H_c-U_1}---\left(2\right)$

其中，H_c为煤层厚度，h_f为充填体初充高度；

不同的充填体充填到工作面，其与实际岩体存在差别，用密实度k_ys描述，用充填体被压实最终体积V_ys与初充体积V_s之比表示，即

$k_{ys}=\frac{V_{ys}}{V_s}---\left(3\right)$

充填率是充填空间与充填物的容积关系，密实度是充填体初充与形成不可压缩体的比例关系，采用采空区达到充分采动后的充填率与密实度的乘积衡量充填效果，可定义为密实充填率k_b，则有

k_b＝k_hk_ys(4)

结合岩土力学原理，联立式(1)-(4)可得

U₂＝(H_c-U₁-U₃)(1-k_b)(5)

直接顶岩体特性下沉量主要由其本身的岩性决定，依据岩体力学《工程岩体分级标准》，分析直接顶岩体特性下沉量U₃为

$U_3=\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(6\right)$

式中，α为直接顶板岩性影响系数；R_cw为不同岩层饱和单轴抗压强度；K_v为不同岩体完整性系数；

结合式(5)和(6)，可以确定直接顶下沉量h_b为

$h_b=U_1+(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v})(1-k_b)+\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(7\right)$

简化可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\α}}{90+3R_{cw}+250K_v})k_b---\left(8\right)$

在充填开采过程中，直接顶的下沉量与煤层厚度、充前顶板下沉量、直接顶的岩性以及采区的密实充填率等因素有关。通过控制充填采煤液压支架、充填材料强度、密实充填率、充填工艺等可以影响充填前顶板下沉量和充填后顶板下沉量的变化；而直接顶岩体特性下沉量由煤层上覆岩层压力和直接顶岩体力学自然属性决定，其对充前顶板下沉量和充后顶板下沉量有影响，同时装备和工艺的变化也影响直接顶岩体特性下沉量。采用膏体或高水材料充填时，充填材料压缩量很小，此时可视k_ys＝1，密实充填率大小主要由充填率k_h决定；当采用固体充填时，随着上覆岩层缓慢的弯曲下沉，充填体逐渐被压实，此时可以确定0<k_ys﹤1，密实充填率k_h由密实度k_ys与充填率k_h两种因素共同决定。

1.2稳定隔水层力学模型

为理论状态下稳定隔水层的极限下沉量，以传递岩梁理论为基础，构建稳定隔水层采动沉降结构力学模型，如图2所示。不论采煤方式和充填效果如何，都会在采区上方产生允许沉降空间H_b。由于原岩应力被打破，上覆岩层发生运移并趋于平衡，在这个过程中，充填体强度不断变大，直到达到不可被压缩后，形成新的应力平衡，这时，稳定隔水层也形成一个沉降量H_g。

在采矿活动中，上覆岩层应力由非弹性地基所支撑，稳定隔水层受均匀分布的载荷q作用。在同一岩层条件下，不同的允许沉降空间、开采程序和时空关系，稳定隔水层实际下沉量H_g会出现不同变化。因此，确定稳定隔水层的实际沉降值必须考虑地质条件、自身岩性的变形能力以及允许下沉空间高度的影响。从稳定隔水层采动沉降结构力学模型可以得到稳定隔水层沉降平衡方程，即

$H_b=H_g+\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{h}_i{\mathrm{\&gamma;}}_i-{\mathrm{h\&gamma;}}_g}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{h}_i{E}_i}\underset{0}{\overset{l_0}{\&Integral;}}\frac{{\mathrm{q\&gamma;}}_g}{{\mathrm{E\&sigma;}}_x}{d}_x---\left(9\right)$

式中，为稳定隔水层下部岩层厚度，单位为m，γ_i为各岩层容重，单位为10^{- 3}kN/m³，γ_g为稳定隔水层岩体容重，单位为10^-3kN/m³，l₀为充填工作面走向长度，单位为m，E_i为各岩层弹性模量，单位为Mpa，E为稳定隔水层弹性模量，单位与Mpa，σ_x为稳定隔水层拉应力，单位为MPa；h为稳定隔水层高度，单位为m。

结合平衡方程，稳定隔水层实际下沉量H_g为

$H_g=H_b-\frac{{\mathrm{q\&gamma;}}_g{l}_0^2}{64{\mathrm{E\&sigma;}}_g}(k_A-1)---\left(10\right)$

式中，σ_g为稳定隔水层实际拉应力，单位与MPa；k_A为稳定隔水层下覆岩层变形系数；

令β＝γ_g/64Eσ_g，在上覆岩层载荷q作用下，充填体压实过程中H_g的大小主要由允许沉降空间、上覆岩层载荷、自身岩性及其下覆岩层地质特征决定，式(10)可简化为

$H_g=H_b-{\mathrm{\&beta;ql}}_0^2(k_A-1)---\left(11\right)$

这是在充填采煤影响作用下，直接顶下沉后而引起的稳定隔水层的实际下沉量，这个下沉量是否能够保证稳定隔水层不被破坏，还要取决于稳定隔水层不被破坏的实际最大下沉量。研究证明，稳定隔水层自身岩性、厚度以及矿压显现引起的岩层转角对稳定隔水层实际最大下沉量产生的影响是内部因素，在既定地质条件下，稳定隔水层上下相邻岩层同样会影响稳定隔水层实际下沉量，这是外部因素。稳定隔水层的厚度越小、强度越低和推进方向上裂隙发育越充分，则其实际最大下沉量也越大，即

$H_{g\max }=h\cos \left({\tan }^{-1}\frac{h\sqrt{2{\mathrm{\&gamma;gh}}_s^2{\mathrm{\&sigma;}}_0\left(h_s+h_c\right)}}{2h_s^2{\mathrm{\&sigma;}}_0}\right)---\left(12\right)$

式中，σ₀为稳定隔水层实际最大拉应力，单位为MPa；h_s为稳定隔水层相邻下部岩层厚度，单位为m；h_c为稳定隔水层相邻上部岩层厚度，单位为m；

在以上因素共同作用下，最终决定了H_gmax的大小，令常量其代表由稳定隔水层和上下相邻岩层厚度的影响下引起的岩层最大转角的正切值，则上式简化为

H_gmax＝hcos(tan^-1γ)(13)

1.3稳定隔水层破坏的边界条件

通过上述理论分析，可以得知在充填开采过程中，允许沉降空间H_b对控制稳定隔水层实际下沉量有直接影响。而稳定隔水层实际最大下沉量H_g为隔水层自然特性，当上覆岩层载荷增大且h_b又足够大时，稳定隔水层会随着下覆岩层缓慢下沉，最终形成的实际弯曲下沉量不断增大，直到达到最大允许沉降空间后，稳定隔水层丧失了保护含水层的能力。因此，稳定隔水层不被破坏的临界条件为H_g＝H_gmax，而H_g的变化受H_b的影响，可见H_b是控制的要素，从式(11)，(13)可以得出

$H_b=hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\&gamma;}\right)+{\mathrm{q\&beta;l}}_0^2(k_A-1)---\left(14\right)$

从整体过程不难看出，允许沉降空间H_b影响着充填区域上覆岩层矿压运移情况，也直接决定着隔水层的稳定性。式(8)描述的是在充填采煤过程中，特定地质因素和人为控制因素作用下直接顶下沉量h_b的形成过程；而式(12)则是以传递岩梁理论为基础，运用岩体力学原理理论计算稳定隔水层不破坏时，允许沉降空间的最高限度值，这是衡量隔水层稳定性的重要指标。为了使充填开采满足保护含水层的目的，结合式(8)，(12)，建立稳定隔水层不被破坏的边界条件为

h_b≤H_b(15)

联立公式(8)，(14)及式(15)，可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-U_3)k_b\&le;hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\&gamma;}\right)+{\mathrm{q\&beta;l}}_0^2(k_A-1)---\left(16\right)$

从人为控制因素角度考虑，整个充填过程中，通过各种方法只能控制k_b，U₁和U₃三个变量以改变直接顶下沉量h_b，并与允许最大沉降空间H_b进行比较:当h_b满足h_b≤H_b时，则表明在人为调控作用下，直接顶下沉量h_b并没有使H_g超过实际最大下沉量这一最高指标，隔水层的稳定性在可控范围内；反之，当h_b满足h_b＞H_b时，则意味着隔水层稳定性被打破，失去对含水层的保护能力。

某煤矿充填工作面埋深380m，工作面倾向长度为80m，平均倾角5°，平均采高5m。工作面上方60m有含水层，为在含水层下安全地进行采煤，在不能判断含水层是否稳定的情况下尽可能的提高充填体的密实充填率，以确保含水层稳定，生产安全，但采煤成本过高，生产效率相对较低，严重影响煤矿的经济效益。

采用充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法对工作面进行预测，确定工作面上含水层稳定的边界条件，具体的步骤如下：

(1)分析充填工作面煤层综合柱状图，确定直接顶厚度1.5m，隔水层在工作面上方60m，厚度h为6m。隔水层相邻下部岩层厚度为h_s为3.2m，隔水层相邻上部岩层厚度h_c为3.6m

(2)在岩芯库取隔水层岩芯，制作成实验室标准试块，在室内进行岩石力学基础实验，测量隔水层容重γ_g为19.6kN/m³，隔水层弹性模量E为43.96GPa，隔水层抗拉强度σ₀为3.1MPa。

(3)上覆岩层载荷q＝γH＝13.1kN/m³×320m＝4.192MPa，充填工作面走向充填步距l₀为25m，结合理论条件下H_g和H_gmax计算公式，计算得出H_b为1.863m。采高H_c为5m，充填工作面现场监测支架及直接顶岩体特性下沉量为0.38m。

(4)利用隔水层不被破坏的边界条件公式h_b，得出密实充填率k_b≥67.89％，即为保证隔水层稳定，密实充填率必须不低于67.89％这一指标。

在现场生产过程中，该工作面将充填体密实充填率控制在70％以上，工作面淋水量在安全控制范围内，确保了隔水层的稳定性。应用该预测方法将充填体密实充填率降低至70％，减少了充填材料用量，提高了充填工作效率，为煤矿企业带来巨大经济效益。

Claims (5)

1.一种充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分析充填采煤工作面岩层综合柱状图，确定直接顶、含水层下方隔水层以及与其上、下相邻岩层的位置与厚度；

(2)在采煤层支架控制顶板区域通过安装位移传感器，测量充填前顶板下沉量，使用工具取出采煤工作面区域的圆柱状岩石样品，在实验室条件下，测量各岩层的相关参数；

(3)根据上述参数计算得出稳定隔水层下沉量H_b与直接顶下沉量h_b的值；

(4)利用隔水层不被破坏的边界条件公式h_b≤H_b，得出填充物的密实充填率k_b的边界值，如果密实充填率k_b的值小于k_b的边界值则隔水层是不稳定的，如果密实充填率k_b的值大于或等于k_b的边界值则隔水层是稳定的；

充填率是充填空间与充填物的容积关系，密实度是充填体初充与形成不可压缩体的比例关系，采用采空区达到充分采动后的充填率与密实度的乘积衡量充填效果，定义为密实充填率。

2.根据权利要求1所述的充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于：各岩层的相关参数包括容重、弹性模量、弯曲拉应力、岩性影响系数、岩体完整性系数以及直接顶岩石饱和单轴抗压强度参数。

3.根据权利要求1或2所述的充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于：

直接顶下沉量h_b的表达式为

h_b＝U₁+U₂+U₃(1)

其中：U₁为充填前顶板下沉量，U₂为充填后顶板下沉量，U₃为直接顶岩体特性下沉量；

将采出煤炭的密实体积与充填体初充体积之比作为充填率k_h，但考虑到此时已经存在下沉量U₁，所以有：

$k_h=\frac{h_f}{H_c-U_1}---\left(2\right)$

其中，H_c为煤层厚度，h_f为充填体初充高度；

不同的充填体充填到工作面，其与实际岩体存在差别，用密实度k_ys描述，用充填体被压实最终体积V_ys与初充体积V_s之比表示，即

$k_{ys}=\frac{V_{ys}}{V_s}---\left(3\right)$

充填率是充填空间与充填物的容积关系，密实度是充填体初充与形成不可压缩体的比例关系，采用采空区达到充分采动后的充填率与密实度的乘积衡量充填效果，可定义为密实充填率k_b，则有

k_b＝k_hk_ys(4)

结合岩土力学原理，联立式(1)-(4)可得

U₂＝(H_c-U₁-U₃)(1-k_b)(5)

直接顶岩体特性下沉量主要由其本身的岩性决定，依据岩体力学《工程岩体分级标准》，分析直接顶岩体特性下沉量U₃为

$U_3=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(6\right)$

式中，α为直接顶岩性影响系数，R_cw为不同岩层饱和单轴抗压强度，K_v为不同岩体完整性系数；

结合式(5)和(6)，可以确定直接顶下沉量h_b为

$h_b=U_1+\left(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{90+3R_{cw}+250K_v}\right)\left(1-k_b\right)+\frac{\mathrm{\&alpha;}}{90+3R_{cw}+250K_v}---\left(7\right)$

简化可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{90+3R_{cw}+250K_v})k_b---\left(8\right).$

4.根据权利要求3所述的充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于：

构建稳定隔水层沉降结构力学模型，不论采煤方式和充填效果如何，都会引起稳定隔水层产生允许沉降空间H_b，由于原岩应力被打破，上覆岩层发生运移并趋于平衡，在这个过程中，充填体强度不断变大，直到达到不可被压缩后，形成新的应力平衡，这时，稳定隔水层也形成一个稳定隔水层实际沉降量H_g，从稳定隔水层采动沉降结构力学模型可以得到稳定隔水层沉降平衡方程，即

$H_b=H_g+\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{h}_i{\mathrm{\&gamma;}}_i-{\mathrm{h\&gamma;}}_g}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{h}_i{E}_i}\underset{0}{\overset{l_0}{\&Integral;}}\frac{{\mathrm{q\&gamma;}}_g}{{\mathrm{E\&sigma;}}_x}{d}_x---\left(9\right)$

式中，为稳定隔水层下部岩层厚度，m，γ_i为各岩层容重，单位为10^-3kN/m³，γ_g为稳定隔水层岩体容重，单位为10^-3kN/m³，l₀为充填工作面走向长度，单位为m，E_i为各岩层弹性模量，单位为Mpa，E为稳定隔水层弹性模量，单位与Mpa，σ_x为稳定隔水层拉应力，单位为MPa；h为稳定隔水层高度，单位为m；

结合平衡方程，稳定隔水层实际下沉量H_g为

$H_g=H_b-\frac{{\mathrm{q\&gamma;}}_g{l}_0^2}{64{\mathrm{E\&sigma;}}_g}(k_A-1)---\left(10\right)$

式中，σ_g为稳定隔水层实际拉应力，单位与MPa；k_A为稳定隔水层下覆岩层变形系数；

令β＝γ_g/64Eσ_g，在上覆岩层载荷q作用下，充填体压实过程中H_g的大小主要由允许沉降空间、上覆岩层载荷、自身岩性及其下覆岩层地质特征决定，式(10)可简化为

$H_g=H_b-{\mathrm{\&beta;ql}}_0^2(k_A-1)---\left(11\right).$

5.根据权利要求4所述的充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法，其特征在于：

隔水层实际最大下沉量公式为

$H_{gmax}=hcos\left({\tan }^{-1}\frac{h\sqrt{2{\mathrm{\&gamma;}}_g{h}_s^2{\mathrm{\&sigma;}}_0(h_s+h_c)}}{2h_s^2{\mathrm{\&sigma;}}_0}\right)---\left(12\right)$

式中，σ₀为稳定隔水层实际最大拉应力，单位为MPa；h_s为稳定隔水层相邻下部岩层厚度，单位为m；h_c为稳定隔水层相邻上部岩层厚度，单位为m；

在以上因素共同作用下，最终决定了H_gmax的大小，令常量其代表由稳定隔水层和上下相邻岩层厚度的影响下引起的岩层最大转角的正切值，则上式简化为

H_gmax＝hcos(tan^-1γ)(13)

稳定隔水层不被破坏的临界条件为H_g＝H_gmax，而H_g的变化受H_b的影响，可见H_b是控制的要素，从式(11),(13)可以得出

$H_b=hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\&gamma;}\right)+{\mathrm{q\&beta;l}}_0^2(k_A-1)---\left(14\right)$

为了使充填开采满足保护含水层的目的，结合式(8)，(12)，建立稳定隔水层不被破坏的边界条件为

h_b≤H_b(15)

联立公式(8)，(14)及式(15)，可得

$h_b=H_c-(H_c-U_1-U_3)k_b\&le;hcos\left({\tan }^{-1}\mathrm{\&gamma;}\right)+{\mathrm{q\&beta;l}}_0^2(k_A-1)---\left(16\right)$

从人为控制因素角度考虑，整个充填过程中，通过各种方法只能控制k_b，U₁和U3三个变量以改变直接顶下沉量h_b，并与允许最大沉降空间H_b进行比较:当h_b满足h_b≤H_b时，则表明在人为调控作用下，直接顶下沉量h_b并没有使H_g超过实际最大下沉量这一最高指标，隔水层的稳定性在可控范围内；反之，当h_b满足h_b＞H_b时，则意味着隔水层稳定性被打破，失去对含水层的保护能力。