CN112446143A - 一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于条带充填开采技术领域，公开了一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数等参数；根据松散层拱理论，建立松散层拱结构二维力学模型，根据松散层拱形成及稳定的条件，判定松散层拱是否稳定；根据关键块结构理论的研究，工作面回采后关键层与垮落的直接顶间的距离，关键层中关键块结构保持自身稳定时的临界回转量，判断关键块结构是否稳定；计算条带煤柱极限承载能力P_极限和实际承受载荷P_实际，计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性。本发明当松散层拱结构、关键层中的关键块结构和煤柱均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效。

Description

一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法

技术领域

本发明属于条带充填开采技术领域，尤其涉及一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法。

背景技术

目前，我国华东和华北部分矿区广泛分布着厚松散层薄基岩的地质条件，松散层厚度可超过600m，而基岩厚度甚至小于100m。松散层不同于岩层的强度大、连续性好且呈现层状分布的特点，移动特性更接近于散体介质，这样一来导致厚松散层薄基岩条件下煤炭开采后地表移动变形规律与常规开采存在显著差异，地表移动变形呈现采动影响敏感、下沉速度大、下沉剧烈、下沉系数大，甚至地表会出现大范围的塌陷坑，严重破坏了土地资源和生态环境。条带充填开采作为一种部分充填采煤法，通过留设一定宽度的煤柱并对采空区进行充填的方式能有效控制上覆岩层的运动从而控制地表下沉，保护地面建(构)筑物和生态环境。但传统的条带充填开采参数设计时利用的是煤柱的载荷理论和强度理论，只考虑了煤柱的稳定性，均将上覆松散层简化为均布荷载作用在基岩顶界面，不考虑厚松散层中的松散层拱结构和薄基岩中的关键层结构，忽略了松散层拱结构和关键层结构及其稳定性对上覆岩层及地表移动变形的控制作用。

已有研究表明，当松散层厚度满足一定条件时，松散层在移动变形过程中能够形成具有承载作用的松散层拱，传统上不考虑松散层拱结构作用时，地表随着主关键层的破断而同步下沉，地表的下沉速度也与主关键层的下沉速度在主关键层破断瞬间达到最大值；但是当主关键层上方松散层中能够形成稳定的拱结构时，由于松散层拱结构发挥承载作用，主关键层破断后地表最大下沉值和最大下沉速度并没有达到最大值，而是地表最大下沉值和下沉速度随着松散层拱结构的周期性失稳继续增大，当松散层拱结构临界失稳时地表最大下沉值达到最大，而其最大下沉速度相比上一次松散层拱结构失稳时的下沉速度变化较小，故在对厚松散层薄基岩下的条带充填开采参数进行设计时必须考虑松散层拱和关键层的稳定性，同时还需要考虑条带工作面间煤柱的稳定性，此时松散层拱、关键层与条带工作面间煤柱共同控制上覆岩层和地表的移动变形。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的条带充填开采参数设计时利用的是煤柱的载荷理论和强度理论，只考虑了煤柱的稳定性，均将上覆松散层简化为均布荷载作用在基岩顶界面，不考虑厚松散层中的松散层拱结构和薄基岩中的关键层结构，忽略了松散层拱结构和关键层结构及其稳定性对上覆岩层及地表移动变形的控制作用。

解决以上问题及缺陷的难度为：松散层拱结构形成条件难以确定，松散层拱结构稳定性判别及临界采宽难以确定，关键层结构稳定性判别及临界采高难以确定，条带充填开采具体参数中的临界采宽、临界采高和煤柱宽度的匹配关系难以确定。

解决以上问题及缺陷的意义为：松散层拱结构形成条件以及松散层拱结构稳定性判别及临界采宽得以确定，关键层结构稳定性判别及临界采高得以确定，条带充填开采具体参数中的临界采宽、临界采高和煤柱宽度的匹配关系得以确定。工作面临界宽度保证了松散层拱的稳定性，使得关键层上方厚松散层的移动变形得到有效控制，工作面临界采高保证了关键层结构的稳定性，使得关键层弯曲变形得到有效控制，工作面临界宽度、采高及煤柱宽度保证了煤柱的稳定性，使得煤柱的压缩变形得到有效控制，故当三个承载结构均达到稳定状态时，三者的变形都在允许范围内，能有效控制厚松散层下煤炭开采地表出现大范围的塌陷坑，对促进厚松散层薄基岩条件下覆岩运动与地表沉陷控制具有积极作用，而且对于地表建(构)筑物的保护等工作，以及在煤炭资源开发中实现经济发展和保护生态环境等方面协调发展具有一定的指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法。为了控制厚松散层薄基岩下煤炭开采地表出现大范围的塌陷坑，本发明为基于松散层拱-关键层-煤柱稳定性的厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法。本发明解决了厚松散层薄基岩下煤炭资源的高强度开采所带来的地表大规模塌陷等问题，对于促进资源开发利用与生态环境协调发展等方面具有重大的理论及工程实践意义。

本发明是这样实现的，一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，所述厚松散层下条带充填开采参数设计方法，包括以下步骤：

步骤一，收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数和煤柱结构参数；

步骤二，根据松散层拱理论，建立松散层拱结构二维力学模型，根据松散层拱形成及稳定的条件，判定松散层拱是否稳定；

步骤三，根据关键块结构理论的研究，工作面回采后关键层与垮落的直接顶间的距离为Δ，关键层中关键块结构保持自身稳定时的临界回转量为Δ_T，根据关键层中关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，判断关键块结构是否稳定；

步骤四，根据两区约束理论，分别计算条带煤柱极限承载能力P_极限和实际承受载荷P_实际，然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性；

步骤五，当松散层拱结构、关键层中的关键块结构和煤柱均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践；但上述任有一个结构未达到稳定状态，均需调整条带充填开采参数，直到三个结构均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践。

进一步，所述步骤一中，松散层拱结构参数具体包括松散层的厚度、容重、内摩擦角、内聚力、侧压系数、基岩破断角和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

关键层中关键块的结构参数具体包括关键层的抗压强度、厚度、所受荷载和破断距，直接顶的碎胀系数和垮落高度；

煤柱结构参数具体包括煤层厚度和采深以及覆岩平均容重。

进一步，所述步骤一中，具体步骤如下：

在煤炭开采区域地表施工地面钻孔并取芯保存，绘制钻孔综合柱状图；根据钻孔柱状图，确定开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度、基岩中各岩层厚度及岩性；

进行松散层取芯试样物理力学参数测试，获得松散层容重、内摩擦角和内聚力；

进行基岩中各岩层取芯试样物理力学参数测试，获得基岩中各岩层的弹性模量、容重和抗压强度，根据基岩中岩石力学性质和岩层破坏形式确定直接顶的碎胀系数；

根据松散层容重和基岩中各岩层的容重计算覆岩平均容重；

在煤层开采区域利用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力测试，确定侧压系数；

根据关键层判别软件KSPB，在松散层和基岩力学特性的基础上，基于钻孔综合柱状图，进行关键层判别，确定关键层的位置、厚度、抗压强度、所受荷载、破断距和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

本次钻孔窥视采用型钻孔测井分析仪，通过在轨道顺槽顶板上方打钻孔，根据窥视结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断位置演化图，得出基岩破断角。

进一步，所述步骤二中，当开采区域地质条件确定后，松散层拱结构的稳定性主要由工作面宽度决定，故松散层拱结构稳定时计算得到的工作面宽度即为条带充填开采参数中的工作面临界宽度L_M。

进一步，所述步骤二中，具体过程如下：

以松散层拱的左拱脚A为原点，左拱脚A与右拱脚B所在直线为X轴，向右为X轴正方向，垂直于左拱脚A与右拱脚B所在直线的直线为Y轴，向上为Y轴正方向，建立松散层拱结构二维力学模型；

计算使松散层拱结构形成及稳定的松散层的临界厚度

∑H_CC＝H_arch+δ_arch+h₀；

式中：∑H_CC为松散层的临界厚度；H_arch为松散层拱的矢高；L_arch为松散层拱的跨度；L_M为工作面临界宽度；Σh为关键层底界面与煤层顶界面间的距离；α为基岩破断角；γ₁为松散层的容重；h₀为松散层拱结构上覆松散层厚度；

为松散层的内摩擦角；C为松散层的内聚力；λ为侧压系数；松散层拱结构顶部受到的均布载荷q。

进一步，所述步骤二中，根据能使松散层中形成稳定的松散层拱结构的判别条件：钻孔揭露的松散层厚度∑H≥松散层的临界厚度∑H_CC，此时松散层拱结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界宽度。

进一步，所述步骤三中，当开采区域地质条件确定后，关键块结构的稳定主要由工作面采高决定，故关键层中关键块结构稳定时计算得到的工作面采高即为条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B，再根据工作面临界采高计算工作面充填率R。

进一步，所述步骤三中，具体步骤如下：

由下式确定Δ和Δ_T：

式中：M_B为工作面临界采高；K_P为直接顶的碎胀系数；Σh_i为直接顶的垮落高度，一般为1.67～2.17倍的采高；σ_C为关键层的抗压强度；h_KS、q_KS、l_KS为关键层结构的厚度、载荷和破断距；

根据关键层中关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，此时关键块结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B；

将工作面临界采高代入下式得到工作面充填率R：

式中：h为煤层厚度，即实际采高，取5m，n为充填材料的压实率，充填材料的压实率一般为60～65％，此次取中间值62.5％。

进一步，所述步骤四中，当开采区域地质条件确定后，煤柱的稳定性主要由煤柱宽度决定，故煤柱稳定时计算得到的煤柱宽度即为条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

进一步，所述步骤四中，具体步骤如下：

将计算出的工作面临界宽度L_M和计算出的工作面临界采高M_B代入下式确定P_实际和P_极限：

式中：γ₂为覆岩平均容重，H为采深，L_C为煤柱临界宽度；

计算煤柱的安全系数K：

当煤柱的安全系数K≥1.5时保证了煤柱上覆岩层的稳定性和完整性，有效控制地表变形，据此推出条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明厚松散层薄基岩条件下覆岩运动及地表移动变形由松散层拱、关键层与条带工作面间煤柱共同控制，整个厚松散层薄基岩下条带充填开采地表的沉陷量，就是覆岩内部下沉量加厚松散层的移动变形量。因此，厚松散层下条带充填开采地表移动变形应该由三部分组成，即：煤柱的压缩变形、关键层弯曲变形和关键层上方厚松散层的移动变形。厚松散层薄基岩下条带充填开采设计的参数保证了松散层拱、关键层与留设煤柱的稳定性，也就有效控制了三者的变形，覆岩运动及地表移动变形也就得到有效控制。

本发明松散层拱结构的稳定性除了受到工作面开采因素的影响以外，还与松散层的内聚力、内摩擦角，松散层拱上覆松散层厚度，侧压系数等因素有关，当开采区域地质条件确定后，稳定性只与临界采宽有关；关键层的稳定除了受到工作面开采因素的影响以外，还与直接顶的碎胀系数和垮落高度以及关键层的厚度、抗压强度、所受载荷和破断距有关，当开采区域地质条件确定后，稳定性只与临界采高有关；煤柱的稳定性除了受到工作面开采因素的影响以外，还与覆岩平均容重和采深有关，当开采区域地质条件以及采宽、采高确定后，稳定性只与煤柱临界宽度有关。

本发明为了控制厚松散层下煤炭开采地表出现大范围的塌陷坑，发明了基于松散层拱-关键层-煤柱稳定性的厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，而按照上述方案得到的条带充填开采设计参数：工作面临界宽度保证了松散层拱的稳定性，使得关键层上方厚松散层的移动变形得到有效控制，工作面临界采高保证了关键层结构的稳定性，使得关键层弯曲变形得到有效控制，工作面临界宽度、采高及煤柱宽度保证了煤柱的稳定性，使得煤柱的压缩变形得到有效控制，故当三个承载结构均达到稳定状态时，三者的变形都在允许范围内，地表沉陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践。

本发明对促进厚松散层薄基岩条件下覆岩运动与地表沉陷控制具有积极作用，而且对于“三下”开采中保护煤柱设计尺寸和工作面合理布局的优化、地表建(构)筑物的保护等工作，以及在煤炭资源开发中实现经济发展和保护生态环境等方面协调发展具有一定的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的厚松散层下条带充填开采技术参数设计流程图。

图3是本发明实施例提供的松散层拱结构示意图。

图4是本发明实施例提供的松散层拱结构二维力学模型图。

图5是本发明实施例提供的山东某煤矿首采工作面钻孔柱状图。

图6是本发明实施例提供的条带充填开采前后地表沉陷对比图；

图4中：L_M为工作面临界宽度，h₀为松散层拱结构上覆松散层厚度，δ_arch为松散层拱厚度，H_arch为松散层拱的矢高，L_arch为松散层拱的跨度，∑H为钻孔揭露的松散层厚度，Σh为关键层底界面与煤层顶界面间的距离，α为基岩破断角，γ₁为松散层的容重，

为松散层的内摩擦角，C为松散层的内聚力，A为左拱脚，B为右拱脚，C为拱顶中心，F_H为松散层拱结构拱基处的水平推力，F_V为松散层拱结构拱基处的垂直推力，λ为侧压系数，q为松散层拱结构顶部受到的均布载荷。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的厚松散层下条带充填开采参数设计方法，包括以下步骤：

S101：收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数和煤柱结构参数。

S102：根据松散层拱理论，建立松散层拱结构二维力学模型，根据松散层拱形成及稳定的条件，判定松散层拱是否稳定。

S103：根据关键块结构理论的研究，工作面回采后关键层与垮落的直接顶间的距离为Δ，关键层中关键块结构保持自身稳定时的临界回转量为Δ_T，根据关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，判断关键块结构是否稳定。

S104：根据两区约束理论，分别计算条带煤柱极限承载能力P_极限和实际承受载荷P_实际，然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性。

S105：当松散层拱结构、关键层中的关键块结构和煤柱均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践；但上述任有一个结构未达到稳定状态，均需调整条带充填开采参数，直到三个结构均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践。

本发明实施例提供的S101中，松散层拱结构参数具体包括松散层厚度、容重、内摩擦角、内聚力、侧压系数、基岩破断角和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

关键层中关键块的结构参数具体包括关键层的抗压强度、厚度、所受荷载和破断距，直接顶的碎胀系数和垮落高度；

煤柱结构参数具体包括煤层厚度和采深以及覆岩平均容重。

本发明实施例提供的S101中，收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数和煤柱结构参数，具体步骤如下：

在煤炭开采区域地表施工地面钻孔并取芯保存，绘制钻孔综合柱状图，根据钻孔柱状图，确定开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度、基岩中各岩层厚度及岩性；

进行松散层取芯试样物理力学参数测试，获得松散层容重、内摩擦角和内聚力；

进行基岩中各岩层取芯试样物理力学参数测试，获得基岩中各岩层的弹性模量、容重和抗压强度，根据基岩中岩石力学性质和岩层破坏形式确定直接顶的碎胀系数；

根据松散层容重和基岩中各岩层的容重计算覆岩平均容重；

在煤层开采区域利用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力测试，确定侧压系数；

根据关键层判别软件KSPB(国家计算机软件著作权编号为2008SR34419)，在松散层和基岩力学特性的基础上，基于钻孔综合柱状图，进行关键层判别，确定关键层的位置、厚度、抗压强度、所受荷载、破断距和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

本次钻孔窥视采用钻孔测井分析仪，通过在轨道顺槽顶板上方打钻孔，根据窥视结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断位置演化图，得出基岩破断角。

本发明实施例提供的S102中，当开采区域地质条件确定后，松散层拱结构的稳定性主要由工作面宽度决定，故松散层拱结构稳定时计算得到的工作面宽度即为条带充填开采参数中的工作面临界宽度L_M，松散层拱的结构示意图见图3。

本发明实施例提供的S102中，具体过程如下：

以松散层拱的左拱脚A为原点，左拱脚A与右拱脚B所在直线为X轴，向右为X轴正方向，垂直于左拱脚A与右拱脚B所在直线的直线为Y轴，向上为Y轴正方向，建立松散层拱结构二维力学模型，如图4所示。

计算使松散层拱结构形成及稳定的松散层的临界厚度

∑H_CC＝H_arch+δ_arch+h₀ (7)

式中：∑H_CC为松散层的临界厚度；H_arch为松散层拱的矢高；L_arch为松散层拱的跨度；L_M为工作面临界宽度；Σh为关键层底界面与煤层顶界面间的距离；α为基岩破断角；γ₁为松散层的容重；h₀为松散层拱结构上覆松散层厚度；

为松散层的内摩擦角；C为松散层的内聚力；λ为侧压系数；松散层拱结构顶部受到的均布载荷q。

本发明实施例提供的S102中，根据能使松散层中形成稳定的松散层拱结构的判别条件：钻孔揭露的松散层厚度∑H≥松散层的临界厚度∑H_CC，此时松散层拱结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界宽度。

本发明实施例提供的S103中，当开采区域地质条件确定后，关键块结构的稳定主要由工作面采高决定，故关键层中关键块结构稳定时计算得到的工作面采高即为条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B，再根据工作面临界采高计算工作面充填率R。

本发明实施例提供的S103中，具体步骤如下：

由下式确定Δ和Δ_T：

式中：M_B为工作面临界采高；K_P为直接顶的碎胀系数；∑h_i为直接顶的垮落高度，一般为1.67～2.17倍的采高；σ_C为关键层的抗压强度；h_KS、q_KS、l_KS为关键层结构的厚度、载荷和破断距。

根据关键层中关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，此时关键块结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B。

将工作面临界采高代入下式得到工作面充填率R：

式中：h为煤层厚度，即实际采高，取5m，n为充填材料的压实率，充填材料的压实率一般为60～65％，此次取中间值62.5％。

本发明实施例提供的S104中，为了保证煤柱上覆岩层的稳定性和完整性，有效控制地表变形，保证留设煤柱的稳定性，留设煤柱极限理论必须具备足够的强度备用系数，安全系数取1.5～2；当开采区域地质条件确定后，煤柱的稳定性主要由煤柱宽度决定，故煤柱稳定时计算得到的煤柱宽度即为条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

本发明实施例提供的S104中，具体步骤如下：

将计算出的工作面临界宽度L_M和计算出的工作面临界采高M_B代入下式确定P_实际和P_极限：

式中：γ₂为覆岩平均容重，H为采深，L_C为煤柱临界宽度；

计算煤柱的安全系数K：

当煤柱的安全系数K≥1.5时保证了煤柱上覆岩层的稳定性和完整性，有效控制地表变形，保证了留设煤柱的稳定性，据此推出条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

山东某煤矿二采区的松散层厚度为209.00m、基岩厚度为85.29m，属于厚松散层薄基岩的地质条件。二采区的首采工作面在回采过程中，地表出现了大范围塌陷坑，塌陷坑最大尺寸为：地表塌陷深度达0.5m，最大表坑面积为20000m²。为了有效控制地表沉陷，二采区的其他工作面采用条带充填开采，分别为条带充填工作面一、条带充填工作面二和条带充填工作面三。现以该矿二采区的首采工作面钻孔提供的地质资料为基础，对其他三个工作面进行条带充填开采参数设计，具体步骤如下：

a.在二采区首采工作面所在区域的地表施工地面钻孔并取芯保存，绘制钻孔综合柱状图，根据钻孔柱状图(具体见图5)，确定首采工作面所开采煤层的厚度为5.1m，埋深为299.39m，松散层厚度为209.00m，基岩中各岩层厚度及岩性；

b.进行松散层取芯试样物理力学参数测试，获得松散层容重为20kN/m³，内摩擦角为4°，内聚力为0.09MPa；

c.进行基岩中各岩层取芯试样物理力学参数测试，获得基岩中各岩层的容重和抗压强度，根据钻孔柱状图，可知基岩中的岩性主要为粉砂岩、细砂岩和泥岩，强度相对较低，而且岩层垮落由弯曲沉降发展而来，据此直接顶的碎胀系数可取1.25；

d.根据松散层容重和基岩中各岩层的容重计算覆岩平均容重为21.45kN/m³；

e.在煤层开采区域利用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力测试，确定侧压系数为0.7；

f.根据关键层判别软件KSPB(国家计算机软件著作权编号为2008SR34419)，在松散层和基岩力学特性的基础上，基于钻孔综合柱状图，进行关键层判别，确定关键层的埋深为290.59m，厚度为11.59m，抗压强度为14.74MPa，所受荷载为1.33MPa，破断距为25.8m，关键层底界面与煤层顶界面间的距离为3.7m；

g.本次钻孔窥视采用钻孔测井分析仪，通过在轨道顺槽顶板上方打钻孔，根据窥视结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断位置演化图，得出基岩破断角为80°。

将松散层拱结构参数(具体见表1)代入公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)求得工作面临界宽度为55m，将关键层中关键块结构参数(具体见表2)代入公式(8)得到工作面临界采高为3.04m，将工作面临界采高代入公式(9)得到工作面充填率为62.72％。将工作面临界宽度、工作面临界采高和煤柱结构参数(具体见表3)代入公式(10)、(11)，得到煤柱临界宽度为30m。

本发明为了控制厚松散层下煤炭开采地表出现大范围的塌陷坑，发明了基于松散层拱-关键层-煤柱稳定性的厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，而按照上述方案得到的条带充填开采设计参数：工作面临界宽度保证了松散层拱的稳定性，使得关键层上方厚松散层的移动变形得到有效控制，工作面临界采高保证了关键层结构的稳定性，使得关键层弯曲变形得到有效控制，工作面临界宽度、采高及煤柱宽度保证了煤柱的稳定性，使得煤柱的压缩变形得到有效控制，故当三个承载结构均达到稳定状态时，三者的变形都在允许范围内，地表沉陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践。

现场实践工程中，在二采区设计3个工作面：条带充填工作面一、条带充填工作面二和条带充填工作面三。为了对比分析条带充填开采前后地表沉陷规律，在地表布置沉陷观测点。经过数据观测，地表最大下沉值为0.369m，与未充填开采的首采工作面相比，地表下沉值减少了92％(具体见图6)，且地表未出现明显沉陷，地表沉陷得以有效控制。

表1松散层拱结构参数

表2关键层中关键块结构参数

表3煤柱结构参数

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述厚松散层下条带充填开采参数设计方法，包括以下步骤：

步骤一，收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数和煤柱结构参数；

步骤二，根据松散层拱理论，建立松散层拱结构二维力学模型，根据松散层拱形成及稳定的条件，判定松散层拱是否稳定；

步骤三，根据关键块结构理论的研究，工作面回采后关键层与垮落的直接顶间的距离为Δ，关键层中关键块结构保持自身稳定时的临界回转量为Δ_T，根据关键层中关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，判断关键块结构是否稳定；

步骤四，根据两区约束理论，分别计算条带煤柱极限承载能力P_极限和实际承受载荷P_实际，然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性；

步骤五，当松散层拱结构、关键层中的关键块结构和煤柱均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践；但上述任有一个结构未达到稳定状态，均需调整条带充填开采参数，直到三个结构均达到稳定状态时，地表塌陷得到有效控制，条带充填开采参数设计有效，可用于工程实践。

2.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤一中，松散层拱结构参数具体包括松散层的厚度、容重、内摩擦角、内聚力、侧压系数、基岩破断角和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

关键层中关键块的结构参数具体包括关键层的抗压强度、厚度、所受荷载和破断距，直接顶的碎胀系数和垮落高度；

煤柱结构参数具体包括煤层厚度和采深以及覆岩平均容重。

3.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤一中，具体步骤如下：

在煤炭开采区域地表施工地面钻孔并取芯保存，绘制钻孔综合柱状图；根据钻孔柱状图，确定开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度、基岩中各岩层厚度及岩性；

进行松散层取芯试样物理力学参数测试，获得松散层容重、内摩擦角和内聚力；

进行基岩中各岩层取芯试样物理力学参数测试，获得基岩中各岩层的弹性模量、容重和抗压强度，根据基岩中岩石力学性质和岩层破坏形式确定直接顶的碎胀系数；

根据松散层容重和基岩中各岩层的容重计算覆岩平均容重；

在煤层开采区域利用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力测试，确定侧压系数；

根据关键层判别软件KSPB，在松散层和基岩力学特性的基础上，基于钻孔综合柱状图，进行关键层判别，确定关键层的位置、厚度、抗压强度、所受荷载、破断距和关键层底界面与煤层顶界面间的距离；

本次钻孔窥视采用钻孔测井分析仪，通过在轨道顺槽顶板上方打钻孔，根据窥视结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断位置演化图，得出基岩破断角。

4.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤二中，当开采区域地质条件确定后，松散层拱结构的稳定性主要由工作面宽度决定，故松散层拱结构稳定时计算得到的工作面宽度即为条带充填开采参数中的工作面临界宽度L_M。

5.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤二中，具体过程如下：

以松散层拱的左拱脚A为原点，左拱脚A与右拱脚B所在直线为X轴，向右为X轴正方向，垂直于左拱脚A与右拱脚B所在直线的直线为Y轴，向上为Y轴正方向，建立松散层拱结构二维力学模型；

计算使松散层拱结构形成及稳定的松散层的临界厚度

∑H_CC＝H_arch+δ_arch+h₀；

式中：∑H_CC为松散层的临界厚度；H_arch为松散层拱的矢高；L_arch为松散层拱的跨度；L_M为工作面临界宽度；Σh为关键层底界面与煤层顶界面间的距离；α为基岩破断角；γ₁为松散层的容重；h₀为松散层拱结构上覆松散层厚度；

为松散层的内摩擦角；C为松散层的内聚力；λ为侧压系数；松散层拱结构顶部受到的均布载荷q。

6.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤二中，根据能使松散层中形成稳定的松散层拱结构的判别条件：钻孔揭露的松散层厚度∑H≥松散层的临界厚度∑H_CC，此时松散层拱结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界宽度。

7.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤三中，当开采区域地质条件确定后，关键块结构的稳定主要由工作面采高决定，故关键层中关键块结构稳定时计算得到的工作面采高即为条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B，再根据工作面临界采高计算工作面充填率R。

8.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤三中，具体步骤如下：

由下式确定Δ和Δ_T：

式中：M_B为工作面临界采高；K_P为直接顶的碎胀系数；Σh_i为直接顶的垮落高度，一般为1.67～2.17倍的采高；σ_C为关键层的抗压强度；h_KS、q_KS、l_KS为关键层结构的厚度、载荷和破断距；

根据关键层中关键块结构稳定性条件：Δ＜Δ_T，此时关键块结构稳定，据此推出条带充填开采参数中的工作面临界采高M_B；

将工作面临界采高代入下式得到工作面充填率R：

式中：h为煤层厚度，即实际采高，取5m，n为充填材料的压实率，充填材料的压实率一般为60～65％，此次取中间值62.5％。

9.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤四中，当开采区域地质条件确定后，煤柱的稳定性主要由煤柱宽度决定，故煤柱稳定时计算得到的煤柱宽度即为条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

10.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法，其特征在于，所述步骤四中，具体步骤如下：

将计算出的工作面临界宽度L_M和计算出的工作面临界采高M_B代入下式确定P_实际和P_极限：

式中：γ₂为覆岩平均容重，H为采深，L_C为煤柱临界宽度；

计算煤柱的安全系数K：

当煤柱的安全系数K≥1.5时保证了煤柱上覆岩层的稳定性和完整性，有效控制地表变形，据此推出条带充填开采参数中的煤柱临界宽度L_C。

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