CN107728228A - 水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法 - Google Patents
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Abstract
水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，包括以下步骤：（1）利用概率积分法计算覆岩不同埋深水平岩层的移动变形；（2）利用岩层面拉伸率ε S来表征覆岩内岩层层面法向方向上裂隙发育程度；（3）绘制在不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图；（4）确定不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S；（5）对目标矿井的不同埋深水平岩层层面拉伸率分布图进行判断，得到水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度的预计值。本发明理论基础严谨，可操作性强，并且将影响导水裂隙的地质和采矿条件充分考虑，能够对导水裂隙带发育高度的计算定量化，摆脱了以往过度对经验公式的依赖，对于水体下采煤工作面发生溃水危险性的评价具有一定的优势。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法。
背景技术
岩层的采动裂隙是水体渗流和瓦斯聚集运移的通道，其研究意义重大，无论是保护地表生态环境的保水开采技术，还是防治上覆含水岩土层的溃水溃沙等一系列煤矿安全隐患都与此相关。以陕西省铜川市照金煤矿为例，该矿工作面在2013年发生过一次涌水量约50000立方米的透水事故，2015年12月、2016年3月又相继发生两次小型突水事故，在2016年4月25日，202综采工作面由于顶板含水层导通井下工作面发生一起透水事故。目前我国煤矿生产以往对于煤层开采引起上覆岩层破坏高度的研究多是根据现场实测的结果，或者类比方法建立起来的经验公式，对于覆岩破坏的规律多依赖于相似模拟和数值模拟研究手段。上述研究尽管取得了较丰富的成果，但是对岩层产生断裂形成导水裂隙带的机理研究较少，没有能够对岩层导水裂隙进行定量化的计算和判断。因此以覆岩岩层的移动变形来研究岩层采动裂隙的发育，进而对采空区上部导水裂隙带发育高度进行预计，对于解决井下工作面顶板突水具有极其重要的理论指导意义和使用价值。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种满足我国煤炭工业可持续发展和安全生产的需求、从覆岩移动变形为基础、计算简便易于操作的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，包括以下步骤：
（1）在覆岩概率积分法预计参数分析的基础上，利用概率积分法计算覆岩不同埋深水平岩层的移动变形；
（2）利用岩层面拉伸率ε S来表征覆岩内岩层层面法向方向上裂隙发育程度，从而衡量岩层裂隙通过水或气的能力；
（3）在覆岩移动变形计算的基础上，绘制在不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图；
（4）利用国内覆岩导水裂隙带发育高度实测值分析的基础上，确定不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S；
（5）利用岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S对目标矿井的不同埋深水平岩层层面拉伸率分布图进行判断，得到水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度的预计值。
所述步骤（1）中覆岩概率积分法参数关于埋深z的函数包括岩层的下沉系数q(z)、岩层的拐点偏移距S(z)以及岩层的主要影响半径R(z)；
式中：n q ——下沉系数影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n r ——主要影响半径影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n s ——拐点偏移距影响系数，主要与覆岩岩性有关；
z——岩层埋深，m；
H 0——煤层埋深，m，
q 0——地表处下沉系数；
S 0——地表处拐点偏移距，m；
R 0——地表处主要影响半径，m。
覆岩概率积分法预计参数主要依据地表移动变形概率积分法参数：下沉系数q 0，拐点偏移距S 0和主要影响半径R 0，而地表移动变形的概率积分法参数依据地表移动观测站的实测数据依据曲线拟合的方法计算得到。
依赖于地表移动变形概率积分法参数在覆岩内的变化规律，其中下沉系数q(z)和拐点偏移距S(z)在覆岩中的变化规律服从幂函数关系，主要影响半径R(z)在覆岩中的变化规律主要受岩层的抗弯刚度D的影响。
层面拉伸率ε S岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值，受采动影响的岩层下沉盆地的采空区边缘区域，岩层受到的水平变形较大，当岩层受到拉伸变形达到一定值时，会形成贯穿岩层的断裂裂隙，贯穿的方式为垂直或斜交，可以根据采动后岩层曲面的变化量来衡量岩层的水平变形大小，进而表示水平方向上岩层的裂隙发育程度。
将第i层岩层变形前后层面看作一厚度不计的平面，类似于弹性力学中弹性板的中面，认为在岩层发生移动变形时，岩层形成下沉曲面，设下沉曲面函数为w i (x,y)，
式中：W max——岩层的最大下沉值，m；
r z ——埋深为z岩层的主要影响半径，m；
——概率积分函数，等于 ；
x、y——岩层水平分量，m；
l x、l y——工作面在x，y方向的尺寸，m；
利用面积的曲面积分得到变形后层面微单元面的面积S'：
于是可以得到岩层层面拉伸率ε S的表达式：岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值：
。
用函数ε S (z)表示不同埋深条件下岩层的层面拉伸率，函数表达式为：
。
根据国内煤矿导水裂隙带发育高度的实测值，反演得到不同覆岩岩性下裂隙带发育顶界处岩层的层面拉伸率值作为该地质条件下岩层裂隙导水的指标——岩层临界层面拉伸率ε’ S。
将影响覆岩导水裂隙带发育高度限定在覆岩岩性这一影响因素下，煤层倾角、工作面采深、工作面空间尺寸及开采高度因素在岩层的移动变形中有所体现。
步骤（3）-（5）具体为：根据计算矿井的钻孔柱状图分析得到覆岩的岩性，选取对应的导水裂隙带发育的岩层临界层面拉伸率ε’ S，绘制不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图，确定岩层临界层面拉伸率ε’ S对应的岩层埋深z，最终得到埋深水平与工作面的相对距离，即该工作面的导水裂隙带发育高度。
采用上述技术方案，本发明从概率积分法预计岩层移动变形、到岩层层面拉伸率的计算以及导水裂隙带发育高度的预计，形成了一整套系统的研究思路和研究方法。该方法基于覆岩的移动变形能够从本质上表示岩层水平方向裂隙发育的程度，而且岩层导水裂隙发育的判断指标来源于对国内导水裂隙带发育高度实测值，该方法理论基础严谨，可操作性强，并且将影响导水裂隙的地质和采矿条件充分考虑，能够对导水裂隙带发育高度的计算定量化，摆脱了以往过度对经验公式的依赖，对于水体下采煤工作面发生溃水危险性的评价具有一定的优势。该方法具有适应性强，理论结构研究、计算简便易于操作的特点，为水体下采煤井下安全生产提供极大便利。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是郑煤集团裴沟煤矿工作面开采后地表及覆岩下沉曲面示意图；
图3是埋深z=249.5m的上覆硬岩岩层的层面拉伸率分布曲面示意图；
图4是埋深z=20m的上覆硬岩岩层的层面拉伸率分布曲面示意图；
图5是工作面导水裂隙带发育的层面拉伸率临界值的示意图；
图6是不同开采方案工作面的布置图；
图7是方案一开采覆岩倾向主断面导水裂隙带发育高度的示意图；
图8是方案二开采覆岩倾向主断面导水裂隙带发育高度的示意图；
图9是方案三开采覆岩倾向主断面导水裂隙带发育高度的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，包括以下步骤：
（1）在覆岩概率积分法预计参数分析的基础上，利用概率积分法计算覆岩不同埋深水平岩层的移动变形；
（2）利用岩层面拉伸率ε S来表征覆岩内岩层层面法向方向上裂隙发育程度，从而衡量岩层裂隙通过水或气的能力；
（3）在覆岩移动变形计算的基础上，绘制在不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图；
（4）利用国内覆岩导水裂隙带发育高度实测值分析的基础上，确定不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S；
（5）利用岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S对目标矿井的不同埋深水平岩层层面拉伸率分布图进行判断，得到水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度的预计值。
2、根据权利要求1所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：所述步骤（1）中覆岩概率积分法参数关于埋深z的函数包括岩层的下沉系数q(z)、岩层的拐点偏移距S(z)以及岩层的主要影响半径R(z)；
式中：n q ——下沉系数影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n r ——主要影响半径影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n s ——拐点偏移距影响系数，主要与覆岩岩性有关；
z——岩层埋深，m；
H 0——煤层埋深，m，
q 0——地表处下沉系数；
S 0——地表处拐点偏移距，m；
R 0——地表处主要影响半径，m。
覆岩概率积分法预计参数主要依据地表移动变形概率积分法参数：下沉系数q 0，拐点偏移距S 0和主要影响半径R 0，而地表移动变形的概率积分法参数依据地表移动观测站的实测数据依据曲线拟合的方法计算得到。
依赖于地表移动变形概率积分法参数在覆岩内的变化规律，其中下沉系数q(z)和拐点偏移距S(z)在覆岩中的变化规律服从幂函数关系，主要影响半径R(z)在覆岩中的变化规律主要受岩层的抗弯刚度D的影响。
层面拉伸率ε S岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值，受采动影响的岩层下沉盆地的采空区边缘区域，岩层受到的水平变形较大，当岩层受到拉伸变形达到一定值时，会形成贯穿岩层的断裂裂隙，贯穿的方式为垂直或斜交，可以根据采动后岩层曲面的变化量来衡量岩层的水平变形大小，进而表示水平方向上岩层的裂隙发育程度。
将第i层岩层变形前后层面看作一厚度不计的平面，类似于弹性力学中弹性板的中面，认为在岩层发生移动变形时，岩层形成下沉曲面，设下沉曲面函数为w i (x,y)，
式中：W max——岩层的最大下沉值，m；
r z ——埋深为z岩层的主要影响半径，m；
——概率积分函数，等于；
x、y——岩层水平分量，m；
l x、l y——工作面在x，y方向的尺寸，m；
利用面积的曲面积分得到变形后层面微单元面的面积S'：
于是可以得到岩层层面拉伸率ε S的表达式：岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值：
。
用函数ε S (z)表示不同埋深条件下岩层的层面拉伸率，函数表达式为：
。
根据国内煤矿导水裂隙带发育高度的实测值，反演得到不同覆岩岩性下裂隙带发育顶界处岩层的层面拉伸率值作为该地质条件下岩层裂隙导水的指标——岩层临界层面拉伸率ε’ S。
将影响覆岩导水裂隙带发育高度限定在覆岩岩性这一影响因素下，煤层倾角、工作面采深、工作面空间尺寸及开采高度因素在岩层的移动变形中有所体现。
步骤（3）-（5）具体为：根据计算矿井的钻孔柱状图分析得到覆岩的岩性，选取对应的导水裂隙带发育的岩层临界层面拉伸率ε’ S，绘制不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图，确定岩层临界层面拉伸率ε’ S对应的岩层埋深z，最终得到埋深水平与工作面的相对距离，即该工作面的导水裂隙带发育高度。
为使本发明的计算方法和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一个实施例,以郑煤集团裴沟煤矿31071工作面开采造成的导水裂隙带发育高度为背景，裴沟煤31071工作面开采煤层为二叠系山西组下部二1煤层，煤层赋存较稳定，其中煤层倾角平均为15°。31071工作面为31采区首个工作面，工作面煤层整体较厚，煤厚4.3～17.3m，平均为7.5m，工作面倾向长度为130m，走向长度1100m，工作面采深平均值为300m。工作面工作面采用走向长壁后退式、综采放顶煤采煤方法。根据对覆岩地层的判断认为工作面上覆岩层岩性为坚硬偏软弱。
由于裴沟矿31071工作面上方地表有魔洞王水库，须对工作面开采造成的导水裂隙带发育高度进行预计，判断导水裂隙带是否沟通上部地表水库水体，以此来评价水库下开采时井下的安全性。具体地，水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法包括以下步骤：
（1）在覆岩概率积分法预计参数分析的基础上，利用概率积分法计算覆岩不同埋深水平岩层的移动变形；
根据对裴沟矿31071工作面上方地表移动观测站的观测数据和临近矿井岩层移动参数综合分析，得到裴沟矿地表概率积分法预计参数，见表1所示。
表1 地表概率积分预计参数
根据对覆岩内概率积分法参数变化规律，求取下沉影响系数n q =0.344，拐点偏移距影响系数n s=0.338，主要影响半径影响系数n r 的分布函数：
将上述参数代入岩层概率积分法参数的表达式：
然后将岩层概率积分法参数函数代入岩层下沉曲线wi(x,y)，得到不同埋深岩层的下沉曲线表达函数。选取地表及埋深分别为50m、100m、150m、200m、250m、270m岩层的下沉曲面图，见图2所示。
（2）利用岩层面拉伸率ε S来表征覆岩内岩层层面法向方向上裂隙发育程度，从而衡量岩层裂隙通过水或气的能力；
将岩层变形前后层面看作一厚度不计的平面，类似于弹性力学中弹性板的中面，认为在岩层发生移动变形时，岩层形成下沉曲面，设下沉曲面函数为w(x,y)，利用面积的曲面积分得到变形后层面微单元面的面积S'：
于是可以得到岩层层面拉伸率ε S的表达式：岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值：
层面拉伸率ε S为岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值，表示当岩层受到拉伸变形达到一定值时，形成的贯穿岩层的断裂裂隙。其中贯穿的方式为垂直或斜交，可以根据采动后岩层曲面的变化量来衡量岩层的水平变形大小，进而表示水平方向上岩层的裂隙发育程度。
（3）在覆岩移动变形计算的基础上，绘制在不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图；
将不同埋深岩层的下沉曲线函数w(x,y)代入岩层层面拉伸率ε S的表达式，得到工作面开采后不同埋深岩层层面拉伸率ε S的分布曲面，选取埋深z=249.5m和z=20m上覆硬岩岩层的层面拉伸率分布曲面来说明其分布规律，见图3所示。
（4）利用国内覆岩导水裂隙带发育高度实测值分析的基础上，确定不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S；对于裴沟煤矿来说，根据31071工作面顶板钻孔柱状图的分析，确定裴沟煤矿31071工作面覆岩属于中硬岩层，根据对国内外覆岩导水裂隙带发育实测资料得到的不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε' S（见表2所示），选取裴沟煤矿31071工作面顶板岩层层面拉伸率临界值ε' S为0.28%。
表2 不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’S
| 覆岩岩性 | 层面拉伸率临界值ε' S |
| 坚硬 | 0.20% |
| 中硬 | 0.28% |
| 软弱 | 0.36% |
（5）利用岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S对目标矿井的不同埋深水平岩层层面拉伸率分布图进行判断，得到水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度的预计值。
将上述对31071工作面的计算定为预计方案一，将开采工作面31071和工作面31051为预计方案二，预计方案三为开采31071、31051、31031三个工作面，以此来计算不同开采阶段采空区上方导水裂隙带发育高度的变化。不同开采方案工作面的布置见图6所示。
方案一、方案二和方案三倾向开采宽度分别为130m、260m和390m，煤层倾角为15°。通过岩层拉伸率函数可以得到方案一、方案二和方案三开采覆岩层面拉伸率分布函数，并通过层面拉伸率临界值ε' S 对导水裂隙带发育高度进行判断，见图7、图8和图9所示。
方案一开采层面拉伸率临界值ε' S（0.28%）对应计算水平与煤层的距离为85.2m，计算得到方案一的导水裂隙带发育高度为68.4m。方案二开采层面拉伸率临界值ε' S（0.28%）对应计算水平与煤层的距离为132.8m，计算得到方案二的导水裂隙带发育高度为99.2m。方案三开采层面拉伸率临界值ε' S（0.28%）对应计算水平与煤层的距离为191.3m，计算得到方案三的导水裂隙带发育高度为140.8m。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在覆岩概率积分法预计参数分析的基础上，利用概率积分法计算覆岩不同埋深水平岩层的移动变形；
（2）利用岩层面拉伸率ε S来表征覆岩内岩层层面法向方向上裂隙发育程度，从而衡量岩层裂隙通过水或气的能力；
（3）在覆岩移动变形计算的基础上，绘制在不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图；
（4）利用国内覆岩导水裂隙带发育高度实测值分析的基础上，确定不同岩性岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S；
（5）利用岩层导水的临界层面拉伸率ε’ S对目标矿井的不同埋深水平岩层层面拉伸率分布图进行判断，得到水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度的预计值。
2.根据权利要求1所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：所述步骤（1）中覆岩概率积分法参数关于埋深z的函数包括岩层的下沉系数q(z)、岩层的拐点偏移距S(z)以及岩层的主要影响半径R(z)；
式中：n q ——下沉系数影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n r ——主要影响半径影响系数，主要与覆岩岩性有关；
n s ——拐点偏移距影响系数，主要与覆岩岩性有关；
z——岩层埋深，m；
H 0——煤层埋深，m，
q 0——地表处下沉系数；
S 0——地表处拐点偏移距，m；
R 0——地表处主要影响半径，m。
3.根据权利要求2所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：
覆岩概率积分法预计参数主要依据地表移动变形概率积分法参数：下沉系数q 0，拐点偏移距S 0和主要影响半径R 0，而地表移动变形的概率积分法参数依据地表移动观测站的实测数据依据曲线拟合的方法计算得到。
4.根据权利要求3所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：依赖于地表移动变形概率积分法参数在覆岩内的变化规律，其中下沉系数q(z)和拐点偏移距S(z)在覆岩中的变化规律服从幂函数关系，主要影响半径R(z)在覆岩中的变化规律主要受岩层的抗弯刚度D的影响。
5.根据权利要求1所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：层面拉伸率ε S岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值，受采动影响的岩层下沉盆地的采空区边缘区域，岩层受到的水平变形较大，当岩层受到拉伸变形达到一定值时，会形成贯穿岩层的断裂裂隙，贯穿的方式为垂直或斜交，可以根据采动后岩层曲面的变化量来衡量岩层的水平变形大小，进而表示水平方向上岩层的裂隙发育程度。
6.根据权利要求4所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：将第i层岩层变形前后层面看作一厚度不计的平面，类似于弹性力学中弹性板的中面，认为在岩层发生移动变形时，岩层形成下沉曲面，设下沉曲面函数为w i (x,y)，
式中：W max——岩层的最大下沉值，m；
r z ——埋深为z岩层的主要影响半径，m；
——概率积分函数，等于 ；
x、y——岩层水平分量，m；
l x、l y——工作面在x，y方向的尺寸，m；
利用面积的曲面积分得到变形后层面微单元面的面积S'：
于是可以得到岩层层面拉伸率ε S的表达式：岩层变形后的曲面面积的增量与岩层总面积的比值：
。
7.根据权利要求1所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：根据国内煤矿导水裂隙带发育高度的实测值，反演得到不同覆岩岩性下裂隙带发育顶界处岩层的层面拉伸率值作为该地质条件下岩层裂隙导水的指标——岩层临界层面拉伸率ε ’ S。
8.根据权利要求1所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：将影响覆岩导水裂隙带发育高度限定在覆岩岩性这一影响因素下，煤层倾角、工作面采深、工作面空间尺寸及开采高度因素在岩层的移动变形中有所体现。
9.根据权利要求8所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：步骤（3）-（5）具体为：根据计算矿井的钻孔柱状图分析得到覆岩的岩性，选取对应的导水裂隙带发育的岩层临界层面拉伸率ε’ S，绘制不同埋深水平岩层的层面拉伸率分布图，确定岩层临界层面拉伸率ε’ S对应的岩层埋深z，最终得到埋深水平与工作面的相对距离，即该工作面的导水裂隙带发育高度。
10.根据权利要求7所述的水体下采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，其特征在于：用函数ε S (z)表示不同埋深条件下岩层的层面拉伸率，函数表达式为：
。
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