CN107609247B - 面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤炭开采领域，提出了复合残采区上行开采可行性的定量判定方法，包括以下步骤：S1判断上部残煤位置，若位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤S2，否则判定为不可开采；S2通过钻探得到残煤开采区域的岩层组成、岩层结构及岩层物理力学参数；S3确定形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；S4计算控制岩层破断距和支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构的扰动载荷；S5分析扰动载荷作用下底板面接触块体梁半拱结构是否发生滑落失稳，若不发生滑落失稳，可以进行开采。本发明提高了可采性判定准确度以及开采安全性，适用于控制岩层坚硬且裂隙发育，形成面接触块体梁半拱岩层结构的情况。

Description

面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种基于扰动载荷下面接触块体梁结构滑落失稳为判据的复合残采区上行开采可行性的定量判定方法。

背景技术

残煤复采是涉及煤炭开发方向甚至国家能源安全的一个重大问题。煤层群为特征的残煤储量占全部储量的45％，残采区上行开采是残煤复采的重要内容。

当前，残采区上行开采的可行性研究及判定方法主要借鉴煤层群上行开采的比值判别法、数理统计法、“三带”判别法、围岩平衡法。比值判别法的判定标准是采动影响倍数，反映层间距与下煤层采厚两个参数，该方法在国内外都有广泛应用，但是采动影响倍数的范围为6-20，差别很大。

数理统计法研究了现有开采实例，认为上、下煤层的采高与层间距满足如下关系即可进行上行开采。计算公式如下：

H＞1.14M²+4.14+M

“三带”判别法考虑了冒落带岩石的碎胀性，基于工程类比的“三带法”中，其统计公式的适用条件为采厚小于3m的坚硬、中硬、软岩顶板条件。苏联和波兰的学者也得出了考虑碎胀系数和下煤层厚度的上行开采可行性判定公式。

围岩平衡法进一步考虑了平衡岩层的厚度，认为平衡围岩之上的煤层即可进行上行开采，给出了围岩平衡高度的计算公式为：H_P＝M/(K₁-1)+h_P，K₁、M和h_P分别为碎胀系数、下煤层采厚和平衡岩层厚度。该方法进一步考虑到上煤层底板岩层结构的稳定性，但是并没有给出平衡岩层的稳定条件和定量判定方法。

上述方法为上行开采以及残采区上行开采的研究和工程实践提供了重要指导，但是上述方法是半定量的、经验性的。对于控制岩层坚硬的条件，下部工作面开采其控制岩层结构会形成面接触块体梁半拱岩层结构，这是非常重要的。而上述方法没有考虑岩层结构的作用，更重要的是没有考虑上部扰动载荷的作用。实际上，上部扰动载荷是造成底板面接触块体梁半拱岩层结构滑落失稳最重要的原因。因此，有必要考虑扰动载荷对岩层结构导致的残煤开采的影响。考虑上部煤层开采扰动以及上部存在采空区和遗留煤柱等存在各种载荷的情况下，从“岩层结构稳定性”的角度研究上部煤层开采可行性判定。这为残采区上行残煤安全开采提供理论依据，对于准确判断残采区上行开采，提高开采安全和经济性具有重要意义，同时在当前煤炭行业不景气的情况下，可以进一步提高残采区上行残煤资源回收率，提高煤炭企业的经济效益，煤炭行业可持续按发展具有重大作用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种基于扰动载荷下面接触块体梁结构滑落失稳为判据的复合残采区上行开采可行性的定量判定方法，该方法适用于控制岩层坚硬且裂隙发育，形成的面接触块体梁半拱岩层结构的条件。所要解决的技术问题为现有残采区上行开采可行性方法是经验方法不能定量判定且没有考虑扰动载荷的影响的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法，包括以下步骤：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，通过下煤层采高及其与上部残煤之间的层间距关系初步判断上部残煤位置，若上部残煤位置位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤S2，否则直接判定为不可开采；

S2、通过钻探的方法，得到残煤开采区域顶底板岩层的岩层组成、岩层结构及岩层物理力学参数情况；

S3、根据残采区原下部煤层开采工作面的矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；

S4、计算控制岩层破断距l_k，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；计算支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷q_a的值；

S5、对扰动载荷作用下，复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱岩层结构是否发生滑落失稳进行分析判定，判定条件为：

式中，

表示岩层的实际摩擦系数，j表示扰动载荷长度b的分布系数，j＝b/l_k；η_e表示综合环境影响因子，取值通过室内实验室实验获得；q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；df为载荷系数，df＝q_a/q_k，其中q_a表示支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷；α表示块体破断角的余角；β表示块体偏转角；n表示结构块体总数；L_T表示底板面接触块体梁半拱岩层结构承受的水平推力的力臂长度，f_k表示关键接触面的摩擦系数的参数；F＝M₁-nq_kl_k ²cosα·((n-1)+dfj)[cos(α+β)+f_k sin(α+β)]，M₁表示载荷q_k与q_a的力矩之和；若满足上述判定条件，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生面接触块体梁结构滑落失稳，可以进行开采，若不满足，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构会发生面接触块体梁结构滑落失稳，不能进行开采。

所述步骤S4中，控制岩层破断距l_k的计算公式为：

上式中，h_k表示控制岩层厚度，R_Tk表示控制岩层抗拉强度，q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；

支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷大小 q_a的计算公式为：

上式中，γ表示上覆岩层的容重，H表示上覆岩层的厚度，x₀表示待采残煤工作面支承压力的宽度、l₀表示支承压力的长度、k_i表示载荷集中系数，z表示控制岩层的深度。

所述步骤S3中，确定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层位置的公式为：

若满足上式，则该岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)避免经验性方法误差较大的情况，提高可采性判定准确度，提高开采安全性。

(2)为残采区上行残煤安全开采提供理论依据，提高残采区上行残煤资源回收率，提高煤炭企业的经济效益。

附图说明

图1为本发明提出的一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法的流程图；

图2为本发明扰动载荷作用下复合残采区面接触块体梁半拱岩层结构模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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作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。

如图1所示，本发明提出了一种接触块体梁的复合残采区上行开采可行性的判定方法，包括以下步骤：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，通过下煤层采高及其与上部残煤之间的层间距关系初步判断上部残煤位置，若上部残煤位置位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤S2，否则直接判定为不可开采。

S2、通过钻探的方法，得到残煤开采区域顶底板岩层的岩层组成、岩层结构及岩层物理力学参数情况。

S3、根据残采区原下部煤层开采工作面的矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；

其中，确定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层位置的公式为：

其中，m表示岩层的标号，若某一岩层满足式(1)，该岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构，若不满足，则岩层不是控制岩层，不能形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

S4、计算控制岩层破断距l_k，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；计算支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷q_a的大小。

其中，控制岩层破断距l_k的计算公式为：

式(2)中，h_k表示控制岩层厚度，R_Tk表示控制岩层抗拉强度，q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷值。

上部工作面开采产生时会形成支撑压力，支承压力在经过传播衰减之后作用于控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷q_a的计算公式为：

式(3)中，γ表示上覆岩层的容重，H表示上覆岩层的厚度，x₀表示待采残煤工作面支承压力的宽度、l₀表示支承压力的长度、k_i表示载荷集中系数，z表示控制岩层的深度。

S5、对扰动载荷作用下，复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱结构是否发生滑落失稳进行分析判定。

如图2所示，复合残采区残煤开采工作面支承压力作用于该结构上的载荷化为一段可移动均布载荷，即扰动载荷，最终建立扰动载荷作用下的底板面接触块体梁半拱结构模型。

如图2所示，T_i和R_i(i＝1,2,3……n+1)分别为作用于接触面的法向力和切向力。q_i(i＝1,2,3……n+1)为作用块体上的均布载荷，包含块度的重力。考虑到工作面支承压力的影响范围要远大于该结构的尺寸关系，将扰动载荷简化为均布荷载q_a。如图2所示，扰动载荷 q_a对该结构的作用长度为b。h和l_i分别为块体的高度和长度，块体的高度h与控制层厚度h_k相等，α为破断角的余角，β为块体偏转角。Δ_j为相邻块垂直下沉量。

对该结构进行受力分析。根据受力平衡和力矩平衡(∑M_A＝0和∑M_O＝0)可得复合残采区底板面接触块体梁半拱岩层结构的平衡方程：

式中，

M_q、M_qa、M_T分别为q_i、q_a和T_n+1对前拱脚A₁的力矩。

式中，A_a＝tanα+tanβ。

式中，

用来表示附加应力与块体的关系，m≤i≤n，m＝(1,2,3……n)。

补充方程为：

式中，f_k是关键接触面的摩擦系数。

根据公式(4a)～(4e)，考虑到同一工作面的基本顶岩梁性质接近，可以近似的认为l_i＝l_k， q_i＝q_k，a_v＝0.5(h_k-l_k sinθ₁)，可得复合残采区底板面接触块体梁半拱岩层结构的解：

式中，M₁＝M_q+M_qa，

底板面接触块体梁半拱岩层结构在扰动载荷导致的回转过程中会发生滑落失稳。最大剪力发生在图2所示的A1点，所以，为了防止岩块在该处滑落失稳，必须满足以下条件：

式中，T₁为图2所示最左侧水平推力；R₁是图2所示最左侧接触面的法向力；

表示岩层的实际摩擦系数，考虑环境对抗压强度的弱化影响，η_e定义为综合环境影响因子。

将(4e)式带入(4g)式进行推导可得：

式中，

表示岩层的实际摩擦系数，j表示扰动载荷长度b的分布系数，j＝b/l_k；η_e表示综合环境影响因子，取值通过室内实验室实验获得；q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；df为载荷系数，df＝q_a/q_k，其中q_a表示支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷；α表示块体破断角的余角；β表示块体偏转角；n表示结构块体总数；L_T表示底板面接触块体梁半拱岩层结构承受的水平推力的力臂长度，f_k表示关键接触面的摩擦系数的参数； F＝M₁-nq_kl_k ²cosα·((n-1)+dfj)[cos(α+β)+f_k sin(α+β)]，M₁表示载荷q_k与q_a的力矩之和；

因此，式(4)即为复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱结构是否发生滑落失稳的判定条件，也就是说，若岩层的实际摩擦系数满足上述式(4)，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生面接触块体梁结构滑落失稳，可以进行开采，若不满足，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构会发生面接触块体梁结构滑落失稳，不能进行开采。

下面结合某煤矿的具体实例来说明本发明的定量判定方法。

(1)通过对某煤矿地质资料和采矿资料的研究发现，下部9号、10号、11号煤层厚度分别为1.22m、1.76m和4.70m，开采总厚平均约为7.68m。根据理论计算，9、10号煤层合并开采后，冒落带最大高度为13.76—17.2m，导水裂隙带最大高度为61.06m。9号、10号、 11号煤层同时采空后，煤层顶板冒落带高度和导水裂隙带高度：分别为23.4m和93.3m。9 号煤层到7号煤层的平均间距为24.4m。表明7号煤层位于9、10号煤层开采后的冒落带上方，但在导水裂隙带的范围内。因此，初步判断7号煤层存在开采的可能性。

(2)通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得该煤矿残煤开采区域顶底板岩层的组成、岩层结构及岩层物理力学参数，如表1和表2所示。

表1各煤层参数及层间距煤层

表2下部煤层顶底板岩层岩石力学参数()

(3)根据残采区原下部煤层开采工作面的矿压观测资料和步骤(2)中所得的岩层(组成、结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i等物理力学参数情况，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式(1)，确定形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置。结合表1和表2，得到7号煤层形成上述岩层结构的位置。具体计算如下：

从以上计算可以知道，下部9、10号煤层合并开采后，上部5.0m厚K₂石灰岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

(4)根据控制岩层厚度h_k、控制岩层抗拉强度R_Tk和作用于控制岩层上的载荷q_k计算控制层破断距l_k，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；

根据计算公式(2)得到7号煤层底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度：

计算可得，K₂石灰岩所成底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度分别为9.85m。该岩层结构的块度为i＝h_k/l_k＝0.51。

根据参数待采残煤工作面支承压力的宽度x₀、支承压力的长度l₀、载荷集中系数k_i计算支承压力在经过传播衰减之后作用于深度z处控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷的大小，根据公式(3)计算得到，支承压力传递作用到底板面接触块体梁半拱岩层结构的载荷为：

(5)利用式(4)判定底板面接触块体梁半拱结构是否发生滑落失稳，进而判断复合残采区上行开采的可行性。

在扰动载荷作用下，计算公式(4)右边部分的值为0.56，即5.0m厚K₂石灰岩所成底板面接触块体梁半拱岩层结构不发生滑落失稳条件的摩擦系数为0.56，小于岩层最大的摩擦系数，即该岩层结构不发生滑落失稳。

综上，扰动载荷作用下，该煤矿7号残煤底板K₂石灰岩所成底板面接触块体梁半拱岩层结构均不会发生滑落失稳，因此，判定为可采。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，通过下煤层采高及其与上部残煤之间的层间距关系初步判断上部残煤位置，若上部残煤位置位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤S2，否则直接判定为不可开采；

S2、通过钻探的方法，得到残采区顶、底板岩层的岩层组成，岩层结构及岩层物理力学参数情况；

S3、根据残采区原下煤层开采工作面的矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；

S4、计算控制岩层破断距l_k，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；计算支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷q_a的值；

S5、对扰动载荷作用下，复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱岩层结构是否发生滑落失稳进行分析判定，判定条件为：

式中，tanφ表示岩层的实际摩擦系数，j表示扰动载荷长度b的分布系数，j＝b/l_k；η_e表示综合环境影响因子，取值通过室内实验室实验获得；q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；df为载荷系数，df＝q_a/q_k，其中q_a表示支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷；α表示块体破断角的余角；β表示块体偏转角；n表示结构块体总数；L_T表示底板面接触块体梁半拱岩层结构承受的水平推力的力臂长度，f_k表示关键接触面的摩擦系数的参数；F＝M₁-nq_kl_k ²cosα·((n-1)+dfj)[cos(α+β)+f_ksin(α+β)]，M₁表示载荷q_k与q_a的力矩之和；若满足上述判定条件，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生面接触块体梁结构滑落失稳，可以进行开采，若不满足，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构会发生面接触块体梁结构滑落失稳，不能进行开采。

2.根据权利要求1所述的一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，所述步骤S4中，控制岩层破断距l_k的计算公式为：

上式中，h_k表示控制岩层厚度，R_Tk表示控制岩层抗拉强度，q_k表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；

支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷大小q_a的计算公式为：

上式中，γ表示上覆岩层的容重，H表示上覆岩层的厚度，x₀表示待采残煤工作面支承压力的宽度，l₀表示支承压力的长度，k_i表示载荷集中系数，z表示控制岩层的深度。

3.根据权利要求1所述的一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，所述步骤S3中，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层位置的公式为：

其中m表示岩层的标号，若满足上式，则该岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

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