CN109611084A - 一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法，根据工作面进尺及岩层破断角圈定可发育离层范围；其次基于组合梁原理，根据岩层层厚、弹性模量和容重对导水裂隙带以上覆岩进行岩层组合划分，判别可发育离层的层位，确定可发育的离层长度；根据工作面进尺、开采煤层厚度、岩层破断角、可发育离层层位的判别结果及岩层物理力学参数，进一步判定导水裂隙带以上稳定离层的层位；最终根据稳定离层的层位与周边含隔水层的相对位置关系，判定可形成积水离层的层位。本发明充分考虑了工作面进尺对顶板覆岩离层层位的影响，可有效判别工作面开采过程中可积水离层的层位，步骤简单有效、便于推广，可更好地服务于离层水害的基础研究和防治工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法，属于井下安全生产技术领域。
背景技术
随着浅部煤炭资源的日益枯竭，煤矿开采逐渐向深部推进，综采放顶煤技术的推广也增大了对岩层扰动，不少矿区出现以前尚未遇到的离层水害事故。离层水害因其瞬时水量大、突水征兆不明显等特点常对矿井安全生产造成重大威胁，如2016年4月25日，陕西铜川照金煤矿发生特大顶板离层突水事故，最大涌水量达30000m3/h，导致工作面、巷道瞬时被淹，11人遇难，造成巨大的经济财产损失。
如何有效防控离层水害是现有矿井安全技术领域所面临的关键问题，目前常用的可积水离层位置理论判别方法主要是基于组合梁理论判断离层位置，再结合离层封闭性、补给水源以及相对隔水层等条件来判别离层可否能形成积水离层，具体如下：首先，判别离层位置：采空区上方有一由n层岩层组成的组合梁，各岩层的厚度、重度、弹性模量分别为hi、γi、Ei(i＝1,2,3…n)；基于组合梁原理，计算最底层岩层(即组合梁第1层)实际承受的载荷(qn)1，若(qn+1)1＜(qn)1，则判定第n+1层与第n层岩层之间产生了离层；然后，判别离层可否能形成积水离层：若离层满足位于导水裂隙带高度之上，存在可对离层空间进行补给的水源，且离层与导水裂隙带间存在隔水层的三项条件，判定该离层为可积水离层。
上述传统理论判定方法被广泛运用于离层水害事故研究与防治工作中，然而此方法不足之处在于：(1)顶板覆岩运动形式是以由单层或多层岩层组成的“岩层组”为单位的弯曲变形破坏，因此离层只可能产生在相邻“岩层组”的接触面；上述方法中离层位置判别准则将顶板每层覆岩均单独作为力学性能的比较对象，使可积水离层层位预计结果不够合理导致预测结果与实际存在偏差较大。(2)随着工作面的不断推进，离层层位及可积水离层层位呈横向展布与动态跃升的演化历程，然而利用上述方法却未考虑工作面进尺对顶板覆岩离层位置的影响，因此无法预计顶板覆岩可积水离层发育的动态变化。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法，结合工作面进尺、岩体碎胀性和含隔水层位置因素，提出更合理的可积水离层发育位置的理论预计方法，修正后的方法可更好地服务于离层水害事故研究和防治工作。
为实现上述发明目的，本发明提供一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、根据工作面进尺及岩层破断角圈定可发育离层范围；
第二步、基于组合梁原理，根据岩层层厚、弹性模量和容重对可发育离层范围内的覆岩进行岩层组合划分，判别可发育离层的位置，并确定可发育的离层长度；
第三步、根据工作面进尺、开采煤层厚度、岩层破断角、步骤二可发育离层层位的判别结果及岩层物理力学参数，进一步判定导水裂隙带以上稳定离层的层位；
第四步、据步骤三中稳定离层层位的判别结果，并结合其与周边含隔水层的相对位置关系，综合判定可形成积水离层的层位。
具体的，第一步中，离层发育范围为覆岩前后破断线和工作面进尺圈定的三角形，离层发育范围高度的计算公式为：
式中：H为离层发育范围高度，单位为m；L为工作面进尺，单位为m；α1、α2为岩层前后破断角度。
具体的，第二步中确定可发育的离层层位和长度的步骤如下：
①、对可发育离层范围高度内的岩层从下至上依次编号1、2、...、n；计算n层岩层以组合梁形式同步变形时，最底层岩层即组合梁第1层的实际承受的载荷(qn)1；
式中：Ei为第i层岩层的岩性模量，单位为MPa；hi为第i层岩层厚度，单位为m；γi为第i层岩层重度，单位为kN/m3；
②、若步骤①的计算结果满足(qm)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，且1≤m<n，则判定第m+1层岩层与第m层岩层之间发生了离层，然后将1～m层岩层划分为同一岩层组，编号为#1；
③、将第m+1层岩层作为组合梁第一层，重新对m层以上的岩层自下向上依次编号，重复步骤①②，并自下向上对岩层组依次编号为#1、#2、...、#n，各岩层组之间的接触面即为离层发育的位置；
④、若步骤①或③的计算结果满足(qn)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，则判定1号岩层至n号岩层无离层产生，1～n层岩层划分为同一岩层组；
⑤、根据公式l＝L-Hs(cotα1+cotα2)计算各可发育的离层长度，式中：l为可发育的离层长度，单位为m；L为工作面进尺，单位为m；Hs为可发育的离层位置距煤层的距离，即可发育的离层高度，单位为m；α1、α2为岩层前后破断角度。
具体的，第三步中，进一步判别导水裂隙带以上稳定离层的层位，步骤如下：
①、根据下列离层量函数hs(l)，反算离层量hs(l)＝0时的离层横向尺寸ls；
其中：
式中：Δi为第i层岩组下部的自由空间，单位为m；M为开采煤层厚度，单位为m；hj是第j层岩组的厚度，单位为m；λj为第j层岩组的残余碎胀系数，无因次；q上、q下为上下位岩组自重，单位为N/m2；E上I上为上位岩组的抗弯刚度，单位为N·m2；k为地基系数，单位为kN/m3；及均为克雷洛夫函数；
②、比较第二步中确定的可发育的离层长度l和离层极限长度ls的大小：若l<ls，判定该离层为稳定离层，即离层存在；若l≥ls，则判定该离层已闭合，即离层消失；
③、自下而上依次对所有离层重复上述步骤①②，直至某一可发育的离层长度l大于该离层极限长度ls，此时判定该离层及其之上的离层存在。
具体的，第四步中，判定可形成积水离层层位的步骤如下：
①、判别稳定离层周围是否存在可对离层空间进行补给的水源；
②、离层与导水裂隙带之间是否具有相对隔水层；
③、稳定离层是否为封闭离层；
④、当①和②和③的条件均满足时，则判断该离层可形成积水离层；当①或者②或者③三个条件任一条件不满足时，则判定该离层不可形成积水离层。
进一步的，上述③步骤中的封闭离层为完整或有自愈能力的泥岩、砂质泥岩。
本发明在充分考虑导水裂隙带以外覆岩离层力学模型的基础上，结合工作面进尺、岩体碎胀性和含隔水层位置因素，修正了传统判定准则的缺陷，提出更合理的判别积水离层的理论判定方法。相较传统方法，本方法步骤简单，选取的力学模型和判定准则更符合采场实际，计算结果更为精准，可靠性更高，且便于推广，能更好地服务于离层水害的预防和防治工作。
附图说明
图1为本发明方法实施流程图；
图2为本发明具体实施例中西部某煤矿21301工作面开采期间涌水量数据图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。
某西部煤矿21301工作面为该煤矿首采工作面，工作面走向长度1370米，可采长度968米，倾向长度196米，开采3煤，属侏罗纪延安组3煤层，平均可采厚度12米，煤层近水平，实测裂采比为21.40。具体地层赋存情况和物理力学参数见表1。
如图1所示，利用本发明所提供的方法预测进尺为345m处的工作面顶板覆岩离层可否形成可积水离层，步骤如下：
第一步、根据工作面进尺及岩层破断角圈定离层发育范围:
工作面进尺L取345m，岩层前后破断角α1、α2均取70°，离层发育范围为覆岩前后破断线和工作面进尺圈定的三角形，根据公式计算离层发育范围高度H为473.94m；
第二步、结合表1中地层厚度表可判断可发育离层范围部分进入松散层，出于安全考量，将松散层全部自重施加在编号29砂质泥岩进行离层位置计算；
基于组合梁原理，根据岩层层厚、弹性模量和容重对可发育离层范围内的覆岩进行岩层组合划分，判别可发育离层的位置，并确定可发育的离层长度，具体方法如下：
①、对可发育离层范围高度内的岩层从下至上依次编号1、2、...、n；计算n层岩层以组合梁形式同步变形时，最底层岩层即组合梁第1层的实际承受的载荷(qn)1；
式中：Ei为第i层岩层的岩性模量，单位为MPa；hi为第i层岩层厚度，单位为m；γi为第i层岩层重度，单位为kN/m3；
②、若步骤①的计算结果满足(qm)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，且1≤m<n，则判定第m+1层岩层与第m层岩层之间发生了离层，然后将1～m层岩层划分为同一岩层组，编号为#1；
③、将第m+1层岩层作为组合梁第一层，重新对m层以上的岩层自下向上依次编号，重复步骤①②，并自下向上对岩层组依次编号为#1、#2、...、#n，各岩层组之间的接触面即为离层发育的位置；
④、若步骤①或③的计算结果满足(qn)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，则判定1号岩层至n号岩层无离层产生，1～n层岩层划分为同一岩层组；
⑤、根据公式l＝L-Hs(cotα1+cotα2)计算各可发育的离层长度，式中：l为可发育的离层长度，单位为m；L为工作面进尺，单位为m；Hs为可发育的离层位置距煤层的距离，即可发育的离层高度，单位为m；α1、α2为岩层前后破断角度。
如表1所示，利用根据地质资料提供的物理力学参数和分析计算出的数据得到21301工作面顶板覆岩离层的初步判别结果:编号27层下部产生离层，长度l为137.81m。
第三步、根据工作面进尺、开采煤层厚度、岩层破断角、步骤二可发育离层层位的判别结果及岩层物理力学参数，进一步判定导水裂隙带以上稳定离层的层位；具体步骤如下：
①、根据下列离层量函数hs(l)，反算离层量hs(l)＝0时的离层横向尺寸ls；
其中：
式中：Δi为第i层岩组下部的自由空间，单位为m；M为开采煤层厚度，单位为m；hj是第j层岩组的厚度，单位为m；λj为第j层岩组的残余碎胀系数，无因次；q上、q下为上下位岩组自重，单位为N/m2；E上I上为上位岩组的抗弯刚度，单位为N·m2；k为地基系数，单位为kN/m3，；及均为克雷洛夫函数；
②、比较第二步中确定的可发育的离层长度l和离层极限长度ls的大小：若l<ls，判定该离层为稳定离层，即离层存在；若l≥ls，则判定该离层已闭合，即离层消失；
③、自下而上依次对所有离层重复上述步骤①②，直至某一可发育的离层长度l大于该离层极限长度ls，此时判定该离层及其之上的离层存在。
根据采区的地质资料，取地基系数k为100MN/m3，残余碎胀系数为1.035，则Δi＝2.0383m；根据公式计算编号27层的粗砂岩实际受到的载荷(含自重)为4777.61kpa；
将上述参数代入公式反算离层量hs(l)＝0时的离层横向尺寸ls＝159.056m>137.81m，因此该处离层未发生闭合，即为稳定离层。
第四步、据步骤三中稳定离层层位的判别结果，并结合其与周边含隔水层的相对位置关系，综合判定可形成积水离层的层位；具体步骤如下:
①、判别离层是否为稳定离层；
②、判别稳定离层周围是否存在可对离层空间进行补给的水源；
③、离层与导水裂隙带之间是否具有相对隔水层；
④、当①和②和③的条件均满足时，则判断该离层可形成积水离层；当①或者②或者③三个条件任一条件不满足时，则判定该离层不可形成积水离层。
根据采区水文地质资料，该处离层位于洛河组内部，编号27及28岩层为弱富水性含水层，编号25砂质泥岩为隔水层，即工作面顶板覆岩具备形成离层水的基本条件，综合判定该离层为可积水离层。
为了验证本发明中预测方法的精确度，根据矿区开采实践，当21301工作面在推进至345m处，发生充水水源为洛河组含水层的静水水压离层突水，工作面涌水量与进尺关系如图2所示，验证了本发明方法的准确性。
表1。
Claims (6)
1.一种釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、根据工作面进尺及岩层破断角圈定可发育离层范围；
第二步、基于组合梁原理，根据岩层层厚、弹性模量和容重对可发育离层范围内的覆岩进行岩层组合划分，判别可发育离层的位置，并确定可发育的离层长度；
第三步、根据工作面进尺、开采煤层厚度、岩层破断角、步骤二可发育离层层位的判别结果及岩层物理力学参数，进一步判定导水裂隙带以上稳定离层的层位；
第四步、据步骤三中稳定离层层位的判别结果，并结合其与周边含隔水层的相对位置关系，综合判定可形成积水离层的层位。
2.根据权利要求1所述的釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，第一步中，离层发育范围为覆岩前后破断线和工作面进尺圈定的三角形，离层发育范围高度的计算公式为：
式中：H为离层发育范围高度，单位为m；L为工作面进尺，单位为m；α1、α2为岩层前后破断角度。
3.根据权利要求2所述的釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，第二步中确定可发育的离层层位和长度的步骤如下：
①、对可发育离层范围高度内的岩层从下至上依次编号1、2、...、n；计算n层岩层以组合梁形式同步变形时，最底层岩层即组合梁第1层的实际承受的载荷(qn)1；
式中：Ei为第i层岩层的岩性模量，单位为MPa；hi为第i层岩层厚度，单位为m；γi为第i层岩层重度，单位为kN/m3；
②、若步骤①的计算结果满足(qm)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，且1≤m<n，则判定第m+1层岩层与第m层岩层之间发生了离层，然后将1～m层岩层划分为同一岩层组，编号为#1；
③、将第m+1层岩层作为组合梁第一层，重新对m层以上的岩层自下向上依次编号，重复步骤①②，并自下向上对岩层组依次编号为#1、#2、...、#n，各岩层组之间的接触面即为离层发育的位置；
④、若步骤①或③的计算结果满足(qn)1＝max((q1)1,(q2)1,…,(qn)1)，则判定1号岩层至n号岩层无离层产生，1～n层岩层划分为同一岩层组；
⑤、根据公式l＝L-Hs(cotα1+cotα2)计算各可发育的离层长度，式中：l为可发育的离层长度，单位为m；L为工作面进尺，单位为m；Hs为可发育的离层位置距煤层的距离，即可发育的离层高度，单位为m；α1、α2为岩层前后破断角度。
4.根据权利要求3所述的釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，第三步中，进一步判别导水裂隙带以上稳定离层的层位，步骤如下：
①、根据下列离层量函数hs(l)，反算离层量hs(l)＝0时的离层横向尺寸ls；
其中：
式中：Δi为第i层岩组下部的自由空间，单位为m；M为开采煤层厚度，单位为m；hj是第j层岩组的厚度，单位为m；λj为第j层岩组的残余碎胀系数，无因次；q上、q下为上下位岩组自重，单位为N/m2；E上I上为上位岩组的抗弯刚度，单位为N·m2；k为地基系数，单位为kN/m3；及均为克雷洛夫函数；
②、比较第二步中确定的可发育的离层长度l和离层极限长度ls的大小：若l<ls，判定该离层为稳定离层，即离层存在；若l≥ls，则判定该离层已闭合，即离层消失；
③、自下而上依次对所有离层重复上述步骤①②，直至某一可发育的离层长度l大于该离层极限长度ls，此时判定该离层及其之上的离层存在。
5.根据权利要求4所述的釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，第四步中，判定可形成积水离层层位的步骤如下：
①、判别离层是否为稳定离层；
②、判别稳定离层周围是否存在可对离层空间进行补给的水源；
③、离层与导水裂隙带之间是否具有相对隔水层；
④、当①和②和③的条件均满足时，则判断该离层可形成积水离层；当①或者②或者③三个条件任一条件不满足时，则判定该离层不可形成积水离层。
6.根据权利要求5所述的釆动覆岩可积水离层位置判别方法，其特征在于，③步骤中的封闭离层为完整或有自愈能力的泥岩、砂质泥岩。
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2018
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| CN109611084B (zh) | 2021-10-22 |
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