CN107657084B - 基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤炭开采领域，提出了基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，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确定形成底板砌体梁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砌体梁岩层结构上的扰动载荷；S5对该扰动载荷作用下，复合残采区底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行分析，若底板砌体梁岩层结构不发生滑落失稳，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，形成砌体梁结构的条件。

Description

基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法

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砌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。前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砌体梁岩层结构，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砌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，形成砌体梁结构的条件，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：基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，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，判定控制岩层的位置，该控制岩层可以形成底板岩层结构；

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

S5、对扰动载荷作用下，复合残采区各底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行判定分析，判定条件为：

式中，表示岩层的实际摩擦系数，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；df表示载荷系数，df＝q_a/q_k，q_k表示原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷；j表示扰动载荷的分布系数，j＝b/l_k，b表示扰动载荷的长度；i表示块体的块度，i＝h_k/l_k，h_k表示待采残煤底板砌体梁岩层结构的厚度；θ₁、θ₂分别表示砌体梁结构块体的回转角度；

若任一控制岩层形成的底板砌体梁岩层结构满足上述判定条件，则判定该底板砌体梁岩层结构不发生滑落失稳，可以进行开采，若所有控制岩层均不满足上述条件，则判定所有底板砌体梁岩层结构发生滑落失稳，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表示原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷；

作用于控制岩层所成底板砌体梁岩层结构上的扰动载荷的大小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，确定形成底板砌体梁岩层结构的岩层的位置的公式为：

上式中，m表示岩层标号，从下往上，岩层编号依次增加，若满足上式，则该岩层是控制岩层，可以形成底板砌体梁岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板砌体梁岩层结构。

所述步骤S5中，对扰动载荷作用下，复合残采区各底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行判定分析的判定条件为：

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为本发明提出的基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法的流程图；

图2为本发明扰动载荷作用下复合残采区底板砌体梁岩层结构模型图；

图3为本发明实施例采用的某煤矿的地层综合柱状图；

图4和图5为本发明最易失稳模型分析曲线图，图4中由下到上依次为df＝0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25对应的曲线，图5中由下到上依次为df＝0，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，10.0对应的曲线。

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，本发明提出了基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，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，确定可以形成底板砌体梁岩层结构的控制岩层的位置；

其中，确定可以形成底板砌体梁岩层结构的控制岩层的位置的公式为：

式中，m表示岩层标号，从下往上，岩层编号依次增加，若某岩层满足式(1)，则该岩层是控制岩层，可以形成底板砌体梁岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板砌体梁岩层结构。

S4、计算控制岩层破断距l_k，即待采残煤底板砌体梁岩层结构的长度；计算岩层结构的块体块度并判定所成岩层结构的形式；计算支承压力在经过传播衰减之后作用于控制岩层所成底板砌体梁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表示作用于原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷。

上部工作面开采产生时会形成支撑压力，支撑压力经过传播衰减后作用于控制岩层所成底板砌体梁岩层结构上的扰动载荷的大小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，复合残采区底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行分析。

将复合残采区上行开采工作面支承压力形成的扰动载荷简化为一段大于2倍“砌体梁”长度的可移动均布载荷。如图2所示，得到复合残采区底板砌体梁岩层结构模型。

如图2所示，R_A、R_B和T分别为作用于模型A、B点的切向力和B点的法向力。q_k和q_rk(k＝1，2)分别为作用于底板砌体梁岩层结构上下的力，其中q_k包含块体的重力，假设每个块体的分布力为均布力，块体B下的支撑力为0。将复合残采区开采工作面支承压力作用于该结构的扰动载荷简化为均布荷载。如图2所示，扰动载荷对该结构的作用长度为b，l_k(k＝1，2)为块体长度，θ₁和θ₂分别为块体B和块体C的偏转角。W₁和W₂分别为块体B和块体C的下沉量。

对复合残采区底板砌体梁岩层结构模型进行力学分析。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砌体梁岩层结构模型的平衡方程：

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l₁＝l₂＝l_k，q₁＝q₂＝q_k，a_v＝0.5(h_k-l_k sinθ₁)，W₁＝l_ksinθ₁，W₂＝l_k(sinθ₁+sinθ₂)，q₂与q_r2近似相等，可得复合残采区底板砌体梁岩层结构的解：

当载荷系数和载荷分布系数增大到一定程度时，水平推力会随之增大。当水平推力增大到一定程度时，块体转角处会最先被压碎，造成块体失稳，可以称之为滑落失稳。进一步综合考虑环境的影响，则不发生滑落失稳的条件为：

式中，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。

将式(4c)、(4d)带入式(4e)中进行推导。可得扰动载荷作用下，复合残采区底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳的判定条件为：

式中，表示岩层的实际摩擦系数，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；df表示载荷系数，df＝q_a/q_k，q_k表示原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷；j表示扰动载荷的分布系数，j＝b/l_k，b表示扰动载荷的长度；i表示块体的块度，i＝h_k/l_k，h_k表示待采残煤底板砌体梁岩层结构的厚度；θ₁、θ₂分别表示砌体梁结构块体的回转角度；

若任一控制岩层形成的底板砌体梁岩层结构满足上述判定条件，则判定该底板砌体梁岩层结构不发生滑落失稳，可以进行开采，若所有控制岩层均不满足上述条件，则判定所有底板砌体梁岩层结构发生滑落失稳，不能进行开采。

下面结合如图3所示的某煤矿，来介绍本发明的具体判定方法。

(1)通过对某煤矿地质资料和采矿资料的研究发现，下部开采的8号煤采高为3.8m，顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主。8号煤层的采用长壁垮落法开采后，3.8m厚的石灰岩顶板作为第一控制岩层对上部岩层起控制作用。初步判定7号煤层位于8煤层采空区冒落带之上。初步判断存在开采的可能性。

(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。

(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)，确定形成底板砌体梁岩层结构的岩层的位置。结合图2，得到7号煤层底板砌体梁岩层结构的位置。具体计算如下：

下部8号煤层开采后上部3.8m厚石灰岩层是第1层控制岩层，可以形成岩层结构，从第二层开始逐层进行计算。

...

经计算可得，可知上部3.8m和7.5m厚的石灰岩是控制岩层，可以形成底板砌体梁岩层结构。

进一步，根据控制岩层厚度h_k、控制岩层抗拉强度R_Tk和作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷q_k计算控制岩层破断距l_k，即待采残煤底板砌体梁岩层结构的长度；

根据计算公式(2)得到7号煤层底板砌体梁岩层结构的长度：

计算可得，3.8m和7.5m石灰岩所成底板砌体梁岩层结构的长度分别为12.85m和16.32m。两岩层结构的块度分别为0.30和0.46。

进一步，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砌体梁岩层结构上的扰动载荷的大小，根据公式(3)计算：

计算得，支承压力传递作用到底板砌体梁岩层结构的载荷分别为3000000N和700000N。

(4)通过式(4)，判定底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳，进而判断残采区上行开采的可行性。

如图4所示，根据扰动载荷分布系数j与临界摩擦系数的关系，在载荷系数df相同的情况下，扰动载荷的分布系数j＝1，即b＝l_k时，维持该结构稳定所需摩擦系数最大。因此，在判定是否发生滑落失稳时，也可以直接只选用式(4)的第一式判定。因此，选用式(4)的第一个式子进行计算。

对于3.8m厚石灰岩所成底板砌体梁岩层结构来说，不等式右边的值为：

对于7.5m厚石灰岩所成底板砌体梁岩层结构来说，不等式右边的值为：

也就是说，3.8m石灰岩不发生滑落失稳所需摩擦系数为0.78，而上部7.5m厚的石灰岩不发生滑落失稳所需摩擦系数为1.22。根据实测研究发现，顶板岩层结构摩擦系数范围为0.6～1.24。因此，上部7.5m厚的石灰岩层可能发生滑落失稳，下部3.8m石灰岩层保持稳定。因此，可以判定为可采。

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 (4)

1.基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，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，得到残煤开采区域的岩层组成、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，判定控制岩层的位置，该控制岩层可以形成底板岩层结构；

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

S5、对扰动载荷作用下，复合残采区各底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行判定分析，判定条件为：

式中，表示岩层的实际摩擦系数，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；df表示载荷系数，df＝q_a/q_k，q_k表示原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷；j表示扰动载荷的分布系数，j＝b/l_k，b表示扰动载荷的长度；i表示块体的块度，i＝h_k/l_k，h_k表示待采残煤底板砌体梁岩层结构的厚度；θ₁、θ₂分别表示砌体梁结构块体的回转角度；

若任一控制岩层形成的底板砌体梁岩层结构满足上述判定条件，则判定该底板砌体梁岩层结构不发生滑落失稳，可以进行开采，若所有控制岩层均不满足上述条件，则判定所有底板砌体梁岩层结构发生滑落失稳，不能进行开采。

2.根据权利要求1所述的基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，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表示原作用于底板砌体梁岩层结构上的载荷；

作用于控制岩层所成底板砌体梁岩层结构上的扰动载荷的大小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所述的基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定形成底板砌体梁岩层结构的岩层的位置的公式为：

式中，m表示岩层标号，从下往上，岩层编号依次增加，若满足上式，则该岩层是控制岩层，可以形成底板砌体梁岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板砌体梁岩层结构。

4.根据权利要求1所述的基于滑落失稳的复合残采区上行开采可行性定量判定方法，其特征在于，所述步骤S5中，对扰动载荷作用下，复合残采区各底板砌体梁岩层结构是否发生滑落失稳进行判定分析的判定条件为：