CN110765642B - 一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，包括步骤：确定评价对象及评价区域、确定已采的煤层累计采厚、确定已采煤层的垮落带及裂隙带发育高度、确定“三带”岩层累计厚度、分带划分并修正计算结果、确定“三带”和完整岩层的弱面递减系数、计算顶板岩层厚度特征参数并进行危险等级划分、分级管控、监测及防治。本发明综合考虑了不同的煤层倾角、采煤工艺、采煤方法、煤层群空间位置、覆岩岩性下的覆岩“三带”分布规律，该方法可实现对煤层、采区或采掘工作面顶板岩层结构的分带评价，适用于具有冲击地压危险的矿井，亦可用于有顶板评价需求的煤层、采区或采掘工作面。

Description

一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法

技术领域

本发明涉及一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，适用于具有冲击地压危险的矿井，用于指导煤层、采区或采掘工作面的冲击地压危险性评价、冲击地压类型划分、冲击危险的监测预警及冲击地压防治工作，亦可用于有顶板评价需求的煤层、采区或采掘工作面，用于指导煤层、采区或采掘工作面的顶板岩层结构评价、顶板管理及顶板灾害防治工作。

背景技术

顶板灾害是煤矿的五大灾害之一，煤层、采区或采掘工作面的顶板管理及顶板灾害防治工作一直是矿井安全生产工作的重点和难点。坚硬顶板岩层结构的破断还会造成大量弹性能的突然释放，诱发顶板型或煤柱型冲击地压等动力灾害，顶板同样是冲击地压防治工作的重点和难点。

顶板岩层结构的评价是矿井(煤层、采区或采掘工作面)冲击地压危险性评价、冲击地压型划分、冲击危险监测预警及冲击地压防治工作的基础。现有的顶板岩层结构评价方法大致分为两类，一类是通过研究顶板上方大于10m的厚硬岩层与煤层之间距离来评价顶板岩层的冲击危险性，一类是通过计算传统的顶板岩层的厚度特征参数L_st值来评价顶板岩层的冲击危险性。使用中发现，这两类评价方法均存在评价结果受人为因素影响较大、部分矿井评价结果不合理的局限性，尤其是在评价倾斜煤层、急倾斜煤层、非首采煤层等特殊地质条件下的煤层、采区或工作面时，上述评价方法未考虑上覆岩层的垮落形态及“三带”岩层特征，仍按照完整岩层的顶板岩层结构进行评价，易出现重大失误，对现场的冲击地压评价、监测、防治、管理工作造成误导。

因此，只有动态观察煤层开采前的顶板岩层结构，对上覆岩层的不同垮落形态进行分带评价、综合考虑，才能得到科学合理的评价结果，为后续的冲击地压防治研究和顶板管理工作提供有效指导。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，该方法综合考虑了不同的煤层倾角、采煤工艺、采煤方法、煤层群空间位置、覆岩岩性下的覆岩“三带”分布规律，提出了一种顶板岩层结构动态观察、分类研究、分带评价、综合计算的评价方法，可实现对煤层、采区或采掘工作面顶板岩层结构的科学评价，适用于具有冲击地压危险的矿井，用于指导煤层、采区或采掘工作面的冲击地压危险性评价，亦可用于有顶板评价需求的煤层、采区或采掘工作面。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定评价对象及评价区域，其中：评价对象为待评价的煤层、采区或工作面，评价区域为待评价的煤层、采区或工作面顶板上方100m区域；

步骤2：确定待评价煤层是否为评价区域内首采煤层，若是，则进行步骤8，若不是，则进行步骤3，其中待评价煤层为采区或工作面所属煤层；

步骤3：确定评价区域内已开采的煤层是否进行垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的覆岩“三带”观测或预计工作，如已进行“三带”观测或预计，则进行步骤7，若未进行“三带”观测或预计，则进行步骤4；

步骤4：确定评价区域内已采的煤层累计采厚∑M；

步骤5：确定评价区域内已采煤层的倾角，根据煤层倾角的不同分别确定已采煤层的垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l；

步骤6：确定已采煤层与待评价煤层的空间层位关系及煤层间距d，根据空间层位关系及煤层间距的不同，确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度，得到累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi；

步骤7：根据能较准确反映评价区域内顶板岩层结构的钻孔综合柱状图，列表统计顶板岩层岩性及厚度，根据步骤6的计算结果，采用就近原则对评价区域内岩层进行分带划分，判断其所属“三带”类别，并根据实际岩层结构调整修正步骤6中的计算结果，得到最终的∑H_ki、∑H_li、∑H_wi及∑H_yi值；

步骤8：判断待评价煤层累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i并列表统计，若∑H_ki+∑H_li＞0，则分别计算确定不同岩性垮落带岩层的弱面递减系数r_ki、裂隙带岩层的弱面递减系数r_li以及弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi并列表统计；

步骤9：计算待评价煤层的顶板岩层结构特征参数L_st，计算公式如下：

式中，H_ki、H_li、H_wi和H_yi分别表示为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及完整岩层内第i种岩层的厚度；r_ki、r_li、r_wi和r_i分别为垮落带岩层、裂隙带岩层、弯曲下沉带岩层和完整岩层的弱面递减系数；∑H_i表示待评价煤层上方100m累计岩层厚度，∑H_i通常不为100m，当出现∑H_i-1＜100＜∑H_i的情况时，取至第i层；

步骤10：根据L_st值的不同，将待评价煤层的顶板岩层厚度特征划分为4个等级，划分标准如表1所示；

表1顶板岩层厚度特征等级划分标准

步骤11：分级管控、监测及防治。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：

步骤1-1：确定评价对象，即为待评价的煤层、采区或采掘工作面；

步骤1-2：根据评价对象的煤层倾角确定评价区域，若评价对象为倾角8°以下的煤层，则评价区域为垂直煤层上方100m范围内的顶板岩层；若评价对象为倾角为8°～55°的煤层，则评价区域为煤层中部沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层，若评价对象为倾角为55°～90°的煤层，则评价区域为所采水平分段顶板侧沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：

步骤4-1：确定评价区域内已采煤层的采煤工艺和采煤方法；

步骤4-2：根据评价区域内已采煤层采煤工艺和采煤方法的不同，确定∑M；若已采煤层采用综采一次采全高的工艺开采，则∑M即为平均煤厚；若采用综采放顶煤的工艺开采，则∑M为煤层的采放高度之和；若采用厚煤层分层开采的方法开采，则∑M为厚煤层各分层的采厚之和。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法如下：

步骤5-1：根据已采煤层的地质资料，确定已采煤层倾角及顶板岩层岩性；

步骤5-2：根据已采煤层倾角及顶板岩层岩性的不同，估算已采煤层的垮落带发育高度及裂隙带发育高度范围；

步骤5-3：对估算得到的垮落带、裂隙带发育高度范围取平均值，得到垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法如下：

步骤6-1：确定已采煤层数量，若已采煤层仅有1层，则依次进行步骤6-2和步骤6-3；若已采煤层有多层，则进行步骤6-4；

步骤6-2；确定已采煤层与待评价煤层的空间层位关系、煤层间距d以及已采煤层厚度m；

其中：当已采煤层位于待评价煤层之下时，d为已采煤层上表面待评价煤层之间距离；当已采煤层位于待评价煤层之上时，d为已采煤层下表面与待评价煤层之间距离；

步骤6-3：确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度；

根据已采煤层与待评价煤层空间层位关系及煤层间距d，存在10种不同的位置关系，分别如图5～图14所示；根据10种不同的位置关系，确定待评价煤层上方100m内累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层下方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层上方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

∑H_wi的计算公式如下：

∑H_wi＝100-∑H_ki-∑H_li-∑H_yi  (4)

式中，∑H_ki、∑H_li、∑H_wi和∑H_yi分别为待评价煤层上方100m内累计垮落带岩层厚度、累计裂隙带岩层厚度及累计弯曲下沉带岩层厚度和完整岩层厚度；H_k、H_l分别为已采煤层垮落带发育高度及裂隙带发育高度；d为已采煤层与待评价煤层间距；m为已采煤层厚度；

步骤6-4：若已采煤层数量有多层，则调用步骤5，分别计算并作图绘制各煤层的垮落带与裂隙带发育高度，并进行合并处理，合并的优先级别为：垮落带>裂隙带>弯曲下沉带>完整岩层。

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法如下：

步骤8-1：判断待评价煤层累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则进行步骤8-2，若∑H_ki+∑H_li＞0，则进行步骤8-3；

步骤8-2：确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i，例举几种典型岩性，如表2所示；

表2完整岩层弱面递减系数表

步骤8-3：确定垮落带岩层的弱面递减系数r_ki；

由于垮落带内的岩层破坏较为严重，其性质、状态与采空区冒矸接近，故r_ki取值如下：

r_ki＝r_i(矸)  (5)

步骤8-4：分别确定不同岩性裂隙带岩层的弱面递减系数r_li和弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi，计算公式如下：

式中，m_k、m_l和m_w分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带岩层的弱化系数，且均≤1，r_i为完整岩层的弱面递减系数；

例举几种典型岩性，分别如表3和表4所示；

表3裂隙带岩层弱面递减系数表

表4弯曲下沉带岩层弱面递减系数表

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明采用动态观察、分带评价的方式，综合考虑了待评价煤层开采前垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的“三带”覆岩结构，相比之前的静态评价方法，评价结果更为准确。

2、本发明针对不同的煤层倾角、采煤工艺、采煤方法、煤层群空间位置、覆岩岩性提供了一种可操作的顶板岩层结构评价方法，相比传统评价方法适用性更强。

3、本发明提出了一种基于“三带”岩层结构分析的岩层弱面递减系数计算方法，以及灵活的弱化系数参数选取方法，与现场实际条件更为接近，评价结果相对传统方法更科学。

附图说明

图1为本发明评价方法的流程示意图。

图2为本发明步骤1中倾角小于8°煤层评价区域的确定示意图。

图3为本发明步骤1中倾角8°～55°煤层评价区域的确定示意图。

图4为本发明步骤1中倾角大于55°煤层评价区域的确定示意图。

图5为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层上方情况1的示意图。

图6为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层上方情况2的示意图。

图7为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层上方情况3的示意图。

图8为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层上方情况4的示意图。

图9为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层上方情况5的示意图。

图10为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层下方情况1的示意图。

图11为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层下方情况2的示意图。

图12为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层下方情况3的示意图。

图13为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层下方情况4的示意图。

图14为本发明步骤6中已采煤层位于待评价煤层下方情况5的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定评价对象及评价区域，其中：评价对象为待评价的煤层、采区或工作面，评价区域为待评价的煤层、采区或工作面顶板上方100m区域；具体实现方法如下：

步骤1-1：确定评价对象，即为待评价的煤层、采区或采掘工作面；

步骤1-2：根据评价对象的煤层倾角确定评价区域，若评价对象为倾角8°以下的煤层，则评价区域为垂直煤层上方100m范围内的顶板岩层，如图1所示；若评价对象为倾角为8°～55°的煤层，则评价区域为煤层(采区或工作面)中部沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层，如图2所示，若评价对象为倾角为55°～90°的煤层，则评价区域为所采水平分段(采区或工作面)顶板侧沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层，如图3所示。

步骤2：确定待评价煤层即采区或工作面所属煤层是否为评价区域内首采煤层，若是，则进行步骤8，若不是，则进行步骤3；

步骤3：确定评价区域内已开采的煤层是否进行垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的覆岩“三带”观测或预计工作，如已进行“三带”观测或预计，则进行步骤7，若未进行“三带”观测或预计，则进行步骤4；

步骤4：确定评价区域内已采的煤层累计采厚∑M；具体实现方法如下：

步骤4-1：确定评价区域内已采煤层的采煤工艺和采煤方法；

步骤4-2：根据评价区域内已采煤层采煤工艺和采煤方法的不同，确定∑M。若已采煤层采用综采一次采全高的工艺开采，则∑M即为平均煤厚；若采用综采放顶煤的工艺开采，则∑M为煤层的采放高度之和；若采用厚煤层分层开采的方法开采，则∑M为厚煤层各分层的采厚之和。

步骤5：确定评价区域内已采煤层的倾角，根据煤层倾角的不同分别确定已采煤层的垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l；具体实现方法如下：

步骤5-1：根据已采煤层的地质资料，确定已采煤层倾角及顶板岩层岩性；

步骤5-2：根据已采煤层倾角及顶板岩层岩性的不同，估算已采煤层的垮落带发育高度及裂隙带发育高度范围。

步骤5-3：对估算得到的垮落带、裂隙带发育高度范围取平均值，得到垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l。

步骤6：确定已采煤层与待评价煤层(采区或工作面所属煤层)的空间层位关系及煤层间距d，根据空间层位关系及煤层间距的不同，确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度，得到累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi；具体实现方法如下：

步骤6-1：确定已采煤层数量，若已采煤层仅有1层，则依次进行步骤6-2和步骤6-3；若已采煤层有多层，则进行步骤6-4；

步骤6-2；确定已采煤层与待评价煤层(采区或工作面所属煤层)的空间层位关系、煤层间距d以及已采煤层厚度m；

其中：当已采煤层位于待评价煤层之下时，d为已采煤层上表面待评价煤层之间距离；当已采煤层位于待评价煤层之上时，d为已采煤层下表面与待评价煤层之间距离。

步骤6-3：确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度；

根据已采煤层与待评价煤层(采区或工作面所属煤层)空间层位关系及煤层间距d，存在10种不同的位置关系，分别如图5～图14所示。根据10种不同的位置关系，确定待评价煤层上方100m内累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层下方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层上方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

∑H_wi的计算公式如下：

∑H_wi＝100-∑H_ki-∑H_li-∑H_yi  (4)

式中，∑H_ki、∑H_li、∑H_wi和∑H_yi分别为待评价煤层上方100m内累计垮落带岩层厚度、累计裂隙带岩层厚度及累计弯曲下沉带岩层厚度和完整岩层厚度；H_k、H_l分别为已采煤层垮落带发育高度及裂隙带发育高度；d为已采煤层与待评价煤层间距；m为已采煤层厚度。

步骤6-4：若已采煤层数量有多层，则调用步骤5，分别计算并作图绘制各煤层的垮落带与裂隙带发育高度，并进行合并处理。合并的优先级别为：垮落带>裂隙带>弯曲下沉带>完整岩层。

步骤7：根据能较准确反映评价区域内顶板岩层结构的钻孔综合柱状图，列表统计顶板岩层岩性及厚度，根据步骤6的计算结果，采用就近原则对评价区域内岩层进行分带划分，判断其所属“三带”类别，并根据实际岩层结构调整修正步骤6中的计算结果，得到最终的∑H_ki、∑H_li、∑H_wi及∑H_yi值；

步骤8：判断待评价煤层(采区或工作面所属煤层)累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i并列表统计，若∑H_ki+∑H_li＞0，则分别计算确定不同岩性垮落带岩层的弱面递减系数r_ki、裂隙带岩层的弱面递减系数r_li以及弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi并列表统计；具体实现方法如下：

步骤8-1：判断待评价煤层(采区或工作面所属煤层)累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则进行步骤8-2，若∑H_ki+∑H_li＞0，则进行步骤8-3；

步骤8-2：确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i，例举几种典型岩性，如表5所示；

表5完整岩层弱面递减系数表

步骤8-3：确定垮落带岩层的弱面递减系数r_ki；

由于垮落带内的岩层破坏较为严重，其性质、状态与采空区冒矸接近，故r_ki取值如下：

r_ki＝r_i(矸)  (5)

步骤8-4：分别确定不同岩性裂隙带岩层的弱面递减系数r_li和弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi，计算公式如下：

式中，m_k、m_l和m_w分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带岩层的弱化系数，且均≤1，r_i为完整岩层的弱面递减系数。

例举几种典型岩性，分别如表6和表7所示；

表6裂隙带岩层弱面递减系数表

表7弯曲下沉带岩层弱面递减系数表

步骤9：计算待评价煤层(采区或工作面所属煤层)的顶板岩层结构特征参数L_st，计算公式如下：

式中，H_ki、H_li、H_wi和H_yi分别表示为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及完整岩层内第i种岩层的厚度；r_ki、r_li、r_wi和r_i分别为垮落带岩层、裂隙带岩层、弯曲下沉带岩层和完整岩层的弱面递减系数；∑H_i表示待评价煤层上方100m左右累计岩层厚度(∑H_i通常不为100m，当出现∑H_i-1＜100＜∑H_i的情况时，应取至第i层)。

步骤10：根据L_st值的不同，将待评价煤层(采区或工作面所属煤层)的顶板岩层厚度特征划分为4个等级，划分标准如表1所示；

表1顶板岩层厚度特征等级划分标准

步骤11：分级管控、监测及防治。

实施例

如图1所示，本发明提供的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定评价对象为某矿2-2中煤层一盘区；由于2-2中煤层为平均倾角小于8°的近水平煤层，根据图2确定评价区域为垂直煤层上方100m范围内的顶板岩层。

步骤2：2-2中煤为该矿井第二层可采煤层，非首采煤层，故进行步骤3；

步骤3：该矿井未进行首采煤层的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的覆岩“三带”观测或预计工作，故进行步骤4；

步骤4：该矿井首采煤层采用综采一次采全高的采煤工艺，实际采厚即为已采煤层平均煤厚，故取∑M＝2.52m；

步骤5：根据首采煤层地质资料及能较准确反映2-2中煤一盘区顶板岩层结构特点的HK23(1：200)钻孔综合柱状图，首采煤层为平均倾角小于8°的近水平煤层，顶板岩层岩性为砂质泥岩，属软弱岩层。

可参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017版)估算已采煤层的垮落带发育高度及裂隙带发育高度范围，其垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l范围的估算公式分别如表8和表9所示；

表8倾角小于55°煤层垮落带高度计算公式

注：1.∑M为累计采厚；2.公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；3.计算公式中±号项为中误差。

表9倾角小于55°煤层裂隙带高度计算公式

注：1.∑M为累计采厚；2.公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；3.计算公式中±号项为中误差。

根据表2和表3分别计算已采煤层的垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l如下：

对估算所得的垮落带、裂隙带发育高度范围取平均值，得到已采煤层的垮落带发育高度H_k约为8.17m，裂隙带发育高度H_l约为33.02m。

步骤6：本矿井已采煤层数量仅有1层，根据HK23(1：200)钻孔综合柱状图，已采煤层位于2-2中煤层上方，且煤层间距d＝26.6m，满足条件：0≤d＜100-H_l-m，对应图5中的情况，故“三带”岩层累计厚度的计算结果如下所示：

步骤7：根据HK23(1：200)钻孔综合柱状图，列表统计评价区域内顶板岩层岩性及厚度，并对评价区域内岩层进行分带划分，最终得到调整后的“三带”岩层累计厚度值，如表10所示。

表10顶板岩层分带划分结果表

步骤8：2-2中煤一盘区∑H_ki+∑H_li＝33.54m＞0，故需确定完整岩层及“三带”岩层的弱面递减系数值。

根据工程经验，首先确定完整岩层的弱面递减系数值r_i，如表11所示；

表11完整岩层弱面递减系数表

由于垮落带内的岩层破坏较为严重，其性质、状态与采空区冒矸接近，故r_ki取值如下：

r_ki＝r_i(矸)＝0.04  (10)

裂隙带和弯曲下沉带岩层的弱化系数m_l和m_w分别取完整岩层的三等分值，故取m_l＝0.333、m_w＝0.667。据此确定裂隙带和弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_li和r_wi分别如表12和表13所示。

表12裂隙带岩层弱面递减系数表

表13弯曲下沉带岩层弱面递减系数表

步骤9：计算待评价煤层(采区或工作面所属煤层)的顶板岩层结构特征参数L_st，如表14所示：

表14顶板厚度特征参数值L_st计算

步骤10：综上，2-2中煤层一盘区0≤L_st＝43.97<50，顶板岩层厚度特征参数表明其顶板岩层结构具有弱危险性；

步骤11：顶板岩层的分级管控、监测及防治。

Claims (6)

1.一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定评价对象及评价区域，其中：评价对象为待评价的煤层、采区或工作面，评价区域为待评价的煤层、采区或工作面顶板上方100m区域；

步骤2：确定待评价煤层是否为评价区域内首采煤层，若是，则进行步骤8，若不是，则进行步骤3，其中待评价煤层为采区或工作面所属煤层；

步骤3：确定评价区域内已开采的煤层是否进行垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的覆岩“三带”观测或预计工作，如已进行“三带”观测或预计，则进行步骤7，若未进行“三带”观测或预计，则进行步骤4；

步骤4：确定评价区域内已采的煤层累计采厚∑M；

步骤5：确定评价区域内已采煤层的倾角，根据煤层倾角的不同分别确定已采煤层的垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l；

步骤6：确定已采煤层与待评价煤层的空间层位关系及煤层间距d，根据空间层位关系及煤层间距的不同，确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度，得到累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi；

步骤7：根据能较准确反映评价区域内顶板岩层结构的钻孔综合柱状图，列表统计顶板岩层岩性及厚度，根据步骤6的计算结果，采用就近原则对评价区域内岩层进行分带划分，判断其所属“三带”类别，并根据实际岩层结构调整修正步骤6中的计算结果，得到最终的∑H_ki、∑H_li、∑H_wi及∑H_yi值；

步骤8：判断待评价煤层累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i并列表统计，若∑H_ki+∑H_li＞0，则分别计算确定不同岩性垮落带岩层的弱面递减系数r_ki、裂隙带岩层的弱面递减系数r_li以及弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi并列表统计；

步骤9：计算待评价煤层的顶板岩层结构特征参数L_st，计算公式如下：

式中，H_ki、H_li、H_wi和H_yi分别表示为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及完整岩层内第i种岩层的厚度；r_ki、r_li、r_wi和r_i分别为垮落带岩层、裂隙带岩层、弯曲下沉带岩层和完整岩层的弱面递减系数；∑H_i表示待评价煤层上方100m累计岩层厚度，∑H_i通常不为100m，当出现∑H_i-1＜100＜∑H_i的情况时，取至第i层；

步骤10：根据L_st值的不同，将待评价煤层的顶板岩层厚度特征划分为4个等级，划分标准如表1所示；

表1顶板岩层厚度特征等级划分标准

步骤11：分级管控、监测及防治。

2.根据权利要求1所述的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：

步骤1-1：确定评价对象，即为待评价的煤层、采区或采掘工作面；

步骤1-2：根据评价对象的煤层倾角确定评价区域，若评价对象为倾角8°以下的煤层，则评价区域为垂直煤层上方100m范围内的顶板岩层；若评价对象为倾角为8°～55°的煤层，则评价区域为煤层中部沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层，若评价对象为倾角为55°～90°的煤层，则评价区域为所采水平分段顶板侧沿垂直于地表方向100m范围内顶板岩层。

3.根据权利要求1所述的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法如下：

步骤4-1：确定评价区域内已采煤层的采煤工艺和采煤方法；

步骤4-2：根据评价区域内已采煤层采煤工艺和采煤方法的不同，确定∑M；若已采煤层采用综采一次采全高的工艺开采，则∑M即为平均煤厚；若采用综采放顶煤的工艺开采，则∑M为煤层的采放高度之和；若采用厚煤层分层开采的方法开采，则∑M为厚煤层各分层的采厚之和。

4.根据权利要求1所述的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法如下：

步骤5-1：根据已采煤层的地质资料，确定已采煤层倾角及顶板岩层岩性；

步骤5-2：根据已采煤层倾角及顶板岩层岩性的不同，估算已采煤层的垮落带发育高度及裂隙带发育高度范围；

步骤5-3：对估算得到的垮落带、裂隙带发育高度范围取平均值，得到垮落带发育高度H_k及裂隙带发育高度H_l。

5.根据权利要求1所述的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法如下：

步骤6-1：确定已采煤层数量，若已采煤层仅有1层，则依次进行步骤6-2和步骤6-3；若已采煤层有多层，则进行步骤6-4；

步骤6-2；确定已采煤层与待评价煤层的空间层位关系、煤层间距d以及已采煤层厚度m；

其中：当已采煤层位于待评价煤层之下时，d为已采煤层上表面待评价煤层之间距离；当已采煤层位于待评价煤层之上时，d为已采煤层下表面与待评价煤层之间距离；

步骤6-3：确定待评价煤层上方100m“三带”岩层的累计厚度；

根据已采煤层与待评价煤层空间层位关系及煤层间距d，存在10种不同的位置关系，分别如图5～图14所示；根据10种不同的位置关系，确定待评价煤层上方100m内累计垮落带厚度∑H_ki、累计裂隙带厚度∑H_li及累计弯曲下沉带厚度∑H_wi的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层下方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

当已采煤层位于待评价煤层上方时，∑H_ki和∑H_li的计算公式如下：

∑H_wi的计算公式如下：

∑H_wi＝100-∑H_ki-∑H_li-∑H_yi               (4)

式中，∑H_ki、∑H_li、∑H_wi和∑H_yi分别为待评价煤层上方100m内累计垮落带岩层厚度、累计裂隙带岩层厚度及累计弯曲下沉带岩层厚度和完整岩层厚度；H_k、H_l分别为已采煤层垮落带发育高度及裂隙带发育高度；d为已采煤层与待评价煤层间距；m为已采煤层厚度；

步骤6-4：若已采煤层数量有多层，则调用步骤5，分别计算并作图绘制各煤层的垮落带与裂隙带发育高度，并进行合并处理，合并的优先级别为：垮落带>裂隙带>弯曲下沉带>完整岩层。

6.根据权利要求1所述的一种煤层、采区或工作面顶板岩层结构的分带评价方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法如下：

步骤8-1：判断待评价煤层累计垮落带厚度及累计裂隙带厚度之和是否为0，若∑H_ki+∑H_li＝0，则进行步骤8-2，若∑H_ki+∑H_li＞0，则进行步骤8-3；

步骤8-2：确定不同岩性完整岩层的弱面递减系数r_i，例举几种典型岩性，如表2所示；

表2完整岩层弱面递减系数表

步骤8-3：确定垮落带岩层的弱面递减系数r_ki；

由于垮落带内的岩层破坏较为严重，其性质、状态与采空区冒矸接近，故r_ki取值如下：

r_ki＝r_i(矸)                              (5)

步骤8-4：分别确定不同岩性裂隙带岩层的弱面递减系数r_li和弯曲下沉带岩层的弱面递减系数r_wi，计算公式如下：

式中，m_k、m_l和m_w分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带岩层的弱化系数，且均≤1，r_i为完整岩层的弱面递减系数；

例举几种典型岩性，分别如表3和表4所示；

表3裂隙带岩层弱面递减系数表

表4弯曲下沉带岩层弱面递减系数表

Images