CN104462659B - 一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法 - Google Patents

一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法 Download PDF

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一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法,包括如下步骤:步骤一:分析煤层综合柱状图及覆岩物理力学性质覆岩特征及关键层分布;步骤二:根据关键层特征分析关键层初次断距及周期断距与工作面推进距离;步骤三:确定自由空间高度及关键层破断;步骤四:揭示坚硬覆岩矿压显现特征。在顶板覆岩煤层开采过程中,工作面前后方大范围内矿压显现剧烈及周期大压和周期小压等矿压显现异常的分析方法,解决了坚硬覆岩煤层工作面开采过程中矿压显现异常与坚硬顶板破断的关系,应用本发明可根据未开采区域的覆岩资料对即将开采的工作面矿压进行针对性的分析,效果明显,对正开采工作面提供矿压防治的理论与数据支持,对于坚硬覆岩煤层开采的矿压控制具有实用性。

Description

一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及煤矿矿压控制领域特别涉及一种坚硬覆岩煤层复合矿压显现分析方 法。
背景技术
[0002] 工作面矿压的控制是世界性难题之一,各种矿压控制理论层出不穷,如:德国施托 克的悬臂梁假说、德国人哈克和吉里策尔的压力拱假说、前苏联库兹涅佐夫的铰接岩块假 说、我国宋振骐院士的传递岩梁理论等等,这些理论虽然在一定程度上解决了一部分矿压 现象,但是由于坚硬顶板具有整体性强、硬度高、采后不易冒落、破断距大、断块大、冒落具 有强烈冲击性、大面积悬顶将使工作面四周煤体及巷道形成高应力集及裂隙带联通性好等 特征。造成了坚硬顶板条件下开采,工作面矿压显现强度大,大压、小压周期出现,矿压影响 范围大等异常现象,之前的理论不能很好的解释坚硬覆岩条件下矿压特殊性,对坚硬覆岩 条件下矿压的分析不能给出相对准确的理论与数据支撑,制约着坚硬覆岩条件下矿压灾害 的防治。
发明内容
[0003] 为解决上述现有技术的不足,本发明目的在于提供了一种坚硬覆岩复合矿压显现 分析方法,该方法能分析出了坚硬覆岩条件下,工作面开采过程中矿压显现异常的内在因 素,为坚硬覆岩工作面开采矿压防治措施的采取提供理论与数据依据,是一种物理意义明 确、可操作性强且对坚硬覆岩矿压显现的分析具有广泛实用性的分析方法。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
[0005] —种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法,包括如下步骤:
[0006] 步骤一:确定关键层分布
[0007] 根据开采区域的综合柱状图及覆岩的物理力学参数,第一、假设第1层岩层为坚硬 岩层,其上直至第m层岩层与之协调变形,而第m+1层岩层不与之协调变形,则第m+1层岩层 是第2层坚硬岩层,由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为
Figure CN104462659BD00041
,其中式中GO U为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载 荷;lu、γ ,土分别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i = l,2,...,m),则第m+1层对第1层坚
Figure CN104462659BD00042
硬岩层形成的载荷为: 由于第m+1层为坚硬岩层,其挠度小于下部岩 ., 层的挠度,第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷,则必然有:ql (X) |m+1<qi(X) |m,根据上述原则,由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置;第二、硬岩层破断 距采用两端固支梁模型计算,则第k层硬岩层破断距Lk可由式
Figure CN104462659BD00051
计算,其中hk为 第k层硬岩层的厚度(m),〇k为第k层硬岩层的抗拉强度(MPa),qk为第k层硬岩层承受的载荷 (kN/m2);第三、第k层硬岩层若为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距,即 满足:Lk<Lk+1,若第k层硬岩层破断距U大于其上方第k+Ι层硬岩层破断距,则将第k+Ι层硬 岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算第k层硬岩层的破断距;根据以上三个过程, 确定关键层分布位置;
[0008] 步骤二:根据式I-III计算关键层初次断距U1和周期断距Izl及其与工作面推进距 离L:
Figure CN104462659BD00052
[0012] 其中,Iel为第i关键层初次断距,Izl为第i关键层周期断距,Ill为第i关键层厚度,O1 为第i关键层的抗拉强度,k为第i关键层的弱化系数,岩体力学性质的参数取值岩块的1/5 〜1/3取值,qi为第i关键层承受的载荷,L为工作面推进距离,H1为第i关键层距工作面距离, P为覆岩垮落角;
[0013] 步骤三:确定自由空间高度△及关键层破断
[0014] 根据式IV、V计算自由空间高度Δ及关键层最大挠度comax:
Figure CN104462659BD00053
[0017] 其中,Lk为关键层破断长度,V为煤层高度,M为采高,η为顶煤放出率,kM为煤层碎 胀系数,L为工作面推进距离,hk为垮落高度,为覆岩垮落角,kY为岩石碎胀系数,q为关键
Figure CN104462659BD00054
层所受均布载荷,Lx为关键层悬空长度,E为关键层弹性模量,ξ为关键层弹性模量弱化系 数,h为关键层厚度;
[0018]对于关键层的破断由以下条件判断:
Figure CN104462659BD00055
[0020] 步骤四:揭示坚硬覆岩矿压显现特征
[0021] 根据式VI-VIII计算关键层初次破断产生的集中应力P。和周期破断产生的集中应 力Pz及由此对工作面产生的集中应力系数k:
Figure CN104462659BD00056
Figure CN104462659BD00061
[0025] 其中,Lc为关键层初次断距,Lz为关键层周期断距,h为关键层厚度,q为关键层受到 载荷,Z为距离集中载荷P的垂直距离,X为距离煤壁的距离,1为应力达到峰值时距煤壁距 离;
[0026] 之后根据关键层断距及其与工作面推进距离的关系,综合分析不同覆岩复合破断 过程中集中应力及其系数的大小,根据集中应力系数k>l.05确定覆岩破断应力影响范围, 依据集中应力的大小,确定覆岩复合破断对工作面矿压的影响程度,进而确定工作面矿压 的来源,为揭示矿压显现机理、防治矿压灾害等提供理论依据和数据,降低矿压显现的影 响。
[0027] 相对于现有技术,本发明的有益效果为:
[0028] 本发明提供了坚硬覆岩复合矿压显现分析方法,该方法中涉及的各项数据,均可 以在工作面开采设计之前,根据地质资料、实验室试验等方式实现,本发明能够为工作面设 计阶段提供数据支持,对工作面开采过程中如何采取矿压防治措施提供理论与数据依据, 降低工作面矿压灾害,本发明对于坚硬顶板条件下矿压的分析具有广泛的实用性。
附图说明
[0029] 图1为采用本发明的坚硬顶板工作面关键层分布图
[0030] 图2为由本发明分析得出工作面推进33.2m亚关键层I垮落特征(初次垮落)
[0031] 图3为由本发明分析得出工作面推进69.4m亚关键层II垮落特征(老顶初次来压)
[0032] 图4为由本发明分析得出工作面推进178m主关键层垮落特征(双系联通)
[0033] 图5为由本发明分析得出工作面主关键层破断后覆岩垮落特征(矿压影响区域)
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0035] 一种坚硬顶板复合矿压分析方法,具体为一种坚硬顶板条件下,工作面开采矿压 的一种新的分析方法,为坚硬顶板工作面开采矿压防治提供理论支持,结合实例,如图1〜 图5所示,其具体包括以下步骤:
[0036] 步骤一:如图1,确定关键层分布
[0037] 根据开采区域的综合柱状图及覆岩的物理力学参数,第一、假设第1层岩层为坚硬 岩层,其上直至第m层岩层与之协调变形,而第m+1层岩层不与之协调变形,则第m+1层岩层 是第2层坚硬岩层,由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为
Figure CN104462659BD00062
,其中式中qi (X) |m为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载 荷;lu、γ nEj别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i = l,2,...,m),则第m+1层对第1层坚 硬岩层形成的载荷为:
Figure CN104462659BD00071
由于第m+1层为坚硬岩层,其挠度小于下部岩 层的挠度,第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷,则必然有:qi (X) |m+1<ql(x) |m,根据上述原则,由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置;第二、硬岩层破断 距采用两端固支梁模型计算,则第k层硬岩层破断距Lk可由式
Figure CN104462659BD00072
计算,其中hk为 第k层硬岩层的厚度(m),〇k为第k层硬岩层的抗拉强度(MPa),qk为第k层硬岩层承受的载荷 (kN/m2);第三、第k层硬岩层若为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距,即 满足:Lk<Lk+1,若第k层硬岩层破断距U大于其上方第k+Ι层硬岩层破断距,则将第k+Ι层硬 岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算第k层硬岩层的破断距;根据以上三个过程, 确定关键层分布位置;
[0038] 依据由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置、计算各硬岩层的破断距、各硬岩层的 破断距进行比较三个过程,根据工作面的覆岩资料,判定关键层的分布及命名见表1:
[0039] 表1对应关键层分布及特征
Figure CN104462659BD00073
[0041] 步骤二:根据下列式计算关键层初次断距U1和周期断距Izl及其与工作面推进距 离L:
Figure CN104462659BD00074
[0043] 其中,U为第i关键层初次断距,Izl为第i关键层周期断距,Iu为第i关键层厚度,〇1 为第i关键层的抗拉强度,k为第i关键层的弱化系数,岩体力学性质的参数取值岩块的1/5 〜1/3取值,qi为第i关键层承受的载荷,L为工作面推进距离,H1为第i关键层距工作面距离, 炉为覆岩垮落角;
[0044] 根据计算关键层破断距离及对应工作面推进距离见表2
[0045] 表2对应关键层破断距离及对应工作面推进距离
[0046]
Figure CN104462659BD00081
[0048] 步骤三:确定自由空间高度△及关键层破断
[0049] 根据下式计算自由空间高度△及关键层最大挠度comax:
Figure CN104462659BD00082
[0052] 其中,Lk为关键层破断长度,h7为煤层高度,M为采高,η为顶煤放出率,kM为煤层碎 胀系数,L为工作面推进距离,hk为垮落高度,为覆岩垮落角,kY为岩石碎胀系数,q为关键
Figure CN104462659BD00083
层所受均布载荷,Lx为关键层悬空长度,E为关键层弹性模量,ξ为关键层弹性模量弱化系 数,h为关键层厚度
[0053] 其自由空间高度Δ及关键层是否破断见表3
[0054] 表3对应自由空间高度Δ及关键层是否破断
[0055]
Figure CN104462659BD00084
[0056] 步骤四:揭示坚硬覆岩矿压显现特征
[0057] 根据下式计算关键层初次破断产生的集中应力P。和周期破断产生的集中应力匕及 由此对工作面产生的集中应力系数k:
Figure CN104462659BD00091
[0059] 其中,U为关键层初次断距,Lz为关键层周期断距,h为关键层厚度,q为关键层受到 载荷,Z为距离集中载荷P的垂直距离,X为距离煤壁的距离,1为应力达到峰值时距煤壁距 离;
[0060] 亚关键层I破断分析:亚关键层I发生初次垮落,亚关键层I初次垮落工作面矿压显 现不明显,亚关键层I周期断距,造成工作面周期小压;
[0061] 亚关键层II破断分析:亚关键层II发生初次破断,亚关键层II对上覆32.4m〜 143.5m范围内的岩层起主要支撑作用,造成工作面初次来压,初次来压步距为69.4m,工作 面前方应力集中系数为1.43,受亚关键层II初次破断影响距离范围为48m,亚关键层II周期 破断,造成工作面周期大压,老顶周期大压步距为31.8m,工作面前方应力集中系数为1.85, 亚关键层II周期破断影响距离为58m;
[0062] 主关键层破断分析:主关键层初次破断后采空区被充填满,没有自由空间,采空区 垮落矸石对关键层破断载荷起到缓冲作用,主关键层与亚关键层II的在工作面推进过程中 的耦合破断,增加了工作面的来压强度和影响范围,主关键层距上覆侏罗系14#煤层约 6.2m,主关键层的破断影响着双系煤层之间的联系,造成工作面采动影响范围大,影响工作 面后方约169m〜178m范围,主关键层初次破断时,应力集中系数为1.2,工作面前方受主关 键层初次破断影响距离为40m,主关键层周期破断时,应力集中系数为1.46,工作面前方受 主关键层周期破断影响距离为50m,主关键层与亚关键层复合破断时,应力集中系数为 2.31,工作面前方影响距离为66m,理论分析与工作面实际开采数据基本相符,具体对应关 系见表4
[0063] 表4对应工作面矿压显现理论分析与现场矿压监测对比
[0064]
Figure CN104462659BD00092
[0065]
Figure CN104462659BD00101
[0066] 综上,根据理论计算建议工作面开采到170m时加强工作面矿压监测,采取防冲措 施,降低矿压灾害的危险性。
[0067] 现有技术在工作面回采期间采取同样的矿压监测,对于工作面回采到何时加强矿 压监测,采取措施,不能给出一个合理、确切的数据,给工作面矿压的防治带来了一定困难, 如果对于设计工作面建议选择工作面长度小于影响范围,以便尽可能增加上覆主关键层完 整性,降低工作面采动应力和邻空巷道矿压显现的强度,现有矿压监测技术多用于已开采 工作面,对于设计工作面不能给出合理的设计建议。而本发明提供了坚硬覆岩复合矿压显 现分析方法,该方法中涉及的各项数据,均可以在工作面开采设计之前,根据地质资料、实 验室试验等方式实现,本发明能够为工作面设计阶段提供数据支持,对工作面开采过程中 如何采取矿压防治措施提供理论与数据依据,降低工作面矿压灾害,本发明对于坚硬顶板 条件下矿压的分析具有广泛的实用性。

Claims (2)

  1. I. 一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤一:确定关键层分布 根据开采区域的综合柱状图及覆岩的物理力学参数,第一、假设第1层岩层为坚硬岩 层,其上直至第m层岩层与之协调变形,而第m+1层岩层不与之协调变形,则第m+1层岩层是 第2层坚硬岩层,由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为
    Figure CN104462659BC00021
    ,其中式中qi (X) |m为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载 荷;lu、γ nEj别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i = l,2,...,m),则第m+1层对第1层坚
    Figure CN104462659BC00022
    硬岩层形成的载荷为: 由于第m+1层为坚硬岩层,其挠度小于下部
  2. 9. 岩层的挠度,第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷,则必然有: qi(x) |m+1<qi(x) |m,根据上述原则,由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置;第二、硬岩层破 断距采用两端固支梁模型计算,则第k层硬岩层破断距U可由式
    Figure CN104462659BC00023
    计算,其中hk 为第k层硬岩层的厚度(m),〇k为第k层硬岩层的抗拉强度(MPa),qk为第k层硬岩层承受的载 荷(kN/m2);第三、第k层硬岩层若为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距, 即满足:Lk<Lk+1,若第k层硬岩层破断距U大于其上方第k+Ι层硬岩层破断距,则将第k+Ι层 硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算第k层硬岩层的破断距;根据以上三个过 程,确定关键层分布位置; 步骤二:根据下列式计算关键层初次断距和周期断距121及其与工作面推进距离L:
    Figure CN104462659BC00024
    其中,为第i关键层初次断距,Izl为第i关键层周期断距,Iu为第i关键层厚度,〇1为第 i关键层的抗拉强度,k为第i关键层的弱化系数,岩体力学性质的参数取值岩块的1/5〜1/3 取值,为第i关键层承受的载荷,L为工作面推进距离,H1为第i关键层距工作面距离,P为 覆岩垮落角; 步骤三:确定自由空间高度A及关键层破断 根据下式计算自由空间高度A及关键层最大挠度ω max:
    Figure CN104462659BC00025
    其中,Lk为关键层破断长度,h7为煤层高度,M为采高,η为顶煤放出率,kM为煤层碎胀系 数,L为工作面推进距离,hk为垮落高度,P为覆岩垮落角,kY为岩石碎胀系数,q为关键层所 受均布载荷,Lx为关键层悬空长度,E为关键层弹性模量,ξ为关键层弹性模量弱化系数,h为 关键层厚度; 对于关键层的破断由以下条件判断:
    Figure CN104462659BC00031
    步骤四:揭示坚硬覆岩矿压显现特征 根据下式计算关键层初次破断产生的集中应力P。和周期破断产生的集中应力Pz及由此 对工作面产生的集中应力系数k:
    Figure CN104462659BC00032
    其中,L。为关键层初次断距,Lz为关键层周期断距,h为关键层厚度,q为关键层受到载 荷,z为距离集中载荷P的垂直距离,X为距离煤壁的距离,1为应力达到峰值时距煤壁距离; 之后根据关键层断距及其与工作面推进距离的关系,综合分析不同覆岩复合破断过程 中集中应力及其系数的大小,根据集中应力系数k>l.05确定覆岩破断应力影响范围,依据 集中应力的大小,确定覆岩复合破断对工作面矿压的影响程度,进而确定工作面矿压的来 源,为揭示矿压显现机理、防治矿压灾害等提供理论依据和数据,降低矿压显现的影响。
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