CN112160752A - 巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法 - Google Patents
巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，包括以下步骤：步骤S1：分析巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律；步骤S2：根据步骤S1分析结果，建立基于主关键层的部分垮落开采与部分充填开采的协调开采方式，形成由复合支撑体与主要关键层组成的协同变形双控制系统，对上覆岩层移动实现逐级控制。主要关键层包括主关键层和亚关键层，亚关键层结构阻隔了覆岩破坏的高度，大幅度减小了有效空间向上传递，主关键层结构进一步减小有效空间向上传递，并吸收岩层波浪形下沉趋势直至发育成单一平缓下沉盆地。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法。
背景技术
沉陷控制技术主要包括以充填体为核心的和以煤岩柱为核心的地表沉陷控制技术。条带开采以及采空区充填开采是目前常用的地表沉陷控制方法，相关研究现状如下所示：
(1)条带开采研究现状
条带开采的实质是通过将被开采的煤层划分成规则的形状，采一条留一条，并且留的设煤柱能够承载上覆岩层的载荷，从而控制地表移动变形。关于条带开采的研究主要集中在煤柱稳定性及沉陷控制机理等方面。
目前关于中浅部开采煤柱稳定性的研究已经比较成熟，研究成果主要集中在煤柱荷载、强度、尺寸设计及稳定性分析四个方面：煤柱荷载方面有效区域理，压力拱理论认为，两区约束理论；②煤柱强度方面：A.H.Wilson对极限强度公式做了简化，从而提出了极限强度的经验公式。核区强度不等理论认为，煤柱核区各处的强度是不相等的，强调煤柱尺寸和形状的重要性[95]。吴立新、王金庄等在A.H.Wilson理论、核区强度不等理论的基础上，考虑了煤柱与顶底板接触面内聚力和摩擦角的影响，提出了“平台载荷法”理论。国内外众多学者针对不同的地质采矿条件，采用不同的研究手段分析了条带煤柱的稳定性，并为条带煤柱的尺寸设计提供参考。
在煤柱-覆岩结构协同变形问题方面，国内外学者先后提出了煤柱压缩与压入说、岩梁假说、托板理论等岩层控制理论。托板理论认为，地表沉陷是由煤柱压缩变形、覆岩压缩变形及托板挠度组成。同时认为，煤柱-托板的协同作用有效的控制了地表沉陷。
随着开采深度的增加，深部开采形成的煤柱-覆岩结构的协同变形问题已经由煤柱-顶板的协同变形问题逐渐转变成为煤岩柱-高位控制层的协同变形问题，煤柱稳定性问题也已经从煤柱煤体自身稳定性问题逐渐转变成煤岩柱结构整体稳定性问题，且往往受相邻或多个工作面(采空区)的影响。陈俊杰[116]、郭惟嘉、张明和姜福兴等学者针对深部条带开采煤柱稳定性及沉陷机理控制开展了大量研究。
(2)充填开采研究现状
充填采煤技术已经有百年的历史，在技术上取得了长足的进步。从传统的充填采煤技术逐渐发展到现代的充填采煤技术。例如，风力充填、水力充填、粉煤灰充填、矸石自重充填、矸石带状充填等充填采煤技术均属于传统充填开采技术。膏体充填采煤技术、机械化矸石充填采煤技术和高水充填采煤技术等充填开采技术均属于现代煤矿充填开采技术。随着充填采煤技术的逐渐成熟，在煤矿开采领域中得以推广应用。例如，小屯矿、岱庄矿等矿区以膏体材料作为充填物，进行长壁充填工作面开采。华丰矿、泉沟矿采用普采工作面矸石充填解放建(构)筑物下压煤，减少固体废弃物出井量。东坪矿、济三矿等矿区采用固体充填采煤技术解放了大量建筑群下煤炭资源，消耗了大量固体废弃物。
(3)部分充填开采
条带开采与充填开采相结合的部分充填开采方式也在工程中大量应用。例如埠村煤矿为防止底板突水，以高水材料作为充填体，实行短壁间隔带状充填开采，从而控制岩层移动。关于条带开采与充填开采相结合的部分充填开采已经有大量的成功案例和成熟理论。例如，郭广礼提出利用等效替换理论，采用逐渐蚕食的方法，在不引起地表明显沉陷的条件下先实行窄条带开采，再往窄条带采空区注浆充填的思路，最终达到回收剩余煤柱的目的。张华兴提出的大采宽留宽—采空区充填”的宽条带带状充填采煤方式，为解放“三下”压覆深部煤炭资源提供了新思路。李秀山和张新国以岱庄煤矿为例，研究了以膏体作为充填材料，采用充填技术回收条带煤柱的可行性，结果表明充填的膏体具有较强的稳定性能够替代煤体承载上覆岩层荷载，从而控制地表变形，进一步解放建(构)筑物下煤炭资源。侯晓松以高庄煤矿为例研究了无煤柱开采在实践中的可行性，研究表明采用巷式充填技术，将矸石混凝土浆液充填掘巷顺槽，能够在保证围岩稳定地前提下回收相邻掘巷顺槽之间的煤柱，进一步减少了资源的浪费，提高了资源利用率。张新国以许厂煤矿为例研究了条带煤柱中掘进巷道并充填回收条带煤柱的开采模式，研究表明条带煤柱中间掘进巷道后虽然安全系数降低，但是掘进巷道矸石后形成的复合充填体仍然具有较强的承载能力，能够有效的控制地表变形。
根据以上研究现状可知，现有的地表沉陷控制方法及其控制机理已经相对成熟，并在东部矿区得到了广泛应用。西部巨厚弱胶结覆岩深部矿区地广人稀、生态环境极其脆弱。随着深部煤炭资源的大规模开采，必将面临绿色开采问题。巨厚弱胶结覆岩深部煤炭开采绿色开采的实质是地表沉陷控制问题。因此，必须结合巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律及破坏机理，研究面向巨厚弱胶结覆岩深部区域性开采的岩层移动及地表沉陷控制技术。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，提出了巨厚弱胶结覆岩条件下基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采的沉陷控制方式，形成复合充填体与主、亚关键层结构组成的双控制协同变形系统共同控制上覆岩层移动及能量积聚，亚关键层结构阻隔了覆岩破坏的高度，大幅度减小了有效空间向上传递，主关键层结构进一步减小有效空间向上传递，并吸收岩层波浪形下沉趋势直至发育成单一平缓下沉盆地。
本发明采用的技术方案是：
巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，
包括以下步骤：
步骤S1：分析巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律；
步骤S2：根据步骤S1分析结果，建立了基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采法，形成由复合支撑体与主要关键层组成的协同变形双控制系统，对上覆岩层移动实现逐级控制。
优选的，在上述步骤S1中，巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律的具体分析过程如下：
步骤S101:采用FLAC3D数值模拟分析软件建立以营盘壕煤矿为地质原型的三维数值模型，模拟开采8个工作面；
步骤S102：以弹性能为表征量，建立巨厚弱胶结覆岩深部开采区岩层运动中的能量积聚数学函数：
若不考虑煤岩体损伤，可释放弹性能可以表示为：
上式中，σ为主应力，
为三个主应力方向上的弹性总应变，
为泊松比；将
表达式代入式(1)可得：
对于损伤岩体，岩体卸载对弹性模量会产生影响：
Ei＝aiE0 (3)
上式中，E0为单元体无损伤时的初始弹性模量，ai为折减系数；
若泊松比
不受损伤影响，将式(3)代入到式(2)中，可得：
忽略卸载损伤对弹性模量和泊松比的影响，则式(4)可表示为
步骤S103：连续开采8个工作面，根据上述公式(5)，采用Fish语言二次开发后处理程序，提取三维数值模型中的能量积聚值，通过Tecplot10.0绘图软件绘制不同工作面相应的能量积聚分布特征图；
步骤S104：统计不同采空区宽度对应的能量聚集最大值，并绘制采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线；
步骤S105：采用Origin对上述采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线分别进行拟合，根据拟合结果可知：
采空区宽度与地表最大下沉值呈Boltzmann函数相关，相关系数R2＝0.993，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
采空区宽度与能量积聚最大值呈抛物线相关，相关系数R2＝0.984，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
Energymax＝5.49x+0.001x2-1293.5 (7)
优选的，所述三维数值模型的体积为4500m*4500m*763m；工作面宽度为300m，走向推进距离2500m，区段煤柱25m。
优选的，在上述步骤S2中，所述基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采法包括第一阶段充填开采和第二阶段垮落开采两个阶段：首先，依据地质采矿条件明确区域性控制的指标；然后，确定充填工作面和垮落工作面的尺寸；最后，规划充填工作面和垮落工作面布局，形成开采区充填工作面与垮落工作面周期性排列的布局，其剖面覆岩破坏形态呈多峰孔结构，充填工作面及其上方岩层形成梯形支撑体，将相邻垮落采空区隔开。
优选的，所述主要关键层包括主关键层和亚关键层，所述主关键层在自身抗弯刚度及梯形支撑体的共同作用下，限制波浪形下沉盆地向上传递，上覆岩层则呈单一平缓下沉盆地；所述亚关键层在自身抗弯刚度及倒梯形支撑体的作用下，阻隔下沉空间向上传递，减小上覆岩层的移动空间。
本发明的有益效果：本发明在分析了巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律的基础上，建立了基于主关键层的部分充填开采和部分垮落开采的协调开采方式，形成由复合支撑体与主要关键层组成的协同变形双控制系统，其中，主要关键层包括主关键层和亚关键层，亚关键层结构阻隔了覆岩破坏的高度，大幅度减小了有效空间向上传递，主关键层结构进一步减小有效空间向上传递，并吸收岩层波浪形下沉趋势直至发育成单一平缓下沉盆地。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为单工作面开采能量积聚分布特征；
图2为两个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图3为三个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图4为四个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图5为五个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图6为六个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图7为七个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图8为八个工作面连续开采能量积聚分布特征；
图9为开采范围与最大地表下沉值及能量积聚值函数关系；(a)采空区宽度与最大下沉值关系曲线；(b)采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线；
图10为基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采示意图；(a)充填开采；(b)垮落开采；
图11为基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采应力场分布示意图；(a)竖直应力云图；(b)部分岩层竖直应力；(c)压力拱分布示意图；
图12为基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采位移场分布示意图；
图13为基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采不同埋深岩层下沉曲线；(a)充填开采；(b)垮落开采；
图14为不同开采方式地表移动变形曲线；(a)不同开采方式地表下沉曲线(b)不同开采方式地表水平移动曲线；
图15为不同开采方式能量积聚分布特征；(a)全部垮落法开采能量积聚分布特征；(b)全部充填法开采能量积聚分布特征；(c)混合充填开采能量积聚分布特征；(d)宽条带开采能量积聚分布特征；(e)大采宽小留宽开采能量积聚分布特征；(f)基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采能量积聚分布特征；
图16为基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采控制机理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体提供了一种巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：分析巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律；
步骤S101:采用FLAC3D数值模拟分析软件建立以营盘壕煤矿为地质原型的三维数值模型，模拟开采8个工作面；
步骤S102：以弹性能为表征量，建立巨厚弱胶结覆岩深部开采区岩层运动中的能量积聚数学函数：
若不考虑煤岩体损伤，可释放弹性能可以表示为：
上式中，σ为主应力，
为三个主应力方向上的弹性总应变，
为泊松比；将
表达式代入式(1)可得：
对于损伤岩体，岩体卸载对弹性模量会产生影响：
Ei＝aiE0 (3)
上式中，E0为单元体无损伤时的初始弹性模量，ai为折减系数；
若泊松比
不受损伤影响，将式(3)代入到式(2)中，可得：
忽略卸载损伤对弹性模量和泊松比的影响，则式(4)可表示为
步骤S103：连续开采8个工作面，根据上述公式(5)，采用Fish语言二次开发后处理程序，提取三维数值模型中的能量积聚值，通过Tecplot10.0绘图软件绘制不同工作面相应的能量积聚分布特征图；
步骤S104：统计不同采空区宽度对应的能量聚集最大值，并绘制采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线；
步骤S105：采用Origin对上述采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线分别进行拟合，根据拟合结果可知：
采空区宽度与地表最大下沉值呈Boltzmann函数相关，相关系数R2＝0.993，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
采空区宽度与能量积聚最大值呈抛物线相关，相关系数R2＝0.984，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
Energymax＝5.49x+0.001x2-1293.5 (7)
步骤S2：根据步骤S1分析结果，建立了基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采法，形成由复合支撑体与主要关键层组成的协同变形双控制系统，对上覆岩层移动实现逐级控制。
在上述步骤S103中，连续开采8个工作面，岩层运动中能量积聚演化规律如下：
由图1可知，开采第一个工作面后，能量积聚最大值为450KJ，发生在采空区两侧煤壁，此时能量积聚主要以压缩应变能为主。志丹群砂岩内部有轻微的压缩应变能积聚，志丹群砂岩未发生破坏，志丹群砂岩及其上覆岩层发生整体同步弯曲变形。此时，采空区两侧煤壁会有来压显现现象发生。
由图2可知，开采第二个工作面后，能量积聚最大值为1300KJ，发生在区段煤柱附近，此时能量积聚仍主要以压缩应变能为主。在采空区正上方，志丹群砂岩上部发生压应变能积聚现象。这是由于志丹群砂岩在距离采空区两侧较远端发生较为剧烈的拉伸破坏，发生较大的弯曲变形，其上部岩层发生挤压，从而产生能量积聚现象。此时，上覆岩层发生剧烈下沉，由于区段煤柱填充了岩层移动的空间，发生剧烈压缩应变能积聚现象。上覆岩层荷载进一步向采空区两侧转移，采空区两侧煤壁能量积聚程度继续提高。
由图3可知，开采第三个工作面时，能量积聚最大值为3400KJ，发生在区段煤柱附近。志丹群砂岩内部发生大范围能量积聚现象，甚至在采空区正上方的表土层内部也发生能量积聚现象，与图2所示能量分布有明显差异。此时，志丹群砂岩次生平衡结构失稳，释放了较多的能量，志丹群砂岩及其上覆岩层向采空区方向发生剧烈运动，岩层内部相互挤压，又产生能量积聚现象。同时，志丹群砂岩能量积聚范围出现拱形能量消散区，这是由于志丹群砂岩底部拱壳式破坏加剧，而由于拱结构的特殊形态，拱结构内部并未发生挤压现象，不产生能量积聚，或者挤压程度较小，这里称之为“拱内能量虚无区”。此时，地表发生跳跃式下沉，冲击地压显现剧烈，甚至会发生大型矿震。
由图4可知，开采第四个工作面后，能量积聚最大值为4500KJ，发生在区段煤柱附近。志丹群砂岩及其上覆岩层能量积聚范围进一步扩大，“拱内能量虚无区”范围急剧缩小。这说明，志丹群砂岩继续破坏，志丹群砂岩及其上覆岩层继续向采空区方向运动。岩层之间的相互作用更加强烈，岩层内部的空隙缩小。此时，地表移动变形仍然处于比较活跃的阶段。
由图5可知，开采第五个工作面后，能量积聚最大值为5000KJ，发生在区段煤柱附近。志丹群砂岩及其上覆岩层能量积聚范围进一步扩大，“拱内能量虚无区”消失。这说明，志丹群砂岩及其上覆岩层继续向采空区方向运动。岩层之间的相互作用进一步增强，岩层内部的空隙进一步缩小。此时，地表下沉处于衰退阶段。
由图6、7和8可知，连续开采6个工作面后能量积聚最大值为6000KJ，连续开采7个工作面后能量积聚最大值为6500KJ，连续开采8个工作面后能量积聚最大值为7000KJ，均发生在区段煤柱附近。随着采空区范围的不断扩大，志丹群砂岩及其上覆岩层能量积聚范围进一步扩大，较高能量积聚范围逐渐较小，最后消失。这说明，采空区上方志丹群砂岩及其上覆岩层运动状态趋于稳定，岩层之间的相互作用有所减弱。此时，地表逐渐形成下沉盆地。
为直观分析巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采最大能量积聚值与采空区宽度之间的关系，统计了不同采空区宽度对应的能量积聚最大值，并绘制了采动空间与及最大能量积聚值关系图，同时绘制了采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线图，如表1和图9所示。
表1沉及能量积聚统计表
根据9(a)可知，随着采空区宽度的增大，地表最大下沉值逐渐增大；根据Origin拟合结果可知，采空区宽度与地表最大下沉值呈Boltzmann函数相关；据9(b)可知，随着采空区宽度的增大，能量积聚最大值逐渐增大，根据Origin拟合结果可知，采空区宽度与能量积聚最大值呈抛物线相关，通过对比发现，虽然随着采空区的宽度扩大，相应的地表最大下沉值和能量积聚最大值也相应增大，但是采空区宽度和地表最大下沉值之间的数学关系与采空区宽度和能量积聚最大值之间的数学关系明显不同。
根据巨厚弱胶结覆岩深部开采上覆岩层能量积聚特点及破坏规律，建立基于主关键层结构的巨厚弱胶结覆岩深部部分充填、部分垮落多工作面协调开采方式，从而降低覆岩动力显现强度和地表破坏程度，开采方案设计示意图如图10所示。
分析基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采过程中岩层运动的能量积聚演化规律如下所示：
首先，参考历史文献确定矸石充填区物理力学参数，并结合等价采高原理对模型参数进行验证。
表2充填体物理力学参数
然后，借助FLAC3D数值模拟分析软件，建立基于主关键层的部分充填开采三维数值模型，模拟开采8个工作面，模型及开挖参数如下表所示：
表3基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采开挖顺序
通过数值模拟分析，基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采岩层应力分布特征如图11所示，由图11(a)可知，充填工作面与区段煤柱形成的复合充填体结构将整个采区划分成相互独立的三个非充分采动空间，并充当宽隔离煤柱支撑上覆岩层荷载。每一个独立的采空区都由两个垮落工作面组成。单一工作面垮落开采后，上方岩体破断垮落，形成垮落裂缝带，亚关键层限制了垮落裂缝带继续向上发育，亚关键层及其上覆岩层荷载向两侧转移并在垮落工作面两侧煤层集中，在亚关键层下部形成压力拱。连续两个工作面开采后，垮落裂缝带继续向上发育，主关键层及其上覆岩层荷载向两侧转移并在采空区两侧煤壁集中，在主关键层下方形成大应力拱。同时，在单一工作面上方形成双峰小压力拱，拱顶稍微向上发育，如图11(c)所示。
根据图11(b)可知，复合充填体应力分布呈抛物线，两侧高中间低，且复合充填体内侧应力达到49.3MPa，较外侧44.9MPa稍大。复合充填体中区段煤柱竖直应力最大值大于采空区两侧煤壁竖直应力最大值42.2MPa。工作面2204和工作面2205间区段煤柱竖直应力为38.5MPa，工作面2201和2202，以及工作面2207和2208区段煤柱竖直应力为30.4MPa。上覆岩层荷载沿应力拱向两侧转移，采空区上方形成应力释放区。主关键层底部竖直应力分布呈波浪线，最大值为13.5MPa，最小值为4.86MPa。
通过数值模拟分析，基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采岩层位移分布特征如图12所示。
为更直观的分析基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采不同埋深岩层下沉规律，提取距离煤层104m、350m、650m以及地表下沉数据绘制成图13，由图13可知，随着距离煤层高度的增大，波浪形下沉趋势渐渐缓和，但仍然发育至地表。这种波浪形下沉与采空区的宽度以及充填工作面的宽度等因素有关。
为了验证基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采方式的优越性，分别模拟了全部垮落法开采、全部充填开采、宽条带开采、混合充填开采、大采宽-小留宽开采和基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采地表沉陷和能量积聚情况，相应开采方案如表4所示：
表4不同开采方式方案设计
根据表4中各开采方案建立相应的三维数值模型，并提取计算之后地表下沉值和水平移动值，绘制成相应的变形曲线图，如图14所示。根据式(5)提取相应数值模型中的能量积聚值，通过Tecplot10.0绘图软件绘制相应的能量积聚分布特征图，如图15所示。
为直观分析不同开采方式地表沉陷和能量积聚情况，提取并计算相应充填率、采出率、煤柱率、地表最大下沉值和能量积聚最大值(表5)
表5不同开采方式地表下沉及能量积聚极值统计
根据表5可知，从地表减沉效果来看，宽条带开采＞全部充填开采＞大采宽留宽开采＞混合充填开采＞基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采＞全部垮落法开采。从能量积聚控制效果来看，宽条带开采＞大采宽留宽开采＞全部充填开采＝混合充填＞基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采＞全部垮落法开采。假设采出率和煤柱率反应了煤炭资源的利用程度，面积充填率侧面反映了采煤成本，下沉系数在一定程度上反映了对生态环境的破坏程度。综合考量，混合充填和基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采性价比最高。混合充填开采是在同一个工作面实现边采边充，技术难度较大。因此，基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采是性价比最高的控制地表沉陷的开采方式。
如图15所示，基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采最终形成了由复合支撑体与主要关键层(主关键层和亚关键层)组成的协同变形双控制系统，对上覆岩层移动实现逐级控制：亚关键层距离煤层较近，直接限制了上覆岩层的破坏高度，减小了有效下沉空间向上传递，主关键层限制了波浪形下沉盆地向上传递，使得上覆岩层呈单一平缓下沉盆地。
协同控制机理为：基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采结束后，双垮落工作面形成的采空区失去煤体支撑，覆岩破坏高度发育至主关键层底部。充填工作面上覆岩层虽然有充填体支撑，但是由于工作面尺寸较大，上覆覆岩也发生一定程度的破坏，但由于亚关键层的限制，覆岩破坏高度发育至亚关键层中下部。采区充填工作面与垮落工作面周期性排列布局，使其剖面覆岩破坏形态呈多峰孔结构，充填工作面及其上方岩层形成梯形支撑体，将相邻采空区隔开。多个梯形支撑体共同支撑主关键层，能够继续承载上覆岩层荷载。亚关键层在自身抗弯刚度及倒梯形支撑体的作用下，有效的阻隔了下沉空间向上传递，减小了上覆岩层的移动空间。主关键层在自身抗弯刚度及梯形支撑体的共同作用下，下沉幅度进一步减小，波浪形下沉趋势被阻隔或者在向上传递时被主关键层吸收。
本发明通过对比不同开采方式地表沉陷及能量积聚控制效果，证明了基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采的优越性。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：分析巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律；
步骤S2：根据步骤S1分析结果，建立了基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采法，形成由复合支撑体与主要关键层组成的协同变形双控制系统，对上覆岩层移动实现逐级控制。
2.根据权利要求1所述的巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，其特征在于，在上述步骤S1中，巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉和岩层运动中的能量积聚演化规律的具体分析过程如下：
步骤S101：采用FLAC3D数值模拟分析软件建立以营盘壕煤矿为地质原型的三维数值模型，模拟开采8个工作面；
步骤S102：以弹性能为表征量，建立巨厚弱胶结覆岩深部开采区岩层运动中的能量积聚数学函数：
若不考虑煤岩体损伤，可释放弹性能可以表示为：
上式中，σ为主应力，
为三个主应力方向上的弹性总应变，
θi为泊松比；将
表达式代入式(1)可得：
对于损伤岩体，岩体卸载对弹性模量会产生影响：
Ei＝aiE0 (3)
上式中，E0为单元体无损伤时的初始弹性模量，ai为折减系数；
若泊松比θ不受损伤影响，将式(3)代入到式(2)中，可得：
忽略卸载损伤对弹性模量和泊松比的影响，则式(4)可表示为
步骤S103：连续开采8个工作面，根据上述公式(5)，采用Fish语言二次开发后处理程序，提取三维数值模型中的能量积聚值，通过Tecplot10.0绘图软件绘制不同工作面相应的能量积聚分布特征图；
步骤S104：统计不同采空区宽度对应的能量聚集最大值，并绘制采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线；
步骤S105：采用Origin对上述采空区宽度与最大能量积聚值关系曲线和采空区宽度与地表下沉最大值关系曲线分别进行拟合，根据拟合结果可知：
采空区宽度与地表最大下沉值呈Boltzmann函数相关，相关系数R2＝0.993，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
采空区宽度与能量积聚最大值呈抛物线相关，相关系数R2＝0.984，x为采空区宽度，其数学关系式如下：
Energmax＝5.49x+0.001x2-1293.5 (7)
3.根据权利要求2所述的巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，其特征在于，所述三维数值模型的体积为4500m*4500m*763m；工作面宽度为300m，走向推进距离2500m，区段煤柱25m。
4.根据权利要求1所述的巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，其特征在于，在上述步骤S2中，所述基于主关键层的部分充填、部分垮落多工作面协调开采法包括第一阶段充填开采和第二阶段垮落开采两个阶段：首先，依据地质采矿条件明确区域性控制的指标；然后，确定充填工作面和垮落工作面的尺寸；最后，规划充填工作面和垮落工作面布局，形成开采区充填工作面与垮落工作面周期性排列的布局，其剖面覆岩破坏形态呈多峰孔结构，充填工作面及其上方岩层形成梯形支撑体，将相邻垮落采空区隔开。
5.根据权利要求4所述的巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层移动及地表沉陷控制方法，其特征在于，所述主要关键层包括主关键层和亚关键层，所述主关键层在自身抗弯刚度及梯形支撑体的共同作用下，限制波浪形下沉盆地向上传递，上覆岩层则呈单一平缓下沉盆地；所述亚关键层在自身抗弯刚度及倒梯形支撑体的作用下，阻隔下沉空间向上传递，减小上覆岩层的移动空间。
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|---|---|---|---|---|
| CN112903966A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-06-04 | 中国矿业大学(北京) | 基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法 |
| CN115126505A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-30 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种覆岩结构稳定性的精准提升方法 |
| CN115341903A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-11-15 | 中国矿业大学 | 面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法 |
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- 2020-09-07 CN CN202010932866.1A patent/CN112160752A/zh not_active Withdrawn
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