CN104763464B

CN104763464B - 基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法

Info

Publication number: CN104763464B
Application number: CN201510050411.6A
Authority: CN
Inventors: 刘建功; 赵家巍
Original assignee: Hebei Coal Science Research Institute
Current assignee: Hebei Coal Science Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104763464A

Abstract

本发明公开了一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，涉及地表变形预计技术领域；包括如下步骤：(1)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；(3)推导出充填率与地表变形的数学关系；(4)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。本发明能够有效的建立充填采煤区域岩层的地质和力学模型，使地表变形预计结果更为准确，为准确指导“三下”开采提供了保障；不依赖开采沉陷预计参数，与现有预计方法相比具有更为普遍的适用性。

Description

基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法

技术领域

本发明涉及采煤技术领域。

背景技术

由于充填采煤可以减轻岩层移动变形程度、有效控制地表沉降、消除采空区安全隐患，具有解放呆滞煤炭、延长矿井服务年限、提高安全生产保障等优点，从而成为矿山岩层控制领域研究的重点，矸石固体充填、超高水材料充填、膏体充填等一系列综合机械化充填采煤技术相继得以成功研发和试验，并得到了广泛的应用。

地表变形预计是充填采煤的关键问题之一，其对于研究保护或控制对象的需求、不同充填目的下充填率的设计以及充填质量检验和效果的评价具有重要的理论指导意义。

地表变形预计的方法有两类：统计分析法和力学分析法。统计分析法的典型代表是概率积分法，这种方法的研究较为深入，应用也较为广泛，但其在开采沉陷预计参数的确定方面(特别是下沉系数)还主要依赖于现场实测，且多用于垮落法采煤实践中，而充填采煤岩层运动方式和规律与垮落法采煤有本质的区别，因此，有必要提出一种针对充填采煤的地表变形预计方法，本发明从力学角度出发，通过力学建模、分析和计算提出充填采煤地表预计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，能够有效的建立充填采煤区域岩层的地质和力学模型，使地表变形预计结果更为准确，为准确指导“三下”开采提供了保障；不依赖开采沉陷预计参数，与现有预计方法相比具有更为普遍的适用性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，包括如下步骤：

(a)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；

(b)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，以煤体与充填体间的上覆岩层为连续曲形梁，建立充填采煤连续曲形梁力学模型；

(c)推导出充填率与地表变形的数学关系；

(d)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。

进一步的技术方案，步骤(a)中采矿地质参数包括煤层直至地表间每层岩层的组份、物理力学性质、构造以及与煤层的层位关系。

进一步的技术方案，步骤(a)中所述物探技术通过三维地震勘探和钻探技术采集和处理地质数据。

进一步的技术方案，步骤(c)中所述充填率与地表变形的数学关系推断过程如下：

(a)距离煤壁x处横截面上直接顶的弯矩：

式中，为上覆岩层施加到直接顶载荷，与煤层埋藏深度有关，其中，γ为容重，h为岩层厚度，i为上覆岩层，i＝1,2,3...；q_c(t)为充填体支撑强度，是与充填材料和时间有关的变量；

距离煤壁x处横截面上直接顶的挠度：

式中，M为煤层厚度；h₀为初始充填高度；0≤x≤L₀，L₀为充填体压实距离，与充填材料和采充工艺有关；E₁、I₁分别为直接顶的弹性模量、惯性矩。

(b)岩层间离层的判断及计算：

式中，q_i为上覆岩层施加给第i层岩层的载荷；

E_i、I_i分别为第i层岩层的弹性模量、惯性矩。

(c)地表最大下沉值W₀为：

(d)地表最大倾斜值i₀为：

(e)地表最大曲率值K₀为：

(f)地表最大水平变形值ε₀为：

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用钻探和物探技术获取采矿地质参数，能够对充填区域采矿和地质条件进行精细描述；建立了有效的地质和力学模型，即连续曲形梁力学模型，认为充填采煤时上覆岩层只产生弯曲变形、并保持几何形体连续、力的传递连续，充分考虑岩层和充填体相互作用的时间效应，使地表变形预计结果更为准确，为充填采煤提供有力的技术支持；根据力学建模和分析推导出的充填率与地表变形的量化关系，不仅可以预计一定充填率条件下的地表变形值，还为不同充填目的、不同充填需求的充填率设计提供了依据；此预计方法不依赖开采沉陷预计参数(特别是下沉系数和水平移动系数)，与现有预计方法相比具有更为普遍的适用性；

附图说明

图1是本发明的技术路线图；

图2是本发明一个实施例的充填采煤岩层连续曲形梁地质模型；

图3是图2的充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；

图4是图2中的第i层岩层水平变形的坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的研究技术路线如图1所示，基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，包括如下步骤：

(1)首先利用钻探和物探技术获得某矿区详细的采矿地质参数；

(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立一种充填采煤连续曲形梁地质和力学模型，即连续曲形梁力学模型，如图2和图3所示，图2为充填采煤岩层连续曲形梁力学模型，上覆岩层中的第1层为直接顶，第2层为基本顶，直至第n层；图3为连续曲形梁力学模型的建立过程，充填采煤上覆岩层只发生弯曲变形，保持几何形体连续和力的传递连接；岩层连续曲形梁，即岩层保持几何连续、不断裂，只发生弯曲变形，能够保持力的传递。

(3)推导出充填率与地表变形的数学关系；具体推导过程如下：

(a)计算直接顶的挠度

一般情况下，充填体支撑区域较充填支架支撑区域大得多，从而可以将岩梁简化为一端由工作面煤体支承，另一端由充填体支承。其上覆岩层的重量可通过该“梁”加载到煤体和充填体上，通过分析上述梁的受力状态，便可得到弯拉的力学条件。

假设直接顶为第1层岩层，基本顶为第2层岩层，……，直至第n层岩层，最后是表土层。则对于直接顶，距离煤壁x处横截面上直接顶的弯矩为：

公式(1)

式中，为上覆岩层施加到直接顶载荷，与煤层埋藏深度有关；

q_c(t)为充填体支撑强度，是与充填材料和时间有关的变量。

根据公式(1)的边界条件，当x＝0时，梁的转角θ_o＝0，梁的挠度ω_o＝0，则在距离煤壁x处横截面上直接顶的挠度为：

公式(2)

显然，直接顶的变形不会全部传递至地表，地表与第n层岩层的移动变形之间有一定的耦合关系，因为差值较小，认为二者是一致的。通过计算各关键岩层间的离层值，得到地表的挠度公式和水平移动公式，进而得出其余变形公式。

(b)判断岩层间是否离层并计算上覆岩层的挠度

对于第2层(基本顶)岩层：

公式(3)

对于第3层岩层：

公式(4)

……

对于第i层岩层：

公式(5)

其中，

式中，q_i为上覆岩层施加给第i层岩层的载荷；

E_i、I_i分别为第i层岩层的弹性模量、惯性矩；

S_i,i+1为第i层和地i+1层间的离层。

(c)计算地表任意一点下沉值

将上述式子叠加，得半无限开采时地表任意一点下沉值W(x)为：

公式(6)

计算地表任意一点水平变形值

进一步的技术方案在于：以煤壁边缘为原点，沿走向远离煤壁方向为x轴，以垂直向下为y轴，建立坐标系，如图4所示。假设第i层岩层的转角为θ_i，则地表水平移动变形U(x)为：

公式(7)

式中，

(d)计算地表任意一点的倾斜值

公式(8)

(e)计算地表任意一点的曲率值

公式(9)

(f)计算地表任意一点的水平变形值

公式(10)

(4)将采矿地质参数代入上述预计公式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下该矿区地表变形预计值，即最大下沉值W₀、最大倾斜值i₀、最大曲率值K₀及最大水平变形值ε₀。

Claims

1.一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；

(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；

(3)采用力学计算推导出充填率与地表变形的数学关系；

(4)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值；

其中，步骤(3)中所述充填率与地表变形的数学关系推断过程如下：

(a)距离煤壁x处横截面上直接顶的弯矩为：

式中，为上覆岩层施加到直接顶载荷，与煤层埋藏深度有关，其中，γi为容重，h_i为岩层厚度，i为上覆岩层，i＝1,2,3...；q_c(t)为充填体支撑强度，是与充填材料和时间t有关的变量；

距离煤壁x处横截面上直接顶的挠度为：

式中，M为煤层厚度；h₀为初始充填高度；0≤x≤L₀，L₀为充填体压实距离，与充填材料和采充工艺有关；E₁、I₁分别为直接顶的弹性模量、惯性矩；

(b)岩层间离层的判断及计算：

式中，q_i为上覆岩层施加给第i层岩层的载荷；

E_i、I_i分别为第i层岩层的弹性模量、惯性矩；

S_i,i+1为第i、i+1岩层间的离层值；

(c)地表最大下沉值W₀为：

(d)地表最大倾斜值i₀为：

(e)地表最大曲率值K₀为：

(f)地表最大水平变形值ε₀为：

\begin{matrix} ϵ_{0} = \tan \frac{θ_{1}}{2} \frac{(Σ_{i = 1}^{n} γ_{i} h_{i} - q_{c} (t)) L_{0}^{2}}{2 E_{1} I_{1}} \\ - Σ_{i = 1}^{n} \frac{\frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{6 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}}{\sqrt{1 - {(\frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{6 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}^{2})}^{2}}} {(\sec \frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{6 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}^{2})}^{2} \cdot \frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{6 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}^{3} \\ - Σ_{i = 1}^{n} \tan \frac{\arcsin \frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{6 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}^{2}}{2} \frac{E_{i + 1} I_{i + 1} q_{i} - E_{i} I_{i} q_{i + 1}}{2 E_{i} E_{i + 1} I_{i} I_{i + 1}} L_{0}^{2} \end{matrix}

式中，θ1为第1层岩层的转角。

2.根据权利要求1所述的基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征在于步骤(1)中采矿地质参数包括煤层直至地表间每层岩层的组份、物理力学性质、构造以及与煤层的层位关系。

3.根据权利要求1所述的基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征在于步骤(1)为：利用所述钻探技术和所述物探技术中的三维地震勘探技术采集和处理地质数据。