CN108665105B - 一种导水裂缝带发育高度预计方法 - Google Patents

一种导水裂缝带发育高度预计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于覆岩结构特征的侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法，属于防治矿井突水领域，该方法包括：S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测，获取相关覆岩岩层结构特征及其物理力学参数；S2.基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面开采实践的认识，构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数；S3.代入覆岩结构特征相关参数，计算上覆各岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度；S4.进行导水裂缝带发育高度判断。本发明方法依据明确，实施简单易行，能够有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度的预测精度，为矿井防治水决策提供理论参考。

Description

一种导水裂缝带发育高度预计方法
技术领域
本发明涉及防治矿井突水领域，尤其涉及一种基于覆岩结构特征的 侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法。
背景技术
我国煤炭资源开采重心已逐步转移到西北部生态环境脆弱的干旱半 干旱地区。随着西北煤炭开采规模的不断扩大，开采对水资源的破坏和 影响，产生井下突水灾害及其诱发的地表生态环境问题，已严重影响区 域经济可持续发展甚至社会稳定。因此，准确预计导水裂缝带发育高度， 对西北部侏罗系煤层安全开采和生态环境保护意义重大。
目前煤层开采导水裂缝带发育高度预计，实际工程中主要采用《煤 矿防治水规定》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程》等基于东部石炭-二叠开采实测值总结的经验计算公式；也有采用 现场实测、数值或物理模拟等方法综合研究确定。尽管导水裂缝带发育 规律研究取得了多方面的进展，但至今尚缺乏基于侏罗系煤层覆岩结构 特征的导水裂缝带高度预测理论。
由于侏罗系煤层和石炭-二叠系煤层的开采裂采比即导水裂缝带高度 与煤层厚度之比存在明显差异，因此规程中的经验公式在侏罗系煤层开 采中的不适用性，不能按规程中的方法确定导水裂缝带高度，所以，针 对西北侏罗系煤层开采导致的导水裂缝带发育高度进行理论预计，目前 还缺乏适宜性研究；由此可见，现有技术有待于进一步改进和提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导水裂缝带发育高度预计方法，旨在有 效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度的预测精度，为矿 井防治水决策提供理论参考依据。
本发明所采用的技术方案为：
本发明提供了一种导水裂缝带发育高度预计方法，包括以下步骤，
S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测，获取覆岩岩层结构特征及 覆岩岩层结构的相关物理力学参数；
S2.基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面开采实践的认识， 构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数；
S3.将覆岩结构特征相关参数代入上覆板状岩层挠度函数和自由空间 高度函数，计算各上覆岩岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空 间高度；
S4.进行导水裂缝带发育高度判断。
优选地，在步骤S1中，获取覆岩岩层结构特征过程为：通过野外观 测对比西部侏罗系煤层与东部石炭-二叠系煤层覆岩结构差异性。
优选地，在步骤S1中，覆岩结构特征相关物理力学参数，包括上覆 板状岩层厚度h、上覆板状岩层埋藏深度H、上覆板状岩层泊松比μ、上 覆板状岩层走向长度a、上覆板状岩层走向宽度b、上覆板状岩层容重γ、 上覆板状岩层拉应力σt、上覆板状岩层煤层采高M、上覆板状岩层碎胀 系数k。
优选地，上覆板状岩层厚度h、埋藏深度H和煤层采高M主要通过 钻孔取芯编录获取；上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层容重γ、上覆 板状岩层拉应力σt和上覆板状岩层碎胀系数k通过钻孔获得的岩芯做室 内试验获得；上覆板状岩层走向长度a和宽度b通过采煤工作面应力降 低区走向长度和宽度确定。
优选地，在步骤S2中，采空区上覆板状岩层第l层挠度函数计算公 式如下：
Figure BDA0001660861610000031
式中：ωl为上覆板状岩层第l层挠度，al为上覆板状岩层第l层走向 长度，m；bl为上覆板状岩层第l层走向宽度，m；γl为上覆板状岩层第l 层容重，kN/m3；Hl为上覆板状岩层第l层埋藏深度，m；Dl为上覆板状 岩层第l层弯曲刚度，
Figure BDA0001660861610000032
hl为上覆板状岩层第l层厚度，m； μl为上覆板状岩层第l层泊松比；El为上覆板状岩层第l层弹性模量，MPa。
优选地，在步骤S2中，板状岩层的挠度函数达到最大值并不代表岩 层破断，需进一步计算板状岩层的极限挠度。
优选地，板状岩层极限挠度的计算方法如下：
设第j层板状岩层极限尺寸为[aj]max和[bj]max，极限尺寸[aj]max、[bj]max取 决于自身岩石的物理力学性质、厚度、所受载荷等因素，其破坏条件是 当岩石的最大拉应力值大于其极限抗拉强度时，即σt>[σt]时，板状岩层 在其中心位置发生断裂，此时的岩板尺寸[aj]max、[bj]max为极限尺寸，如下 式：
Figure BDA0001660861610000033
式中：kj为上覆板状岩层第j层的形状系数， kj＝0.00302(aj/bj)3-0.03567(aj/bj)2+0.13953(aj/bj)-0.05859 ；[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度，m；[bj]max为上覆板状岩层 第j层的极限宽度，m；aj为上覆板状岩层第j层走向长度m；bj为上 覆板状岩层第j层走向宽度；[σt]j为上覆板状岩层第j层极限抗拉强度， MPa；hj为上覆板状岩层第j层厚度，m；qj为上覆板状岩层第j层受到 的载荷，MPa；
结合上覆板状岩层挠度函数，得出上覆板状岩层第j层极限挠度函数 如下式：
Figure BDA0001660861610000041
式中：[ω]j为上覆板状岩层第j层极限挠度；[aj]max为上覆板状岩层第j 层走向极限长度，m；[bj]max为上覆板状岩层第j层走向极限宽度，m；γj为上覆板状岩层第j层容重，kN/m3；Hj为上覆板状岩层第j层埋藏深度， m；Dj为上覆板状岩层第j层弯曲刚度，
Figure BDA0001660861610000042
hj为上覆板状岩层 第j层厚度，m；μj为上覆板状岩层第j层泊松比；Ej为上覆板状岩层第 j层弹性模量，MPa。
优选地，在步骤S2中，自由空间是煤层开采后形成的，将由上覆板 状岩层的碎胀特性来填充。且只有导水裂缝带的岩层发生碎胀，而弯曲 下沉带岩层不发生体积上的变化，则各岩层下的自由空间高度函数，如 下式所示：
Figure BDA0001660861610000043
式中：Si为上覆板状岩层第i层自由空间高度；M为上覆板状岩层煤 层采高；hj为上覆板状岩层第j层岩层厚度；kj为上覆板状岩层第j层碎 胀系数，其中，1≤i<j≤n。
优选地，在步骤S4中，对导水裂缝带发育高度判断，步骤如下：
S41.若上覆板状岩层极限挠度小于其下部自由空间高度，则裂缝继续 发育，重复步骤S3；
S42.若上覆板状岩层极限挠度大于其下部自由空间高度，则裂缝停止 发育，输出该岩层厚度数值并将所有输出数值进行求和累加，作为煤层 导水裂缝带发育高度。
优选地，以上任一所述的导水裂缝带发育高度预计方法适用于中国 西部地区的基于覆岩结构特征的侏罗系煤层。
与现有技术相比，本申请的技术效果：
本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于覆岩结构特征的侏罗 系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法，本发明通过对侏罗系煤 层地质条件进行精细探测，获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相 关物理力学参数；通过对基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面 开采实践的认识，构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数；通 过代入覆岩结构特征相关参数，计算上覆各岩层的极限挠度和相对应板 状岩层下部自由空间高度；最后进行导水裂缝带发育高度判断。该方法 依据明确，实施简单易行，能够有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水 裂缝带发育高度的预测精度，为矿井防治水决策提供理论参考。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优 选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且， 部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本 发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指 出的内容中来实现和获得。
附图说明
图1是本发明中煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法的步骤 流程图；
图2a是本发明中侏罗系煤层覆岩典型整体状结构示意图；
图2b是本发明中石炭二叠系煤层覆岩典型块状结构示意图；
图3是本发明中工作面前后支承压力分布及覆岩构成示意图；
图4a是本发明中岩层薄板力学模型俯视图；
图4b是本发明中岩层薄板力学模型A-A剖面图。
其中：a-上覆板状岩层走向长度(工作面应力降低区走向长度)；b- 上覆板状岩层走向宽度(工作面倾向长度)；γ-上覆板状岩层容重；H- 上覆板状岩层埋藏深度；h-上覆板状岩层厚度。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本 申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用 于限定本发明的范围。
本发明所提供的一种基于覆岩结构特征的侏罗系煤层开采导水裂缝 带发育高度理论预计方法：
S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测，获取相关覆岩结构特征及 其相关物理力学参数：
覆岩岩层结构特征主要是通过野外观测对比西部侏罗系煤层与东部 石炭-二叠系煤层覆岩结构差异性，东部石炭-二叠系煤层覆岩结构呈块状 结构(如图2b所示)，而侏罗系煤层覆岩结构呈整体层状结构(如图2a 所示)；
所述覆岩结构特征参数，主要包括上覆板状岩层厚度h、上覆板状岩 层埋藏深度H、上覆板状岩层泊松比μ、采空区上覆板状岩层走向长度a 和宽度b、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt、上覆板状岩层 煤层采高M。其中上覆板状岩层厚度h、埋藏深度H和煤层采高M主要 通过钻孔取芯编录获取；上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层容重γ、 上覆板状岩层拉应力σt和上覆板状岩层碎胀系数k，通过钻孔获得的岩芯 做室内试验获得；采空区上覆板状岩层走向长度a和宽度b分别通过采 煤工作面应力降低区走向长度和宽度确定。
S2.如图3-4所示，基于侏罗系煤层覆岩结构呈整体层状结构的特征， 可以使用弹性力学中的板状理论；又考虑到侏罗系煤层工作面的宽度普 遍较大(一般大于180m)，且工作面上覆每个岩层厚度小于36m，即工 作面的宽度与各个岩层厚度的比值小于1/5，所以可以应用板状理论中的 薄板理论。为此，基于薄板理论，采空区上覆板状岩层第l层挠度函数计 算公式如下：
Figure BDA0001660861610000071
式中：ωl为上覆板状岩层第l层挠度，al为上覆板状岩层第l层走向 长度(工作面应力降低区走向长度)，m；bl为上覆板状岩层第l层走向宽 度(工作面倾向长度)，m；γl为上覆板状岩层第l层容重，kN/m3；Hl为 上覆板状岩层第l层埋藏深度，m；Dl为上覆板状岩层第l层弯曲刚度，
Figure BDA0001660861610000072
hl为上覆板状岩层第l层厚度，m；μl为上覆板状岩层第 l层泊松比；El为上覆板状岩层第l层弹性模量，MPa。
上述板状岩层的挠度函数达到最大值并不代表岩层破断，需进一步 计算板状岩层的极限挠度，其方法如下：
设第j层板状岩层极限尺寸为[aj]max和[bj]max，极限尺寸[aj]max、[bj]max取 决于自身岩石的物理力学性质、厚度、所受载荷等因素，其破坏条件是 当岩石的最大拉应力值大于其极限抗拉强度时，即σt>[σt]时，板状岩层 在其中心位置发生断裂，此时的岩板尺寸[aj]max、[bj]max为极限尺寸，如下 式：
Figure BDA0001660861610000081
式中：kj为上覆板状岩层第j层的形状系数， kj＝0.00302(aj/bj)3-0.03567(aj/bj)2+0.13953(aj/bj)-0.05859 ；[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度，m；[bj]max为上覆板状岩层 第j层的极限宽度，m；aj为上覆板状岩层第j层走向长度m；bj为上 覆板状岩层第j层走向宽度；[σt]j为上覆板状岩层第j层极限抗拉强度， MPa；hj为上覆板状岩层第j层厚度，m；qj为上覆板状岩层第j层受到 的载荷，MPa。
结合上覆板状岩层挠度函数，得出上覆板状岩层第j层极限挠度函数 如下式：
Figure BDA0001660861610000082
式中：[ω]j为上覆板状岩层第j层极限挠度；[aj]max为上覆板状岩层第j 层走向极限长度，m；[bj]max为上覆板状岩层第j层走向极限宽度，m；γj为上覆板状岩层第j层容重，kN/m3；Hj为上覆板状岩层第j层埋藏深度， m；Dj为上覆板状岩层第j层弯曲刚度，
Figure BDA0001660861610000083
hj为上覆板状岩层 第j层厚度，m；μj为上覆板状岩层第j层泊松比；Ej为上覆板状岩层第 j层弹性模量，MPa。
自由空间是煤层开采后形成的，将由上覆板状岩层的碎胀特性来填 充。且只有导水裂缝带的岩层发生碎胀，而弯曲下沉带岩层不发生体积 上的变化，则各岩层下的自由空间高度函数，如下式所示：
Figure BDA0001660861610000091
式中：Si为上覆板状岩层第i层自由空间高度；M为上覆板状岩层煤 层采高；hj为上覆板状岩层第j层岩层厚度；kj为上覆板状岩层第j层碎 胀系数，其中，1≤i<j≤n。
S3.代入覆岩结构特征相关参数，计算上覆各岩层的极限挠度和相对 应板状岩层下部自由空间高度。
S4.进行导水裂缝带发育高度判断，步骤如下：
S41.若岩层极限挠度小于其下部自由空间高度，则裂缝继续发育，重 复步骤S3和S4；
S42.若岩层极限挠度大于其下部自由空间高度，则裂缝停止发育，输 出该岩层厚度数值并将所有输出数值进行求和累加，作为煤层导水裂缝 带发育高度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合 附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
榆阳煤矿位于陕北侏罗系煤田榆横矿区北区的红石峡井田中部。 2304综采工作面倾斜长度200m，采厚3.5m，平均倾角0.28°，煤层埋深 190～210m。根据矿压观测资料，应力降低区走向长度为200m。中砂岩、 泥岩、粉砂岩和细砂岩的碎胀系数分别为1.021、1.032、1.025和1.030。 如表1是2304工作面钻孔揭露的岩层结构及室内力学试验参数。基于上 述推导的导水裂隙带高度预计力学模型，对榆阳煤矿2304工作面的导水 裂隙带发育高度进行了理论预计。
以3煤上方的第二岩层中砂岩层为例，进行详细说明：首先，计算 [a2]max和[b2]max，即将h2＝9.9m，a2＝b2＝200m，[σt]2＝0.98MPa，q2＝γ2H2＝36.4 kN/m3×183.7m＝6686.68MPa，代入
Figure RE-GDA0001729669540000101
中，得出 [a2]max＝[b2]max＝26.87m；其次，计算岩层极限挠度函数的最大值[ω2]max过程 如下：
将[a2]max＝[b2]max＝26.87m，q2＝6686.68MPa，E2＝7600MPa，μ2＝0.26， h2＝9.9m，代入
Figure BDA0001660861610000102
和
Figure BDA0001660861610000103
中，基于Matlab平台，计算出岩层极限挠度函数的最大值[ω2]max＝2.28m；然后，计算自由空间高度S1，将M＝3.5m，h2＝9.9m， k2＝1.021，j＝2，i＝1，代入
Figure BDA0001660861610000104
中，得出S1＝3.371m；最后， 对比岩层极限挠度函数的最大值[ω2]max＝2.28m和自由空间高度S1＝3.371 m，即S1＝3.371m>[ω2]max＝2.28m，该岩层破断，则裂缝继续发育。类似 的，计算每一个岩层，得出各个岩层破坏状态，见表1。经计算，导水裂 隙带发育预计高度为83.2m。为了验证该方法的准确性，对2304综采工 作面进行了现场实测。通过观测钻孔冲洗液的漏失量以及钻孔内水位变 化，确定出导水裂缝带发育高度为84.3m。两者得出的结果基本一致，从 而验证了该方法的准确性。
表1覆岩各岩层特征、物理力学参数及破坏状态
Figure BDA0001660861610000111
事实证明，该施工方法不仅具有良好的实用性，还依据明确，实施 简单易行，能够有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度 的预测精度，为矿井防治水决策提供理论参考。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测，获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相关物理力学参数；所述覆岩岩层结构的相关物理力学参数，包括上覆板状岩层厚度h、上覆板状岩层埋藏深度H、上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层走向长度a、上覆板状岩层走向宽度b、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt、上覆板状岩层煤层采高M、上覆板状岩层碎胀系数k；
S2.基于覆岩结构特征，构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数；
采空区上覆板状岩层第l层挠度函数计算公式如下：
Figure FDA0002884694420000011
式中：ωl为上覆板状岩层第l层挠度，al为上覆板状岩层第l层走向长度，单位为m；bl为上覆板状岩层第l层走向宽度，单位为m；γl为上覆板状岩层第l层容重，单位为kN/m3；Hl为上覆板状岩层第l层埋藏深度，单位为m；Dl为上覆板状岩层第l层弯曲刚度，
Figure FDA0002884694420000012
hl为上覆板状岩层第l层厚度，单位为m；μl为上覆板状岩层第l层泊松比；El为上覆板状岩层第l层弹性模量，单位为MPa；
所述板状岩层的挠度函数达到最大值并不代表岩层破断，需进一步计算板状岩层层的极限挠度；
所述板状岩层层极限挠度的计算方法如下：
设第j层板状岩层极限尺寸为[aj]max和[bj]max，极限尺寸[aj]max、[bj]max取决于自身岩石的物理力学性质、厚度、所受载荷因素，其破坏条件是当岩石的最大拉应力值大于其极限抗拉强度时，即σt>[σt]时，板状岩层在其中心位置发生断裂，此时的岩板尺寸[aj]max、[bj]max为极限尺寸，如下式：
Figure FDA0002884694420000021
式中：kj为上覆板状岩层第j层的形状系数，kj＝0.00302(aj/bj)3-0.03567(aj/bj)2+0.13953(aj/bj)-0.05859；[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度，单位为m；[bj]max为上覆板状岩层第j层的极限宽度，单位为m；aj为上覆板状岩层第j层走向长度，单位为m；bj为上覆板状岩层第j层走向宽度；[σt]j为上覆板状岩层第j层极限抗拉强度，单位为MPa；hj为上覆板状岩层第j层厚度，单位为m；qj为上覆板状岩层第j层受到的载荷，单位为MPa；
结合上覆板状岩层挠度函数，得出上覆板状岩层第j层极限挠度函数如下式：
Figure FDA0002884694420000022
式中：[ω]j为上覆板状岩层第j层极限挠度；[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度，单位为m；[bj]max为上覆板状岩层第j层走向极限宽度，单位为m；γj为上覆板状岩层第j层容重，单位为kN/m3；Hj为上覆板状岩层第j层埋藏深度，单位为m；Dj为上覆板状岩层第j层弯曲刚度，
Figure FDA0002884694420000023
hj为上覆板状岩层第j层厚度，单位为m；μj为上覆板状岩层第j层泊松比；Ej为上覆板状岩层第j层弹性模量，单位为MPa；
S3.将覆岩结构特征相关参数代入上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数，计算各上覆岩岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度；
S4.进行导水裂缝带发育高度判断。
2.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述获取覆岩岩层结构特征过程为：通过野外观测对比西部侏罗系煤层与东部石炭-二叠系煤层覆岩结构差异性。
3.根据权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，上覆板状岩层厚度h、埋藏深度H和煤层采高M主要通过钻孔取芯编录获取；上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt和上覆板状岩层碎胀系数k通过钻孔获得的岩芯做室内试验获得；上覆板状岩层走向长度a和宽度b通过采煤工作面应力降低区走向长度和宽度确定。
4.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述自由空间是煤层开采后形成的，将由上覆板状岩层的碎胀特性来填充；且只有导水裂缝带的岩层发生碎胀，而弯曲下沉带岩层不发生体积上的变化，则各岩层下的自由空间高度函数，如下式所示：
Figure FDA0002884694420000031
式中：Si为上覆板状岩层第i层自由空间高度；M为上覆板状岩层煤层采高；hj为上覆板状岩层第j层岩层厚度；kj为上覆板状岩层第j层碎胀系数，其中，1≤i<j≤n。
5.根据权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，在步骤S4中，对导水裂缝带发育高度判断，步骤如下：
S41.若上覆板状岩层极限挠度小于其下部自由空间高度，则裂缝继续发育，重复步骤S3；
S42.若上覆板状岩层极限挠度大于其下部自由空间高度，则裂缝停止发育，输出该岩层厚度数值并将所有输出数值进行求和累加，作为煤层导水裂缝带发育高度。
6.根据权利要求1-5任一所述的导水裂缝带发育高度预计方法，其特征在于，所述方法适用于中国西部地区的基于覆岩结构特征的侏罗系煤层。
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