CN110836125B - 多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，涉及煤层开采后上覆坚硬顶板破断的超前作用范围测定领域，具体为解决目前国内外无准确测定坚硬顶板破断作用范围的方法。本发明基于现场钻孔窥视和实验室测定的煤岩体物理力学参数，实验室铺设物理相似模型，采用高清高速相机对模型表面黑色散斑点变化进行全过程监测，并分析得到关键层破断超前散斑点的位移变化曲线，位移变化大于零的范围即为关键层的超前影响范围。本发明采用实验室物理相似模拟的研究方法，手段易行、可靠，操作流程简单；模型参数均真实取自现场，试验结果可靠性高；预测结果可为现场超前巷道的支护设计提供理论基础，具有现实意义，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明坚硬顶板矿区煤层开采后上覆坚硬顶板破断对工作面超前煤体的作用范围测定领域，具体为一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法。
背景技术
岩层控制是煤矿安全高效开采的核心，坚硬顶板控制是岩层控制的一大难点。坚硬顶板强度高，抗压能力强，破断步距大，其破断失稳一般会对超前煤体产生挤压作用，造成工作面超前煤体的剧烈破坏等强矿压现象的发生，甚至引发矿井冲击地压动力灾害。目前对于坚硬顶板破断超前影响范围的测定多是从数值计算和现场实测的角度出发，数值计算受模型边界条件、参数准确性等因素的制约，可靠性没有保证，现场实测的方法一般均具有一定的滞后性，无法对坚硬顶板超前破断范围和强度进行提前预测预报。实验室相似模拟试验是一种可以较为准确、方便、可靠反映覆岩破断特征及其作用影响的研究方法，基于实验室相似模拟的手段，可对煤矿开采覆岩运动的一些现象和特征进行反映。因此我们为了解决坚硬顶板破断超前影响范围的测定中可靠性、滞后性和制约性的问题，需要对现有的测定方法进行改进或者采用一种新的方法。
发明内容
本发明为了解决解决坚硬顶板破断超前影响范围的测定中可靠性、滞后性和制约性的问题，提供了一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，包括如下步骤：
①在矿井井下工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下打钻孔电视观测孔，通过钻孔电视对工作面上覆岩层结构及岩性进行观测，测算并记录各岩层厚度、产状及岩性；
②取部分钻孔电视观测孔岩芯进行岩层的力学性能测试，主要测算岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量、泊松比，依据测得的岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆多层关键层的位置；
③制作物理相似模型，设定相似比例，并依据相似比例计算得到各煤岩层制作的配比号，依据配比号配比制作材料，铺设模型；
④物理相似模型铺设完毕后，在模型表面均匀喷洒圆形的黑色散斑点，散斑点直径1~5mm，散斑点密度不得小于10个/cm2；
⑤依据相似比例，计算得到模型开挖速度，并以此速度开始开挖工作面；
⑥采用高清高速相机对模型不间断连续拍照，记录监测模型表面黑色散斑点的运动变化全过程；
⑦取模型中煤层与直接顶交界处为一条测线，记录上覆各不同层位关键层分别破断前、后的两个瞬间，各自以关键层破断前的瞬间为基准，得到关键层破断后的瞬间工作面超前范围测线上黑色散斑点的位移变化曲线；
⑧记各不同层位关键层破断后测线上黑色散斑点位移变化大于0的范围为L，L即为关键层破断超前作用范围。
本发明所提供的一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，基于现场钻孔窥视和实验室测定的煤岩体物理力学参数，实验室铺设物理相似模型，采用高清高速相机对模型表面黑色散斑点变化进行全过程监测，并分析得到关键层破断超前黑色散斑点的位移变化曲线，位移变化大于零的范围即为关键层的超前影响范围。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，1）采用实验室物理相似模拟的研究方法，手段易行、可靠，操作流程简单；2）本专利所述流程，模型参数均真实取自现场，试验结果可靠性高；3）预测结果可为现场超前巷道的支护设计提供理论基础，具有现实意义，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明具体实施例物理相似模型的布置示意图。
图中：1-物理相似模型，2-黑色散斑点，3-工作面，4-煤层，5-直接顶，6-测线，7-关键层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，如图1所示：包括如下步骤：
①在矿井井下工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下打钻孔电视观测孔，通过钻孔电视对工作面上覆岩层结构及岩性进行观测，测算并记录各岩层厚度、产状及岩性；
②取部分钻孔电视观测孔岩芯进行岩层的力学性能测试，主要测算岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量、泊松比，依据测得的岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆多层关键层的位置；
③制作物理相似模型，设定相似比例，并依据相似比例计算得到各煤岩层制作的配比号，依据配比号配比制作材料，铺设模型；
④物理相似模型铺设完毕后，在模型表面均匀喷洒圆形的黑色散斑点，散斑点直径1~5mm，散斑点密度不得小于10个/cm2；
⑤依据相似比例，计算得到模型开挖速度，并以此速度开始开挖工作面；
⑥采用高清高速相机对模型不间断连续拍照，记录监测模型表面黑色散斑点的运动变化全过程；
⑦取模型中煤层与直接顶交界处为一条测线，记录上覆各不同层位关键层分别破断前、后的两个瞬间，各自以关键层破断前的瞬间为基准，得到关键层破断后的瞬间工作面超前范围测线上黑色散斑点的位移变化曲线；
⑧记各不同层位关键层破断后测线上黑色散斑点位移变化大于0的范围为L，L即为关键层破断超前作用范围。
以某矿区工作面为例进行测定，开采煤层厚度20m，煤层埋深467m，如图2所示，多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，包括如下步骤：
①在矿井井下工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下打钻孔电视观测孔，通过钻孔电视对工作面上覆岩层结构及岩性进行观测，测算并记录各岩层厚度、产状及岩性；
②取部分钻孔电视观测孔岩芯进行岩层的力学性能测试，主要测算岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量、泊松比，依据测得的岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆多层关键层的位置；距离煤层分别为17、45、75、107、146m。
③制作物理相似模型1，设定几何相似比例为1:150，则依据相似模型设计原则，计算得到模型的运动时间相似比12.25:1、应力相似比250:1，并依据相似比例计算得到各煤岩层制作的配比号，依据配比号配比制作材料，铺设模型；以紧邻煤层的直接顶岩层为例，直接顶岩性为泥岩，实验室测得其抗压强度为17.36MPa，通过应力相似比例，得到其模拟强度为69.44KPa，查表得到其对应的配比号为773，采用沙子、碳酸钙、石膏为原料进行配比，则沙子的用量为（整层岩层的质量M）*7/8，碳酸钙的质量为M*1/8*7/10，石膏的用量为M*1/8*3/10，水的用量为M*1/9。
④物理相似模型1铺设完毕后，在模型表面均匀喷洒圆形的黑色散斑点2，散斑点直径1~5mm，散斑点密度不得小于10个/cm2；
⑤依据运动时间相似比例，工作面实际采煤工作时间16个小时，检修工作时间8小时，每天进尺约4m，因此，模型上实际工作时间及开挖距离可计算得到t m =16/12.25=1.306，h=78min， l m =4000/150=26.7mm=2.67cm。由此计算得到物理相似模型1的开挖速度，即每78min开挖2.67cm，并以此速度开始开挖工作面3；
⑥采用高清高速相机对物理相似模型1不间断连续拍照，记录监测物理相似模型1表面黑色散斑点2的运动变化全过程；
⑦取物理相似模型1中煤层4与直接顶5交界处为一条测线6，记录上覆各不同层位关键层7分别破断前、后的两个瞬间，各自以关键层7破断前的瞬间为基准，得到关键层7破断后的瞬间工作面3超前范围测线6上黑色散斑点2的位移变化曲线；以距煤层107m位置的关键层为例，依据该步骤得到该关键层破断前后两个瞬间，工作面3超前范围测线6上黑色散斑点的位移变化，对两条曲线做差处理，得到两条曲线做差处理后，超前工作面320m范围发生位移变化，其余黑色散斑点2位移变化为0，即认为该关键层破断超前影响范围为20m。
⑧记各不同层位关键层7破断后测线6上黑色散斑点2位移变化大于0的范围为L，L即为关键层7破断超前作用范围。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种多层位关键层渐次破断超前作用范围测定方法，其特征在于：包括如下步骤：
①在矿井井下工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下打钻孔电视观测孔，通过钻孔电视对工作面上覆岩层结构及岩性进行观测，测算并记录各岩层厚度、产状及岩性；
②取部分钻孔电视观测孔岩芯进行岩层的力学性能测试，主要测算岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量、泊松比，依据测得的岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆多层关键层的位置；
③制作物理相似模型，设定相似比例，并依据相似比例计算得到各煤岩层制作的配比号，依据配比号配比制作材料，铺设模型；
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⑧记各不同层位关键层破断后测线上黑色散斑点位移变化大于0的范围为L，L即为关键层破断超前作用范围。
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