CN111103187B - 不同层位关键层破断冲击强度预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤层开采后，上覆岩层破断强度的监测方法，具体为一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法。解决煤层开采后岩层破断运动强度的预测的问题，通过地面钻孔取芯测试煤岩体物理力学参数，铺设合理比例的物理相似模型，并布置应力监测仪，监测不同层位关键层破断时超前煤体受载应力强度，并与煤体抗压强度相比较，分析关键层破断的冲击强度。该预测方法简单易行、结果可靠，对于预测煤层开采的安全性，并针对性提出控制技术手段具有重要指导意义。

Description

不同层位关键层破断冲击强度预测方法
技术领域
本发明涉及煤层开采后，上覆岩层破断强度的监测方法，具体为一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法。
背景技术
地下煤层开采过程中，上覆岩层的运动与控制一直都是煤矿开采的核心问题之一，岩层运动对围岩变形、透水、瓦斯突出、支护、回采等问题都有一定程度的影响，是煤矿灾害发生的核心诱因。尤其对于坚硬顶板矿区，煤层上覆坚硬顶板的破断失稳是造成工作面强矿压显现的核心因素，但因地下空间的复杂性，岩层运动一直是一个“暗箱”领域，无法实现精准探测，造成目前对于采场矿压等灾害的防治仍处于被动防御的阶段。因此，解决上覆关键层破断冲击强度的预测难题，对于提高矿井开采安全性、指导矿井开采支护设计等意义重大。
发明内容
本发明为了解决煤层开采后岩层破断运动强度的预测的问题，提供一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法。
本发明采取以下技术方案：一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法，包括以下步骤。
S100～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，测算并记录各煤岩层厚度、产状及岩性。
S200～任意取其中一个钻孔电视观测孔的煤岩芯进行煤岩层的力学性能测试，测算煤岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量以及泊松比，依据测得的煤岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆岩层关键层位置。
S300～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。
S400～模型铺设时，在煤层与直接顶交界面处，间隔距离D铺设应变仪，铺设应变仪前在应变仪上加载强度P，同时测量应变仪的应变变化ε，依据公式E=P/ε测算应变仪的弹性模量E。
S500～模型两侧留设宽度为L的保护煤柱，依据相似比例，计算得到模型开挖速度v，并以此速度开挖模型工作面。
S600～随模型工作面开采，记录上覆各不同层位的关键层破断时，工作面超前应变仪的数据变化，结合应变仪的弹性模量E，计算得到工作面超前应力数据σ。
S700～取距离工作面最近的超前应力σ与煤体的抗压强度R相对比：
若σ≥2R，则认为关键层破断冲击强度极高；
若R≤ σ ＜2R，则认为关键层破断冲击强度较高；
若0.5R≤σ＜R，则认为关键层破断冲击强度一般；
若σ＜0.5R，则认为关键层破断冲击强度较弱。
S800～工作面实地开采后，在工作面超前巷道范围煤层内，间隔10~15m布置应力测点，监测覆岩不同关键层破断时测点的应力数据σ0。
S900～依次比较物理模拟试验和现场实测得到的同一关键层破断时距离工作面最近位置的煤体应力σ与σ0，记ki=σ0/σ，其中i为关键层层位，并对ki取平均值，记为ki′。
S1000～下一工作面开采时，采用上述同样的步骤铺设物理模型，监测得到关键层破断时超前煤体应力为σ′，记σ= ki′ * σ′，将σ与煤体的抗压强度R相对比，判断关键层破断的冲击强度大小。
进一步的，应变仪铺设时，间距距离D与模型中工作面开采速度v的关系为，D=（0.5~0.8）v。
进一步的，模型两侧留设宽度为L的保护煤柱与模型的铺设长度的关系为，L=（0.1~0.2）*模型铺设长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）采用物理相似模拟的方法对顶板破断强度进行预测，方法简单、可靠、易行；
2）采用实验室试验和现场实测相结合的方法，可对试验结果进行验证，反馈优化试验成果，进一步提高预测结果的精确性；
3）应用该专利方法对顶板破断强度进行预测，预测结果可为顶板控制提供理论指导，具有现实意义；
4）我国坚硬顶板矿区占全国矿区的三分之一，该坚硬顶板破断强度预测方法操作流程简单，结果可靠，对于我国坚硬顶板矿区的安全高效开采具有理论指导意义，前景广阔。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为物理模型示意图；
图中，1—模型；2—煤层；3—直接顶；4—应变仪；5—保护煤柱；6—模型工作面；7—关键层。
具体实施方式
一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法，以某坚硬顶板特厚煤层开采矿区，20m特厚煤层开采为工程背景，预测其上覆不同层位关键层破断的冲击强度，其步骤在于。
S100～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，测算并记录各煤岩层厚度、产状及岩性。
S200～任意取其中一个钻孔电视观测孔的煤岩芯进行煤岩层的力学性能测试，主要测算煤岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量、泊松比，依据测得的煤岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆岩层关键层位置，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。
S300～制作物理相似模型1，模型架尺寸长*宽为2.5m*2m，模型1长度与模型架长度尺寸一致，设定相似比例为1:150，则依据相似模型设计原则，计算得到模型1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1，以第一层关键层7为例，实验室测得其抗压强度为55.53MPa，通过应力相似比例，得到其模拟强度为222.12KPa，查表得到其对应的配比号为437，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）*4/5，碳酸钙的质量为M*1/5*3/10，石膏的用量为M*1/5*3/7，水的用量为M*1/9。
S400～模型1铺设时，在煤层2与直接顶3交界面处，间隔5cm铺设应变仪4，铺设应变仪4前在应变仪4上加载一定强度32N，同时测量应变仪4的应变变化为230*10-3ε，依据公式E=P/ε测算应变仪4的弹性模量E为0.11GPa。
S500～模型两侧留设40cm的保护煤柱5，依据相似比例，得到运动时间相似比例为12.25:1，实际工作面采煤工作时间16个小时，检修工作时间8小时，每天进尺约4m，因此，模型工作面的工作时间及开挖距离可计算得到
Figure 468319DEST_PATH_IMAGE002
，h=78min，
Figure 345008DEST_PATH_IMAGE004
。由此计算得到模型1开挖速度，即每78min开挖2.67cm，并以此速度开挖模型工作面6。
S600～随模型工作面6开采，记录上覆各不同层位的关键层7破断时，工作面超前应变仪4的数据变化，结合应变仪4的弹性模量E，计算得到工作面4超前应力数据σ。
S700～取距离工作面6最近的超前应力σ与煤体的抗压强度R相对比：
若σ≥2R，则认为关键层破断冲击强度极高；
若R≤ σ ＜2R，则认为关键层破断冲击强度较高；
若0.5R≤σ＜R，则认为关键层破断冲击强度一般；
若σ＜0.5R，则认为关键层破断冲击强度较弱。
S800～工作面实地开采后，在工作面超前巷道范围煤层内，间隔10 m布置应力测点，监测覆岩不同关键层破断时测点的应力数据σ0。
S900～依次比较物理模拟试验和现场实测得到的同一关键层破断时距离工作面最近位置的煤体应力σ与σ0，记ki=σ0/σ（i为关键层层位），并对ki取平均值，记为ki′。
S1000～下一工作面开采时，采用上述同样的步骤铺设物理模型，监测得到关键层破断时超前煤体应力为σ′，记σ= ki′ * σ′，将σ与煤体的抗压强度R′相对比，判断关键层破断的冲击强度大小。

Claims (3)

1.一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100～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，测算并记录各煤岩层厚度、产状及岩性；
S200～任意取其中一个钻孔电视观测孔的煤岩芯进行煤岩层的力学性能测试，测算煤岩层的抗压强度、抗拉强度、抗压强度、容重、厚度、弹性模量以及泊松比，依据测得的煤岩层力学参数，通过关键层理论，计算得到工作面上覆岩层关键层位置；
S300～制作物理相似模型（1），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；
S400～模型（1）铺设时，在煤层（2）与直接顶（3）交界面处，间隔距离D铺设应变仪（4），铺设应变仪前在应变仪上加载强度P，同时测量应变仪的应变变化ε，依据公式E=P/ε测算应变仪的弹性模量E；
S500～模型两侧留设宽度为L的保护煤柱（5），依据相似比例，计算得到模型（1）开挖速度v，并以此速度开挖模型工作面（6）；
S600～随模型工作面（6）开采，记录上覆各不同层位的关键层（7）破断时，工作面超前应变仪（4）的数据变化，结合应变仪（4）的弹性模量E，计算得到工作面（6）超前应力数据σ；
S700～取距离工作面（6）最近的超前应力σ与煤体的抗压强度R相对比：
若σ≥2R，则认为关键层破断冲击强度极高；
若R≤ σ ＜2R，则认为关键层破断冲击强度较高；
若0.5R≤σ＜R，则认为关键层破断冲击强度一般；
若σ＜0.5R，则认为关键层破断冲击强度较弱；
S800～工作面实地开采后，在工作面超前巷道范围煤层内，间隔布置应力测点，监测覆岩不同关键层破断时测点的应力数据σ0；
S900～依次比较物理模拟试验和现场实测得到的同一关键层破断时距离工作面最近位置的煤体应力σ与σ0，记ki=σ0/σ，其中i为关键层层位，并对ki取平均值，记为ki′；
S1000～下一工作面开采时，采用上述同样的步骤铺设物理模型，监测得到关键层破断时超前煤体应力为σ′，记σ= ki′ * σ′，将σ与煤体的抗压强度R相对比，判断关键层破断的冲击强度大小。
2.根据权利要求1所述的一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法，其特征在于：应变仪铺设时，间距距离D与模型中工作面开采速度v的关系为，D=（0.5~0.8）v。
3.根据权利要求1所述的一种不同层位关键层破断冲击强度预测方法，其特征在于：模型两侧留设宽度为L的保护煤柱与模型的铺设长度的关系为，L=（0.1~0.2）*模型铺设长度。
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