CN111781334A - 一种裂缝贯通岩层的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种裂缝贯通岩层的判别方法，包括以下步骤：步骤1：搜集矿井覆岩柱状和各岩层的物理力学参数，物理力学参数包括岩层厚度、开采高度、抗拉强度和抗压强度，步骤2：计算目标岩层的最大相对下沉，岩层的最大相对下沉等于开采高度减去冒落带碎胀高度和冒落带上岩层卸荷膨胀量，步骤3：判别裂缝是否贯通岩层，当竖向裂缝贯通准则值大于压拉比时，竖向裂缝将会贯通岩层；覆岩竖向贯通裂缝是沟通承压含水层和工作面的重要通道，当竖向贯通裂缝由工作面顶板扩展到含水层时，将会发生突水灾害，本发明为确定裂缝是否贯通岩层提供了指导，判别准确、方便，对于实现矿井的安全生产以及地面生态环境保护都具有十分重要的实际价值。

Description

一种裂缝贯通岩层的判别方法

技术领域

本发明涉及矿井开采技术领域，具体涉及一种裂缝贯通岩层的判别方法。

背景技术

中国是一个煤炭资源大国，同时也是一个煤炭消费大国，大部分能源供应需要煤炭提供，2019年煤炭仍大约占能源一次消费比值的60％。但是，大量的煤炭开采也会带来诸多负面影响，如生态破坏、地表沉陷、瓦斯突出和矿井突水等。矿井突水一般来势凶猛，常会在短时间内淹没工作面和坑道，给矿山生产带来危害，造成人员伤亡。

矿井突水的必要条件是充足的水源和突水通道。中国大部分矿区工作面位于水资源丰富的第四系松散含水层下方，矿井突水资源充足，满足矿井突水的水源条件。突水通道分为原生通道和次生通道，原生通道包括断层、岩溶等，次生通道为煤层开采后水平裂缝和贯通岩层的竖向裂缝。由于水平裂缝并不能单独沟通工作面和含水层，因此，竖向贯通裂缝才是矿井突水的次生通道。

当竖向贯通裂缝直接发育到含水层时，采煤工作面将会面临突水的威胁，需要采取保护措施。因此针对覆岩竖向贯通裂缝发育问题，急需提供一种判别裂缝是否贯通岩层的方法，这对于防治突水灾害具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裂缝贯通岩层的判别方法。

本发明的技术方案是：

一种裂缝贯通岩层的判别方法，包括以下步骤：

步骤1：搜集矿井覆岩柱状和各岩层的物理力学参数，物理力学参数包括岩层厚度、开采高度、抗拉强度和抗压强度；

h为层状岩层厚度；

M为开采高度；

σ_c为岩石的单轴抗压强度；

σ_t为岩石的单轴抗拉强度；

步骤2：计算目标岩层的最大相对下沉△，岩层的最大相对下沉△等于开采高度M减去冒落带碎胀高度h_p和冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t，即计算公式为：Δ＝M-h_p-h_t；

步骤3：根据层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则判别裂缝是否贯通岩层，层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则为

为竖向裂缝贯通准则值，

为压拉比，当竖向裂缝贯通准则值大于压拉比时，竖向裂缝将会贯通岩层，层状岩层破断。

进一步地，步骤3由步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3得出；

步骤3.1：根据层状岩层竖向裂缝贯通特征，当层状岩层回转到某一水平时，在弯矩和轴力作用下，岩层底部纵向压应力达到抗压强度，竖向裂缝将贯通层状岩层，当层状岩层初次破断时，岩层中部横截面剪力为零，等效此处用一条贯通裂缝切断层状岩层，T为挤压处压应力合力，h为层状岩层厚度，a为挤压处压应力作用范围，θ为块体旋转角，Δ为块体端部因为旋转引起的最大相对下沉，层状岩层上的载荷q包括层状岩层承载的载荷和自重，L为破断块体的长度，砌体块的平衡方程为：

竖向裂缝贯通岩层时，挤压处压应力作用范围a可根据块体间的几何关系用层状岩层厚度h表示，根据几何关系，可求得挤压处压应力作用范围a为：

联立式(1)和(2)得到岩块回转过程中的水平作用力：

步骤3.2：当层状岩层挤压处最外部单元进入塑性状态，即水平推力产生的压应力大于抗压极限时，层状岩层将被竖向裂缝贯通，即：

式中：σ_jc为块体端角挤压强度；

块体端角挤压强度σ_jc与块体的单轴抗压强度之间的关系为：σ_jc＝ησ_c，η为端角处挤压强度系数；

联立式(2)、(3)和(4)，得到下式：

步骤3.3：破断块体的长度L由极限弯曲状态时的两端固支梁的岩层载荷q与抗拉强度σ_t的关系求得，计算公式为：

联立式(5)和(6)，就得到了层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则，为：

进一步地，步骤3.2中端角处挤压强度系数η＝0.3。

进一步地，步骤2包括步骤2.1和步骤2.2；

步骤2.1：计算冒落带碎胀高度h_p，冒落带碎胀高度h_p由冒落带高度H_k和冒落带碎胀系数K_p确定，计算公式为：

h_p＝H_k﹙K_P-1﹚

步骤2.2：计算冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t，冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t由弹性膨胀系数K_t计算，设弹性膨胀区高度为H_t，则冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t计算公式为：

h_t＝H_t﹙K_t–1﹚

进一步地，步骤2.1包括步骤2.1.1和步骤2.1.2；

步骤2.1.1：冒落带高度H_k一般根据实测确定，当没有实测数据时根据表1给出的公式计算；

表1冒落带高度计算经验公式

步骤2.1.2：冒落带碎胀系数K_p可根据实验室试验结果得到，如表2所示，表中

为块体的直径(mm)，从中可知，冒落带碎胀系数K_p在1.1～1.3之间；

表2松散岩石(煤)碎胀系数

本发明的有益效果为：

覆岩竖向贯通裂缝是沟通承压含水层和工作面的重要通道，当竖向贯通裂缝由工作面顶板扩展到含水层时，将会发生突水灾害，因此本发明对于防治突水灾害具有重要的意义，本发明提供的判别方法为确定裂缝是否贯通岩层提供了指导，判别准确、方便，对于实现矿井的安全生产以及地面生态环境保护都具有十分重要的实际价值。

附图说明

图1为煤层开采后覆岩裂缝分布示意图；

图2为本发明中的覆岩膨胀两带示意图；

图3为本发明中的层状岩层破断等效模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明，但本发明的保护范围不受具体实施方式所限制，在不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都属于本发明的保护范围。

煤层开采后，通常根据覆岩裂缝状态的不同划分为冒落带、裂缝带和弯曲下沉带。其中冒落带裂缝发育程度高，裂缝分布状态杂乱无章，透水能力非常强。裂缝带主要分布着层间水平裂缝和竖向贯通裂缝。由于冒落带和裂缝带都具有导水能力，两者的范围就是导水裂缝带，其范围如图1所示。弯曲下沉带内岩层整体下沉，没有水平裂缝和竖向贯通裂缝。如果竖向贯通裂缝和含水层之间有弯曲下沉带内的岩层，含水层水缺乏运移通道，水源不会突进到采煤工作面，而当竖向贯通裂缝直接发育到含水层时，采煤工作面将会面临突水的威胁，需要采取保护措施。

本实施方式的裂缝贯通岩层判别方法，包括以下步骤：

步骤1：搜集矿井覆岩柱状和各岩层的物理力学参数，物理力学参数包括岩层厚度、开采高度、抗拉强度和抗压强度；

h为层状岩层厚度；

M为开采高度；

σ_c为岩石的单轴抗压强度；

σ_t为岩石的单轴抗拉强度；

步骤2：计算目标岩层的最大相对下沉△，岩层的最大相对下沉△等于开采高度M减去冒落带碎胀高度h_p和冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t，即计算公式为：Δ＝M-h_p-h_t；

步骤2.1：计算冒落带碎胀高度h_p，冒落带碎胀高度h_p由冒落带高度H_k和冒落带碎胀系数K_p确定，计算公式为：

h_p＝H_k﹙K_p-1﹚

步骤2.1.1：冒落带高度H_k一般根据实测确定，当没有实测数据时根据表1给出的公式计算；

表1冒落带高度计算经验公式

步骤2.1.2：冒落带碎胀系数K_p可根据实验室试验结果得到，如表2所示，表中

为块体的直径(mm)，从中可知，冒落带碎胀系数K_p在1.1～1.3之间；

表2松散岩石(煤)碎胀系数

步骤2.2：计算冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t；

传统上，通常根据覆岩破坏状态的不同将其化为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。研究表明，煤层开采后，距离煤层不同层位的岩层具有不同的膨胀特性，并据此将覆岩划分为塑性膨胀区和弹性膨胀区，如图2所示，由此可知冒落带上岩层的卸荷膨胀即为弹性膨胀，因此冒落带上岩层卸荷膨胀量由弹性膨胀系数K_t计算，设弹性膨胀区高度为H_t，则冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t计算公式为：

h_t＝H_t﹙K_t–1﹚

步骤3：根据层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则判别裂缝是否贯通岩层，当竖向裂缝贯通准则值大于压拉比时，竖向裂缝将会贯通岩层，层状岩层破断；层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则为

为竖向裂缝贯通准则值，

为压拉比；

步骤3由步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3得出；

步骤3.1：根据层状岩层竖向裂缝贯通特征，当层状岩层回转到某一水平时，在弯矩和轴力作用下，岩层底部纵向压应力达到抗压强度，竖向裂缝将贯通层状岩层，当层状岩层初次破断时，岩层中部横截面剪力为零，等效此处用一条贯通裂缝切断层状岩层，T为挤压处压应力合力，h为层状岩层厚度，a为挤压处压应力作用范围，θ为块体旋转角，Δ为块体端部因为旋转引起的最大相对下沉，层状岩层上的载荷q包括层状岩层承载的载荷和自重，L为破断块体的长度，砌体块的平衡方程为：

式中：T为挤压处压应力合力；

a为挤压处压应力作用范围；

载荷q包括层状岩层承载的载荷和自重；

L为破断块体的长度；

竖向裂缝贯通岩层时，挤压处压应力作用范围a可根据块体间的几何关系用层状岩层厚度h表示，根据几何关系，可求得挤压处压应力作用范围a为：

联立式(1)和(2)得到岩块回转过程中的水平作用力：

步骤3.2：当层状岩层挤压处最外部单元进入塑性状态，即水平推力产生的压应力大于抗压极限时，层状岩层将被竖向裂缝贯通，即：

式中：σ_jc为块体端角挤压强度；

块体端角挤压强度σ_jc与块体的单轴抗压强度之间的关系为：σ_jc＝ησ_c，η为端角处挤压强度系数，η＝0.3；

联立式(2)、(3)和(4)，得到下式：

步骤3.3：破断块体的长度L由极限弯曲状态时的两端固支梁的岩层载荷q与抗拉强度σ_t的关系求得，计算公式为：

联立式(5)和(6)，就得到了层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则，为：

常见岩石不同含水率的压拉比实测结果见表3，实验室岩块的抗压强度与抗拉强度的比值在10左右，且一般情况下烘干岩石的抗压强度>天然岩石的抗压强度>饱和岩石的抗压强度；

表3常见岩石的压拉比实测结果

通过工程验证本发明的准确性：神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，属于干旱地区。沙漠覆盖层之下基岩之上第四系的萨拉乌苏组含水层蕴藏着宝贵的潜水，是矿区目前开采煤层上部惟一的含水层。

31401综采工作面为四盘区1-2煤首采工作面，设计采高4.5～5.0m，采用走向长壁后退式全部垮落法的综合机械法采煤。工作面采用JOY公司生产的4.3/5.5m双柱掩护式液压支架，其额定工作阻力为8670kN。

31401工作面从切眼推进至1600m期间，工作面的涌水量比较正常，普遍为50～80m³/h，在工作面推进至1650m时，工作面的涌水量达200m³/h，此后，从1650m到2552m处约902m的区间内，顶板淋水和采空区渗流一直不断，期间曾出现2次较大的涌水，短时间内工作面被淹，局部积水深度达2m，造成2次48h停产，最大涌水量达400m³/h。

研究表明，工作面突水与覆岩主关键层位置有关，覆岩主关键层的位置如下表4、表5所示，

表4突水区域覆岩柱状

表5未突水区域覆岩柱状

根据表4、表5的工作面柱状图可知，补连塔煤矿31401工作面突水与未突水区域的开采高度M分别为5.92m和4.78m，另外可知，突水与未突水区域的岩性分别属于中硬和坚硬，因此冒落带高度H_k可按表1分别计算，计算时不考虑误差项。软岩的碎胀系数小于硬岩的碎胀系数，因此突水与未突水区域的冒落带碎胀系数K_p分别取1.15和1.2。突水与未突水区域的弹性膨胀区高度H_t都为主关键层到冒落带顶部的距离。研究表明16MPa压力下，岩石的弹性膨胀系数h_t在1.0090～1.0097之间，本文取弹性膨胀系数为1.0090。各参数计算值如表6所示，表6中的f值即为竖向裂缝贯通准则值。

根据表6可知，突水区域的f值为6.52大于未突水区域的f值6.13，且突水区域的主关键层为中粒砂岩，而突水区域的关键层为粗粒砂岩，根据表3常见岩石的压拉比实测结果规律可知，粗粒砂岩的压拉比大于中粒砂岩的压拉比，因此突水区域更易满足式(7)。

表6补连塔煤矿31401工作面突水与未突水区域裂缝贯通准则值

类型	M(m)	H<sub>p</sub>(m)	K<sub>p</sub>(m)	h<sub>p</sub>(m)	H<sub>t</sub>(m)	K<sub>t</sub>(m)	h<sub>t</sub>(m)	Σ(m)	h(m)	σ	f
												突水	5.92	8.61	1.1	0.86	25.21	1.009	0.23	4.40	32.70	0.14	6.52
未突水	4.78	11.53	1.2	2.36	83.63	1.009	0.75	1.67	15.3	0.11	6.13

补连塔煤矿31401工作面突水区域的竖向裂缝贯通准则值大于未突水区域的竖向裂缝贯通准则值，而压拉比则小于未突水区域，因此更容易满足竖向裂缝贯通判别准则；间接验证了本发明，当竖向裂缝贯通准则值大于压拉比时，竖向裂缝将会贯通岩层，层状岩层破断。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种裂缝贯通岩层的判别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搜集矿井覆岩柱状和各岩层的物理力学参数，物理力学参数包括岩层厚度、开采高度、抗拉强度和抗压强度；

h为层状岩层厚度；

M为开采高度；

σ_c为单轴抗压强度；

σ_t为单轴抗拉强度；

步骤2：计算目标岩层的最大相对下沉△，岩层的最大相对下沉△等于开采高度M减去冒落带碎胀高度h_p和冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t，即计算公式为：Δ＝M-h_p-h_t；

步骤3：根据层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则判别裂缝是否贯通岩层，层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则为

为竖向裂缝贯通准则值，

为压拉比，当竖向裂缝贯通准则值大于压拉比时，竖向裂缝将会贯通岩层，层状岩层破断。

2.根据权利要求1所述的裂缝贯通岩层的判别方法，其特征在于：所述步骤3由步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3得出；

步骤3.1：当层状岩层回转到某一水平时，在弯矩和轴力作用下，岩层底部纵向压应力达到抗压强度，竖向裂缝将贯通层状岩层，当层状岩层初次破断时，岩层中部横截面剪力为零，等效此处用一条贯通裂缝切断层状岩层，砌体块的平衡方程为：

式中：T为挤压处压应力合力；

a为挤压处压应力作用范围；

载荷q包括层状岩层承载的载荷和自重；

L为破断块体的长度；

竖向裂缝贯通岩层时，挤压处压应力作用范围a可根据块体间的几何关系用层状岩层厚度h表示，根据几何关系，可求得挤压处压应力作用范围a为：

联立式(1)和(2)，得到下式：

步骤3.2：当层状岩层挤压处最外部单元进入塑性状态，即水平推力产生的压应力大于抗压极限时，层状岩层将被竖向裂缝贯通，即：

式中：σ_jc为块体端角挤压强度；

块体端角挤压强度σ_jc与块体的单轴抗压强度之间的关系为：σ_jc＝ησ_c，η为端角处挤压强度系数；

联立式(2)、(3)和(4)，得到下式：

步骤3.3：破断块体的长度L由极限弯曲状态时的两端固支梁的岩层载荷q与抗拉强度σ_t的关系求得，计算公式为：

联立式(5)和(6)，就得到了层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则，为：

3.根据权利要求2所述的裂缝贯通岩层的判别方法，其特征在于：所述步骤3.2中端角处挤压强度系数η＝0.3。

4.根据权利要求1所述的裂缝贯通岩层的判别方法，其特征在于：所述步骤2包括步骤2.1和步骤2.2；

步骤2.1：计算冒落带碎胀高度h_p，冒落带碎胀高度h_p由冒落带高度H_k和冒落带碎胀系数K_p确定，计算公式为：

h_p＝H_k﹙K_p-1﹚

步骤2.2：计算冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t，冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t由弹性膨胀系数K_t计算，设弹性膨胀区高度为H_t，则冒落带上岩层卸荷膨胀量h_t计算公式为：

h_t＝H_t﹙K_t–1﹚

5.根据权利要求2所述的裂缝贯通岩层的判别方法，其特征在于：所述步骤2.1包括步骤2.1.1和步骤2.1.2；

步骤2.1.1：冒落带高度H_k一般根据实测确定，当没有实测数据时根据表1给出的公式计算；

表1冒落带高度计算经验公式

步骤2.1.2：冒落带碎胀系数K_p可根据实验室试验结果得到，如表2所示，表中

为块体的直径(mm)，从中可知，冒落带碎胀系数K_p在1.1～1.3之间；

表2松散岩石(煤)碎胀系数

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