CN104484713A - 一种充填开采导水断裂带高度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种充填开采导水断裂带高度预测方法，属于矿井生产安全技术领域，本发明采用岩石力学理论方法对顶板破坏带的高度进行理论分析和计算，将顶板破坏的传统经验预计提升到了理论预计。充分的考虑不同矿井的地质概况和充填技术特点，使得顶板导水断裂带的计算过程更为精确具体，弥补了现有充填开采导水断裂带理论计算方法的一个空白，为矿井安全生产提供更大支持和保证。

Description

一种充填开采导水断裂带高度预测方法

技术领域

本发明属于矿井生产安全技术领域，具体涉及一种充填开采导水断裂带高度预测方法。

背景技术

多年来对充填开采的研究取得了一些阶段性的成果，主要研究了矿压及岩层的控制理论，充填系统设计及充填装备等。但目前关于充填开采后顶板活动规律和顶板岩层的移动规律研究较少。充填开采时，由于充填体限制了顶板的活动，则充填开采时其顶板的活动规律与垮落法开采不是完全相同的，所以有必要对充填开采顶板的活动规律进一步深入研究。

目前现有充填开采导水断裂带的计算方法的特点是，首次采用岩石力学理论方法计算顶板断裂带的高度，以往采用经验公式是前人根据大量垮落法开采的历史统计数据归纳总结的算法，所以经验公式的方法计算导水断裂带的精度较差，经验公式的算法对顶板的岩性和层位的分布考虑不够充分。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种充填开采导水断裂带高度预测方法，以达到提高导水断裂带预计精度的目的。

一种充填开采导水断裂带高度预测方法，包括以下步骤：

步骤1、获得被测矿井的充填开采等效采高，具体步骤如下：

步骤1-1、根据被测矿井的实际情况，确定矿井的采高、充满率和充填体压缩率，进而确定矿井的充填体未接顶高度和充填体的压缩量；

步骤1-2、多次测量被测矿井的加厚顶底板移近量，并求得其平均值，获得最终矿井的架后顶底板移近量；

步骤1-3、将矿井的充填体未接顶高度、充填体的压缩量和架后顶底板移近量求和，获得被测矿井的充填开采等效采高；

步骤2、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定坚硬岩层的位置，具体步骤如下：

步骤2-1、设定被测矿井开采层的上层岩层为第一层坚硬岩层，根据不同层岩层的厚度、容重和弹性模量，由下向上依次确定不同层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷；

步骤2-2、判断比较相邻两层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，若前一层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值大于当前层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，则当前层岩层为第二层坚硬岩层，否则，继续确定后一层岩层对第一层硬岩岩层形成的载荷值，并返回执行步骤2-2；

步骤2-3、根据步骤2-2，在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定所有坚硬岩层的位置；

步骤3、确定被测矿井坚硬岩层的断裂步距；

步骤4、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定隔水岩层的位置及隔水岩层的挠度；

步骤5、由开采煤层到地表逐层确定离层带高度，获得不破坏的岩层的位置，具体步骤如下：

步骤5-1、判断采煤层的上层岩层类型，包括隔水岩层和坚硬岩层，若为隔水岩层，则计算该隔水岩层的离层带高度，并执行步骤5-2，若为坚硬岩层，则获取该坚硬岩层的悬露距离，并执行步骤5-3；

步骤5-2、判断计算获得的离层带高度是否大于该隔水岩层的挠度，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-3、判断悬露距离是否大于该坚硬岩层的极限跨距，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-4、当前岩层即为不破坏岩层；

步骤6、获取不破坏的岩层与开采岩层之间的距离，上述距离即为导水断裂带高度预测值。

步骤1-1所述的确定矿井的充填体未接顶高度和充填体的压缩量，公式如下：

h_q＝M-h_m-(M-h_m)η               (1)

其中，h_q为充填体未接顶高度，M为采厚，h_m为架后充填后顶底板移近量，η为充满率；

h_y＝(M-h_m-h_q)ε              (2)

其中，h_y为充填体的压缩量，ε为充填体压缩率。

步骤2-1所述的确定不同层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷，公式如下：

$q_1{|}_n=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{V}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h_i}^3}---\left(3\right)$

其中，q₁(x)|_n为第n层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷，E_i为第i层岩层的弹性模量，h_i为第i层岩层的厚度，E₁为第1层岩层的弹性模量，h₁为第1层岩层的厚度，V_i为第i层岩层的容重。

步骤3所述的坚硬岩层的断裂步距，计算公式如下：

$L=h\sqrt{\frac{2R_T}{q}}---\left(4\right)$

其中，L为坚硬岩层的断裂步距，R_T为坚硬岩层的极限抗拉强度，q为坚硬岩层上覆岩层载荷，h为坚硬岩层厚度。

步骤4所述的隔水岩层为厚度大于等于3m的粘土或厚度大于等于3.8m的泥岩；

所述隔水岩层的挠度，计算公式如下：

$W_{\max }=\frac{5q{l_R}^4}{384\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

其中，q为隔水岩层上覆载荷，I为惯性距，E为弹性模量，h为岩层厚度。

步骤5-1所述的计算该隔水岩层的离层带高度，公式如下：

$H=M-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j(k_j-1)---\left(6\right)$

其中，H为岩层下离层带高度，M为采高，h_j为第j层岩层厚度，j＝1……i-1,i表示当前计算到第i层岩层上方的离层带高度；k_j为第j层岩石的碎胀系数；

所述的悬露距离指当前开采位置距离前一次来压位置的距离，单位m。

本发明优点：

本发明一种充填开采导水断裂带高度预测方法，采用岩石力学理论方法对顶板破坏带的高度进行理论分析和计算，将顶板破坏的传统经验预计提升到了理论预计。充分的考虑不同矿井的地质概况和充填技术特点，使得顶板导水断裂带的计算过程更为精确具体，弥补了现有充填开采导水断裂带理论计算方法的一个空白，为矿井安全生产提供更大支持和保证。

附图说明

图1是本发明一种实施例的充填开采导水断裂带高度预测方法流程图；

图2是本发明一种实施例的矿井等效采高组成示意图，其中，图(a)为矿井的架后顶底板移近量示意图，图(b)为充填体未接顶高度示意图，图(c)为充填体的压缩量示意图；

图3是本发明一种实施例的获得被测矿井的充填开采等效采高方法流程图；

图4是本发明一种实施例的确定坚硬岩层的位置方法流程图；

图5是本发明一种实施例的导水断裂带发育判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，以西马煤矿为例进行说明，西马煤矿13号煤为主采煤层，煤层赋存稳定，煤质优良。以1327工作为例进行研究分析，工作面顶板管理方法为似膏体充填，充填方式为自流充填，充填骨料主要为破碎的煤矸石；在充填料中加入粉煤灰和复合减水剂，加入标号为325号的普通硅酸盐水泥作为胶凝剂，充填体实验室测得最大压缩率为3.65％；开采方式为倾斜长壁后退式仰采，工作面平均倾角9°，倾向长501.9m，走向长137.4m，平均采深450m，设计采高1.8m；工作面顶板岩性属于中硬岩层，工作面顶板岩层分布和岩石力学参数，如表1所示。

表1工作面顶板范围内岩层分布及力学参数表

充填开采导水断裂带高度预测方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、获得被测矿井的充填开采等效采高；

本发明实施例中，从研究顶板岩层移动破坏的角度出发，采高应该是允许顶底板移近的空间(高度)。等效采高应是充填开采顶底板允许移近的高度，即相当于直接开采等效采高这一厚度的煤层。如图2中图(a)、图(b)和图(c)所示，在充填开采中顶板移近的空间由三部分组成，充填体欠接顶高度、充填体的压缩量和架后充填后的顶板移近量；

如图3所示，具体步骤如下：

步骤1-1、根据被测矿井的实际情况，确定矿井的采高、充满率和充填体压缩率，进而确定矿井的充填体未接顶高度和充填体的压缩量；

公式如下：

h_q＝M-h_m-(M-h_m)η                  (1)

其中，h_q为充填体未接顶高度，M为采厚，h_m为架后充填后顶底板移近量，η为充满率；

h_y＝(M-h_m-h_q)ε                   (2)

其中，h_y为充填体的压缩量，ε为充填体压缩率。

步骤1-2、多次测量被测矿井的加厚顶底板移近量，并求得其平均值，获得最终矿井的架后顶底板移近量；

h_m＝(h_m1+h_m2+...+h_mn)/n                  (7)

其中，n是测量的次数，h_m1，h_m2……h_mn为第1次、第2次……第n次测量的矿井的架后顶底板移近量，h_m的取值是0.5m。

步骤1-3、将矿井的充填体未接顶高度、充填体的压缩量和架后顶底板移近量求和，获得被测矿井的充填开采等效采高；

M_c＝h_m+h_q+h_y                   (8)

其中，M_c表示被测矿井的充填开采等效采高；

将公式(1)和公式(2)代入公式(8)获得：

M_c＝(h_m+h_q)·(1-η)+η·M            (9)

本发明实施例中，西马煤矿1327工作面的采高为1.8m，平均充填高度1.60m，平均未充填高度0.20m，充填体压缩率为3.65％，架后顶底板移近量为0.05m，等效采高为：

M_c＝(0.05+0.20)×(1-3.65％)+3.65％×1.8             (10)

则西马煤矿1327工作面似膏体充填开采的等效采高为0.31m。

步骤2、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定坚硬岩层的位置，方法流程图如图4所示，具体步骤如下：

步骤2-1、设定被测矿井开采层的上层岩层为第一层坚硬岩层，根据不同层岩层的厚度、容重和弹性模量，由下向上依次确定不同层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷；

第n层岩层对第一层硬岩岩层形成的载荷，公式如下：

其中，q1(x)|n为第n层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷，Ei为第i层岩层的弹性模量，hi为第i层岩层的厚度，E1为第1层岩层的弹性模量，h1为第1层岩层的厚度，Vi为第i层岩层的容重；

弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变(一般地讲，对弹性体施加一个外界作用，弹性体会发生形状的改变称为“应变”)成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。弹性模量的单位是达因每平方厘米。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。

容重：单位体积所具有的重量称为容重，公式提＝G/V(N/m3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即提＝ρg。

步骤2-2、判断比较相邻两层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，若前一层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值大于当前层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，则当前层岩层为第二层坚硬岩层，否则，继续确定后一层岩层对第一层硬岩岩层形成的载荷值，并返回执行步骤2-2；

本发明实施例中，考虑到第n强1层岩层对第一层岩层形成的载荷为：

$q_1\left(x\right){|}_{n+1}=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{V}_i}{\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h_i}^3}---\left(11\right)$

如果第n+1层岩层为坚硬岩层时满足：

q₁(x)|_n＞q₁(x)|_n+1             (12)

即： $E_{m+1}{h}_{m+1}^2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{V}_i>V_{m+1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3.$

本发明实施例中，依照此方法判断顶板的所有坚硬岩层的位置，最终确定西马煤矿1327工作面上覆坚硬岩层的位置：序号为6的粉砂岩、序号为10的细粒砂岩和序号为12的中粒砂岩。

步骤2-3、根据步骤2-2，在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定所有坚硬岩层的位置；

步骤3、确定被测矿井坚硬岩层的断裂步距；

计算公式如下：

$L=h\sqrt{\frac{2R_T}{q}}---\left(4\right)$

其中，L为坚硬岩层的断裂步距，R_T为坚硬岩层的极限抗拉强度，q为坚硬岩层上覆岩层载荷，h为坚硬岩层厚度。

本发明实施例中，由式(4)确定顶板坚硬岩层的断裂步距，见表2。

表2坚硬岩层位置及来压步距统计表

序号	岩层名称	岩层厚度(m)	断裂步距(m)
				5	Y3细粒砂岩	6.70	39.27
13	Y2细粒砂岩	4.95	36.80
				14	Y1中粒砂岩	1.67	27.13

步骤4、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定隔水岩层的位置及隔水岩层的挠度；

本发明实施例中隔水岩层指泥岩和粘土，由于泥岩和粘土具有较好的隔水性所以当存在一定厚度的隔水岩层时就会起到有效的隔水作用。一般完整粘土层的厚度达到3m时其可以起到完全隔水作用，完整泥岩层厚度达到3.8m时其可以起到完全隔水作用。由此确定隔水岩层的位置，为序号为7的7.48m泥岩。

所述隔水岩层的挠度，计算公式如下：

$W_{\max }=\frac{5q{l_R}^4}{384\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

其中，q为隔水岩层上覆载荷，I为惯性距，E为弹性模量，h为岩层厚度，本发明实施例中确定隔水岩层的挠度为0.0083m。

惯性矩：是一个建筑几何量，通常被用作描述截面抵抗弯曲的性质。惯性矩的国际单位为(m⁴)。即面积二次矩，也称面积惯性矩。

步骤5、由开采煤层到地表逐层确定离层带高度，获得不破坏的岩层的位置，方法流程图如图5所示，具体步骤如下：

步骤5-1、判断采煤层的上层岩层类型，包括隔水岩层和坚硬岩层，若为隔水岩层，则计算该隔水岩层的离层带高度，并执行步骤5-2，若为坚硬岩层，则获取该坚硬岩层的悬露距离，并执行步骤5-3；所述的悬露距离指当前开采位置距离前一次来压位置的距离，单位m。

离层高度是指下位岩层与上位岩层之间的距离，离层高度主要与采高、下位岩层的碎胀系数和岩层厚度有关；公式如下：

$H=M-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j(k_j-1)---\left(6\right)$

其中，H为岩层下离层带高度，M为采高，h_j为第j层岩层厚度，j＝1……i-1,i表示当前计算到第i层岩层上方的离层带高度；k_j为第j层岩石的碎胀系数；

碎胀系数：岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，该值称为碎胀系数。

本发明实施例中，西马煤矿岩石的平均碎胀系数为1.025，由式(6)依次确定由顶板向上每个岩层下方的离层高度，直至离层高度为零或者负数为止，计算结果见表3。

表3离层高度发育过程统计表

序号	岩层名称	岩层厚度	离层高度
				9	粉砂岩	1.20	-0.0245
10	细粒砂岩	3.17	0.0548
				11	煤	0.30	0.0623
12	细粒砂岩	1.89	0.1095
				13	中粒砂岩	4.95	0.2333
14	粗粒砂岩	1.67	0.2750
				15	煤	0.50	0.2875
16	细粒砂岩	0.70	0.3050
				17	泥岩	0.20	0.3100

本发明实施例中，假设坚硬岩层不具有弯曲性，而隔水岩层具有弯曲性。当坚硬岩层不发生断裂时则其上部所有的岩层都不发生破坏，断裂带停止发育。当隔水岩层发生塑性变形时，其仍然具有隔水性，导水断裂带也视为停止发育。

步骤5-2、判断计算获得的离层带高度是否大于该隔水岩层的挠度，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-3、判断悬露距离是否大于该坚硬岩层的极限跨距，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-4、当前岩层即为不破坏岩层；

本发明实施例中，当工作面推进到不同距离时，顶板的导水断裂带高度发育情况见表4。

表4导水断裂带发育统计表

工作面推进距离/m	导水断裂带高度/m	导水断裂带上限岩层
			20	1.40	Y1粉粒砂岩
30	3.07	Y2中粒砂岩
			40	13.38	9粉砂岩
50	13.38	9粉砂岩
			60	13.38	9粉砂岩

步骤6、获取不破坏的岩层与开采岩层之间的距离，上述距离即为导水断裂带高度预测值。

Claims (6)

1.一种充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得被测矿井的充填开采等效采高，具体步骤如下：

步骤1-1、根据被测矿井的实际情况，确定矿井的采高、充满率和充填体压缩率，进而确定矿井的充填体未接顶高度和充填体的压缩量；

步骤1-2、多次测量被测矿井的加厚顶底板移近量，并求得其平均值，获得最终矿井的架后顶底板移近量；

步骤1-3、将矿井的充填体未接顶高度、充填体的压缩量和架后顶底板移近量求和，获得被测矿井的充填开采等效采高；

步骤2、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定坚硬岩层的位置，具体步骤如下：

步骤2-1、设定被测矿井开采层的上层岩层为第一层坚硬岩层，根据不同层岩层的厚度、容重和弹性模量，由下向上依次确定不同层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷；

步骤2-2、判断比较相邻两层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，若前一层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值大于当前层岩层及以下所有岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷值，则当前层岩层为第二层坚硬岩层，否则，继续确定后一层岩层对第一层硬岩岩层形成的载荷值，并返回执行步骤2-2；

步骤2-3、根据步骤2-2，在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定所有坚硬岩层的位置；

步骤3、确定被测矿井坚硬岩层的断裂步距；

步骤4、在被测矿井的开采煤层到地表之间，确定隔水岩层的位置及隔水岩层的挠度；

步骤5、由开采煤层到地表逐层确定离层带高度，获得不破坏的岩层的位置，具体步骤如下：

步骤5-1、判断采煤层的上层岩层类型，包括隔水岩层和坚硬岩层，若为隔水岩层，则计算该隔水岩层的离层带高度，并执行步骤5-2，若为坚硬岩层，则获取该坚硬岩层的悬露距离，并执行步骤5-3；

步骤5-2、判断计算获得的离层带高度是否大于该隔水岩层的挠度，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-3、判断悬露距离是否大于该坚硬岩层的极限跨距，若是，则导水断裂带继续发育，返回执行步骤5-1，继续判断后一层岩层的类型，否则执行步骤5-4；

步骤5-4、当前岩层即为不破坏岩层；

步骤6、获取不破坏的岩层与开采岩层之间的距离，上述距离即为导水断裂带高度预测值。

2.根据权利要求1所述的充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，步骤1-1所述的确定矿井的充填体未接顶高度和充填体的压缩量，公式如下：

h_q＝M-h_m-(M-h_m)η   (1)

其中，h_q为充填体未接顶高度，M为采厚，h_m为架后充填后顶底板移近量，η为充满率；

h_y＝(M-h_m-h_q)ε   (2)

其中，h_v为充填体的压缩量，ε为充填体压缩率。

3.根据权利要求1所述的充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，步骤2-1所述的确定不同层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷，公式如下：

$q_1{|}_n=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{V}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h_i}^3}---\left(3\right)$

其中，q₁(x)|_n为第n层岩层对第一层坚硬岩层形成的载荷，E_i为第i层岩层的弹性模量，h_i为第i层岩层的厚度，E₁为第1层岩层的弹性模量，h₁为第1层岩层的厚度，V_i为第i层岩层的容重。

4.根据权利要求1所述的充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，步骤3所述的坚硬岩层的断裂步距，计算公式如下：

$L=h\sqrt{\frac{{2R}_T}{q}}---\left(4\right)$

其中，L为坚硬岩层的断裂步距，R_T为坚硬岩层的极限抗拉强度，q为坚硬岩层上覆岩层载荷，h为坚硬岩层厚度。

5.根据权利要求1所述的充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，步骤4所述的隔水岩层为厚度大于等于3m的粘土或厚度大于等于3.8m的泥岩；

所述隔水岩层的挠度，计算公式如下：

$W_{\max }=\frac{{{5\mathrm{ql}}_R}^4}{384\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

其中，q为隔水岩层上覆载荷，I为惯性距，E为弹性模量，h为岩层厚度。

6.根据权利要求1所述的充填开采导水断裂带高度预测方法，其特征在于，步骤5-1所述的计算该隔水岩层的离层带高度，公式如下：

$H=M-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j(k_j-1)---\left(6\right)$

其中，H为岩层下离层带高度，M为采高，h_j为第j层岩层厚度，j＝1......i-1，i表示当前计算到第i层岩层上方的离层带高度；k_i为第j层岩石的碎胀系数；

所述的悬露距离指当前开采位置距离前一次来压位置的距离，单位m。