CN111854667A - 一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法 - Google Patents

一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，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；物理力学参数包括层状岩层厚度h，开采高度M，岩石的单轴抗压强度σ c，岩石的单轴抗拉强度σ t，步骤2：判别岩层是否出现裂缝，步骤3：基于步骤2判别结果，如果岩层出现裂缝，然后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，步骤4：进行关键层判别，步骤5：预计导水裂缝带高度；本发明提供的导水裂缝带高度预计方法涉及到岩层破断的力学机理，考虑到覆岩的分层特性以及不同岩层变形破断特征的差异性，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

一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法
技术领域
本发明涉及矿井开采技术领域，具体涉及一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法。
背景技术
煤炭在满足全球能源需求方面发挥着至关重要的作用，煤炭的主要开采方式是地下长壁开采，它具有通风良好和生产率高的优点。但是地下长壁开采会产生大量的空源，这些空源会不可避免地逐步往地表传递。当空源积累到一定量时，会给地下开采空间和地表产生不同程度的损害，如矿井突水，矿井突水需要充足的水源和突水通道，只有当开采工作面上覆有含水层且导水裂缝沟通工作面和含水层时，矿井才有可能发生突水危险，然而，大部分长壁开采工作面位于水源充足的含水层下方，一旦导水裂缝发育到含水层，矿井将会面临严重的危害，因此预计导水裂缝带高度对于预防矿井突水和河流断流具有重要意义。
覆岩导水裂缝带高度预计方法主要有经验公式、相似模拟、数值模拟、数学法、现场测试、解析法以及智能决策法。其中，经验公式是一种使用简单、应用范围广的导水裂缝带高度预计方法，一般只与煤层开采厚度有关，受到了各国采矿工程师的青睐，但是经验公式并不能体现某些特殊条件下的覆岩破坏特征，出现了实测导水高度明显大于传统公式估算值的现象，引发了多起异常突水事故；数值模拟和相似模拟都能在一定程度上预计导水裂缝带高度，但是他们都需要大量的试验参数和成本；上述这些导水裂缝带高度预计方法为预防煤矿突水灾害做出了巨大贡献，但这些方法都没有考虑覆岩的分层特性以及不同岩层变形破断特征的差异性，并且没有涉及到层状岩层破断的力学机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法。
本发明的技术方案是：
一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，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；物理力学参数包括层状岩层厚度h，开采高度M，岩石的单轴抗压强度σc，岩石的单轴抗拉强度σt；
步骤2：判别岩层是否出现裂缝，判别公式为：
Figure BDA0002605799670000011
式中，Li为破断距；
Figure BDA0002605799670000021
为拉破坏的长度，q为层状岩层上的载荷，包括层状岩层承载的载荷和自重；
当破断距Li大于拉破坏的长度时，岩层出现裂缝；
步骤3：基于步骤2判别结果，如果岩层出现裂缝，然后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：
Figure BDA0002605799670000022
式中，
Figure BDA0002605799670000023
为竖向裂缝贯通准则值f；
Figure BDA0002605799670000024
为压拉比；
当竖向裂缝贯通准则值f大于压拉比时，竖向裂缝贯通岩层；
步骤4：进行关键层判别；当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时，其最下部坚硬岩层为主关键层，只是岩体内部数层岩层协调变形与破断，并不影响地表时，其下部坚硬岩层为亚关键层；
步骤5：预计导水裂缝带高度Hc，导水裂缝带高度Hc为开采煤层到最上一层被竖向裂缝贯通岩层顶部的距离；
步骤5.1：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝未贯通岩层，即岩层未破断，则不计入到导水裂缝带高度Hc中；
步骤5.2：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝贯通岩层，即岩层破断，则计入到导水裂缝带高度Hc中。
进一步地，步骤2中的破断距Li采煤之前根据推进距离计算，采煤之后根据工作面矿压数据或地表沉陷数据获得。
进一步地，步骤3中定义挠厚比δ为岩层的最大相对下沉△与层状岩层厚度h的比值，即计算公式为：
Figure BDA0002605799670000025
进一步地，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hp和冒落带上岩层卸荷膨胀量ht，即计算公式为：Δ＝M-hp-ht。
进一步地，冒落带碎胀高度hp由冒落带高度Hk和冒落带碎胀系数Kp确定，计算公式为：hp＝Hk(Kp-1)。
进一步地，冒落带上岩层卸荷膨胀量ht由弹性膨胀系数Kt计算，设弹性膨胀区高度为Ht，冒落带上岩层卸荷膨胀量ht计算公式为：ht＝Ht(Kt-1)。
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，当导水裂缝由工作面顶板扩展到含水层时，煤层开采工作面将会发生突水灾害，因此本发明对于防治突水灾害具有重要的意义。
本发明提供的导水裂缝带高度预计方法涉及到岩层破断的力学机理，基于岩层的破断实质是煤层开采后，原煤体承受的载荷向周围煤岩体转移，导致周围煤岩体的应力超过煤岩体本身的承载能力，从而发生的破断现象，考虑到覆岩的分层特性以及不同岩层变形破断特征的差异性，预计方法准确、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为本发明覆岩导水裂缝带高度预计方法的流程图；
图2为工程验证中祁东煤矿7130工作面平面布置图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，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；物理力学参数包括层状岩层厚度h，开采高度M，岩石的单轴抗压强度σc，岩石的单轴抗拉强度σt；
步骤2：判别岩层是否出现裂缝，判别公式为：
Figure BDA0002605799670000031
式中，Li为破断距；
Figure BDA0002605799670000032
为拉破坏的长度，q为层状岩层上的载荷，包括层状岩层承载的载荷和自重；
当破断距Li大于拉破坏的长度时，岩层出现裂缝；
破断距Li采煤之前根据推进距离计算，采煤之后根据工作面矿压数据或地表沉陷数据获得；
步骤3：基于步骤2判别结果，如果岩层出现裂缝，然后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：
Figure BDA0002605799670000041
式中，
Figure BDA0002605799670000042
为竖向裂缝贯通准则值f；
Figure BDA0002605799670000043
为压拉比；
当竖向裂缝贯通准则值f大于压拉比时，竖向裂缝贯通岩层；
步骤4：进行关键层判别，当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时，其最下部坚硬岩层为主关键层，只是岩体内部数层岩层协调变形与破断，并不影响地表时，其下部坚硬岩层为亚关键层；关键层的判别可采用现有的成熟方法，参考文献《岩层控制中的关键层理论研究》；
步骤5：预计导水裂缝带高度Hc，导水裂缝带高度Hc为开采煤层到最上一层被竖向裂缝贯通岩层顶部的距离；
步骤5.1：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝未贯通岩层，即岩层未破断，则不计入到导水裂缝带高度Hc中；
步骤5.2：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝贯通岩层，即岩层破断，则计入到导水裂缝带高度Hc中。
进一步地，步骤3中定义挠厚比δ为岩层的最大相对下沉△与层状岩层厚度h的比值，即计算公式为：
Figure BDA0002605799670000044
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hp和冒落带上岩层卸荷膨胀量ht，即计算公式为：Δ＝M-hp-ht。
其中，冒落带碎胀高度hp由冒落带高度Hk和冒落带碎胀系数Kp确定，计算公式为：hp＝Hk(Kp-1)；
(1)冒落带高度Hk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
Figure BDA0002605799670000045
Figure BDA0002605799670000051
(2)冒落带碎胀系数Kp可根据实验室试验结果得到，如表2所示，表中
Figure BDA0002605799670000054
为块体的直径(mm)，从中可知，冒落带碎胀系数Kp在1.1～1.3之间；
表2松散岩石(煤)碎胀系数
Figure BDA0002605799670000052
其中，冒落带上岩层卸荷膨胀量ht由弹性膨胀系数Kt计算，设弹性膨胀区高度为Ht，冒落带上岩层卸荷膨胀量ht计算公式为：ht＝Ht(Kt-1)。
工程验证：祁东煤矿7130工作面走向长1638m，倾向宽度为88-172m，煤层倾角平均为12.5°,采用走向长壁后退式，顶板全部垮落法回采。
祁东煤矿7130工作面分段开采。第I块段为切眼至F7断层保护煤柱之间的区域。该段工作面倾斜长约170m，走向长约417m，煤层平均厚度为3.6m。第II块段自F7断层附近的跳压切眼至窄面变宽面处，该段工作面倾斜长约88m，走向长约1042m，煤层平均厚度约3.7m。祁东煤矿7130工作面平面布置如图2所示。
7130工作面自2008年9月1日开始回采，至2009年2月9日第I块段回采结束，工作面没有发生压架突水事故。7130工作面在第II块段开采过程中，发生了3次严重的压架突水事故，工作面最大涌水量达到了850m3/h。
第I块段和第II块段覆岩柱状如表3、表4所示。
表3#1钻孔(未突水区)
Figure BDA0002605799670000053
Figure BDA0002605799670000061
表4#2钻孔(突水区)
Figure BDA0002605799670000062
Figure BDA0002605799670000071
祁东煤矿7130工作面工作面突水区与未突水区的采高分别为3.6m和3.7m。第I块段冒落带高度Hk按表1计算，第II块段冒落带高度Hk为煤层到主关键层距离，冒落带碎胀系数Kp分别按1.15和1.10两种情况计算，其它参数如表所示。
根据表5可知，突水区f值大于未突水区f值，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细粒砂岩，中粒砂岩的压拉比大于细粒砂岩的压拉比，因此突水区域更易满足层状岩层竖向贯通裂缝的判别准则。
表5祁东煤矿7130工作面突水与未突水区域裂缝贯通准则值
Figure BDA0002605799670000072
导水裂缝带高度Hc为开采煤层到最上一层被竖向裂缝贯通岩层顶部的距离。根据关键层理论，可层状岩层竖向按裂缝贯通准则判断每一层关键层是否破断得到导水裂缝带高度Hc。具体地，从最下一层关键层开始按裂缝贯通准则进行关键层破断判别，当判别的关键层破断时，导水裂缝带高度至少为煤层顶板到上一层关键层底部的距离，否则导水裂缝带高度即为煤层到这一层关键层底部的距离。
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 (6)

1.一种基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，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；物理力学参数包括层状岩层厚度h，开采高度M，岩石的单轴抗压强度σc，岩石的单轴抗拉强度σt；
步骤2：判别岩层是否出现裂缝，判别公式为：
Figure FDA0002605799660000011
式中，Li为破断距；
Figure FDA0002605799660000012
为拉破坏的长度，q为层状岩层上的载荷，包括层状岩层承载的载荷和自重；
当破断距Li大于拉破坏的长度时，岩层出现裂缝；
步骤3：基于步骤2判别结果，如果岩层出现裂缝，然后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：
Figure FDA0002605799660000013
式中，
Figure FDA0002605799660000014
为竖向裂缝贯通准则值f；
Figure FDA0002605799660000015
为压拉比；
当竖向裂缝贯通准则值f大于压拉比时，竖向裂缝贯通岩层；
步骤4：进行关键层判别；当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时，其最下部坚硬岩层为主关键层，只是岩体内部数层岩层协调变形与破断，并不影响地表时，其下部坚硬岩层为亚关键层；
步骤5：预计导水裂缝带高度Hc，导水裂缝带高度Hc为开采煤层到最上一层被竖向裂缝贯通岩层顶部的距离；
步骤5.1：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝未贯通岩层，即岩层未破断，则不计入到导水裂缝带高度Hc中；
步骤5.2：基于步骤3判别结果，如果竖向裂缝贯通岩层，即岩层破断，则计入到导水裂缝带高度Hc中。
2.根据权利要求1所述的基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，其特征在于：所述步骤2中的破断距Li采煤之前根据推进距离计算，采煤之后根据工作面矿压数据或地表沉陷数据获得。
3.根据权利要求1所述的基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，其特征在于：所述步骤3中定义挠厚比δ为岩层的最大相对下沉△与层状岩层厚度h的比值，即计算公式为：
Figure FDA0002605799660000021
。
4.根据权利要求3述的基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，其特征在于：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hp和冒落带上岩层卸荷膨胀量ht，即计算公式为：Δ＝M-hp-ht。
5.根据权利要求4所述的基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，其特征在于：冒落带碎胀高度hp由冒落带高度Hk和冒落带碎胀系数Kp确定，计算公式为：
hp＝Hk(Kp-1) 。
6.根据权利要求4所述的基于地质力学的覆岩导水裂缝带高度预计方法，其特征在于：冒落带上岩层卸荷膨胀量ht由弹性膨胀系数Kt计算，设弹性膨胀区高度为Ht，冒落带上岩层卸荷膨胀量ht计算公式为：
ht＝Ht(Kt-1)。
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