CN112711847B - 一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，包括步骤：一、现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数；二、判断关键层是否位于冒落带；三、判断关键层是否位于弯曲下沉带；四、判断关键层是否位于裂缝带顶部；五、获取关键层的下沉值；六、确定地表下沉系数。本发明利用在矿井建设期间，已布置足够数量的钻孔现场取芯或者现场取样，结合实验室测试获取岩层物理力学参数，保证了计算结果的可靠性和精确性，成本低廉，实现方便快捷，计算过程中充分考虑采高、岩性、埋深、基岩厚度等复杂地质条件，计算结果可靠，可运用于地表开采损害预计、采空区地基稳定性评估和开采沉陷区修复等工程评价领域，结果准确，误差小。

Description

一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法
技术领域
本发明属于煤矿开采地表沉陷预测技术领域，具体涉及一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法。
背景技术
地表下沉系数是开采沉陷研究和建(构)筑物下地表移动变形预计的重要参数，地表下沉系数的准确性直接影响地表移动变形预计成果的可靠性，长期以来国内外学者对地表下沉系数的研究尤为重视。当煤炭资源采出后，采空区周围原有的应力平衡状态破坏，导致开采工作面上覆岩层自下而上逐渐破断、垮落或弯曲，进而引起地表的移动和变形。可见，如何准确计算地表下沉系数是精确实现地表开采沉陷预计的基础。
目前，地表下沉系数的确定方法主要分为四类。
第一类方法岩移观测法。基于工作面开采岩移观测资料，直接确定地表下沉系数。该方法结果虽然比较可靠，但技术成本较高，需要布置大量的观测桩和测点，耗费大量的人力物力。此外，地表移动从启动期、活跃期到稳定期，一般为2～5年，完成一次准确岩移观测的时间周期过长，无法对地表损害提前预知和防范。
第二类方法是经验类比法。根据工程概况相似的已采工作面地表岩移实测规律，推测确定地表下沉系数。该方法虽然节省了岩移观测的成本和时间，但由于煤矿地质条件复杂，相邻工作面都存在一定差异，仅凭经验类比直接对工作面进行开采损害预计，所得计算结果偏差性大，可靠性低。
第三类方法是数值模拟法。根据工作面尺寸、埋深、上覆岩土层性质等工程概况，建立合理的数值计算模型，通过计算机模拟反演出地表下沉系数。数值模拟技术将无法进行实验的复杂采矿工程问题简化为力学求解过程，成本低廉，计算速度较快，但是由于建立的模型过于理想化，边界条件和材料属性赋参被简化，对分析结果产生影响，随机性较大，可信度较低。
第四类方法是相似模拟法。通过在实验室内按照相似原理制作与实际工况相似的煤系地层模型，借助模型模拟煤层开采，观测模型的岩移规律，预计实际工作面的地表下沉系数。该方法具有直观、简便、经济、快速及实验周期短等优点，但是由于岩体力学性质及地质条件的复杂性，相似模拟研究具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，利用在矿井建设期间，已布置足够数量的钻孔现场取芯或者现场取样，结合实验室测试获取岩层物理力学参数，保证了计算结果的可靠性和精确性，方法步骤简单，成本低廉，实现方便快捷，计算过程中充分考虑实际煤矿的采高、岩性、埋深、基岩厚度的复杂地质条件，计算结果可靠，可运用于地表开采损害预计、采空区地基稳定性评估和开采沉陷区修复等工程评价领域，结果准确，误差小，可靠性高，适用范围广，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数：现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数，所述煤层上覆岩层物理力学参数包括关键层的厚度、关键层下部基岩的厚度、关键层极限抗拉强度、关键层弹性模量、采高、裂缝带高度、关键层上覆岩层的载荷；
步骤二、根据公式hm＜hk+∑h，判断关键层是否位于冒落带，当hm＜hk+∑h成立时，关键层不位于冒落带，执行步骤三；
当hm＜hk+∑h不成立时，关键层位于冒落带，执行步骤501；
其中，hm为冒落带高度，hk为关键层的厚度，∑h为关键层下部基岩的厚度；
步骤三、根据公式fg<wmax1，判断关键层是否位于弯曲下沉带，当fg<wmax1成立时，关键层不位于弯曲下沉带，执行步骤四；
当fg<wmax1不成立时，关键层位于弯曲下沉带，执行步骤502；
其中，fg为关键层固支梁极限挠度且
Figure GDA0003409652020000031
[σt]为关键层极限抗拉强度，l为关键层岩梁长度，Ek为关键层弹性模量；wmax1为关键层最大下沉值且wmax1＝M-[hm(k′ρm-1)+hl(k′ρl-1)]，M为采高，k′ρm为冒落带残余碎胀系数，k′ρl为裂缝带残余碎胀系数，hl为裂缝带高度；
步骤四、根据公式
Figure GDA0003409652020000032
判断关键层是否位于裂缝带顶部，当
Figure GDA0003409652020000033
不成立时，关键层位于裂缝带顶部，执行步骤503；
当
Figure GDA0003409652020000034
成立时，关键层位于裂缝带非顶部，执行步骤504；
其中，i为岩层块度且
Figure GDA0003409652020000035
lT为以周期来压步距计算的岩块长度且
Figure GDA0003409652020000036
q为关键层上覆载荷，θ1为回转变形角且
Figure GDA0003409652020000037
步骤五、获取关键层的下沉值：
步骤501、根据公式wmax＝wml＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wml为关键层位于冒落带的最大下沉值，H为煤层的底部和松散砂层的顶部之间的距离，h为松散砂层与松散土层的厚度之和；
步骤502、根据公式wmax＝wmax1，计算关键层的下沉值wmax；
步骤503、根据公式wmax＝wlfd＝M-[(hk-hm+∑h)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfd为关键层位于裂缝带顶部的最大下沉值；
步骤504、根据公式wmax＝wlfz＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfz为关键层位于裂缝带非顶部的最大下沉值；
步骤六、根据公式
Figure GDA0003409652020000038
确定地表下沉系数η。
上述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：步骤一中，利用在矿井建设期间，已布置的多个钻孔现场取样，结合实验室测试方法获取煤层上覆岩层物理力学参数。
上述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：所述冒落带残余碎胀系数k′ρm的取值范围为1.1～1.15。
上述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：所述裂缝带残余碎胀系数k′ρl的取值范围为1.01～1.05。
本发明的有益效果是，利用在矿井建设期间，已布置足够数量的钻孔现场取芯或者现场取样，结合实验室测试获取岩层物理力学参数，保证了计算结果的可靠性和精确性，方法步骤简单，成本低廉，实现方便快捷，计算过程中充分考虑实际煤矿的采高、岩性、埋深、基岩厚度的复杂地质条件，计算结果可靠，可运用于地表开采损害预计、采空区地基稳定性评估和开采沉陷区修复等工程评价领域，结果准确，误差小，可靠性高，适用范围广，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明关键层位于冒落带的地层结构示意图。
图3为本发明关键层位于裂缝带非顶部的地层结构示意图。
图4为本发明关键层位于裂缝带顶部的地层结构示意图。
图5为本发明关键层位于弯曲下沉带的地层结构示意图。
附图标记说明:
1—松散砂层； 2—松散土层； 3—关键层上覆岩层；
4—关键层； 5—关键层下部基岩； 6—煤层；
7—采空区。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，包括以下步骤：
步骤一、现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数：现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数，所述煤层上覆岩层物理力学参数包括关键层4的厚度、关键层下部基岩5的厚度、关键层极限抗拉强度、关键层弹性模量、采高、裂缝带高度、关键层上覆岩层3的载荷；
实际煤矿的采空区7影响地表下沉，地表下沉程度与煤层上覆岩层物理力学参数息息相关，本实施例中，步骤一中，利用在矿井建设期间，已布置的多个钻孔现场取样，结合实验室测试方法获取煤层上覆岩层物理力学参数。
步骤二、根据公式hm＜hk+∑h，判断关键层是否位于冒落带，当hm＜hk+∑h成立时，关键层不位于冒落带，执行步骤三；
当hm＜hk+∑h不成立时，关键层位于冒落带，执行步骤501；
其中，hm为冒落带高度，hk为关键层4的厚度，∑h为关键层下部基岩5的厚度；
步骤三、根据公式fg<wmax1，判断关键层是否位于弯曲下沉带，当fg<wmax1成立时，关键层不位于弯曲下沉带，执行步骤四；
当fg<wmax1不成立时，关键层位于弯曲下沉带，执行步骤502；
其中，fg为关键层固支梁极限挠度且
Figure GDA0003409652020000051
[σt]为关键层极限抗拉强度，l为关键层岩梁长度，Ek为关键层弹性模量；wmax1为关键层最大下沉值且wmax1＝M-[hm(k′ρm-1)+hl(k′ρl-1)]，M为采高，k′ρm为冒落带残余碎胀系数，k′ρl为裂缝带残余碎胀系数，hl为裂缝带高度；
步骤四、根据公式
Figure GDA0003409652020000052
判断关键层是否位于裂缝带顶部，当
Figure GDA0003409652020000053
不成立时，关键层位于裂缝带顶部，执行步骤503；
当
Figure GDA0003409652020000054
成立时，关键层位于裂缝带非顶部，执行步骤504；
其中，i为岩层块度且
Figure GDA0003409652020000061
lT为以周期来压步距计算的岩块长度且
Figure GDA0003409652020000062
q为关键层上覆载荷，θ1为回转变形角且
Figure GDA0003409652020000063
步骤五、获取关键层的下沉值：
步骤501、根据公式wmax＝wml＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wml为关键层位于冒落带的最大下沉值，H为煤层6的底部和松散砂层1的顶部之间的距离，h为松散砂层1与松散土层2的厚度之和；
步骤502、根据公式wmax＝wmax1，计算关键层的下沉值wmax；
步骤503、根据公式wmax＝wlfd＝M-[(hk-hm+∑h)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfd为关键层位于裂缝带顶部的最大下沉值；
步骤504、根据公式wmax＝wlfz＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfz为关键层位于裂缝带非顶部的最大下沉值；
步骤六、根据公式
Figure GDA0003409652020000064
确定地表下沉系数η。
本实施例中，所述冒落带残余碎胀系数k′ρm的取值范围为1.1～1.15。
本实施例中，所述裂缝带残余碎胀系数k′ρl的取值范围为1.01～1.05。
实际实施时，先以韩家湾煤矿2304工作面地表下沉系数的确定为例，韩家湾煤矿2304工作面上覆岩层的物理力学参数，该工作面开采煤层厚度为4.5m，采用综合机械化长壁采煤的方法，工作面倾向长度270m，沿走向推进长度为1800m，煤层采高为4.5m，冒落带残余碎胀系数取1.1，裂缝带残余碎胀系数取1.01，冒落带高度19.36m；利用在矿井建设期间，已布置的多个钻孔现场取样，获取岩层物理力学参数，如表1所示。
表1
Figure GDA0003409652020000065
Figure GDA0003409652020000071
本实施例中，亚关键层位于冒落带，根据采高、冒落带高度、裂缝带高度确定关键层最大下沉值wmax1＝2.40m，与关键层固支梁极限挠度fg＝0.655m进行比较，公式fg<wmax1成立，主关键层位于裂缝带，根据岩层破断块度和回转角得i＝0.94，sinθ1＝0.163，lT＝14.64m，公式
Figure GDA0003409652020000072
成立，主关键层位于裂缝带非顶层，根据公式
wmax＝wlfz＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax＝2.101m，根据公式
Figure GDA0003409652020000073
确定地表下沉系数η＝0.468，与根据现场观测数据综合确定的地表下沉系数接近。
实际实施时，再以榆树湾煤矿20102上工作面地表下沉系数的确定为例，榆树湾煤矿20102上工作面上覆岩层的物理力学参数，该工作面开采煤层平均厚度为11.6m，煤层上分层采高为5m，采用综采的方法，工作面达到充分采动的长度为440m，沿走向推进长度为6000m，冒落带残余碎胀系数取1.1，裂缝带残余碎胀系数取1.01，冒落带高度12.3m；利用在矿井建设期间，已布置的多个钻孔现场取样，获取岩层物理力学参数，如表1所示。
表1
Figure GDA0003409652020000074
Figure GDA0003409652020000081
本实施例中，亚关键层位于裂缝带非顶部，根据采高、冒落带高度、裂缝带高度确定关键层最大下沉值wmax1＝2.962m，与关键层固支梁极限挠度fg＝3.01m进行比较，公式fg<wmax1不成立，主关键层位于弯曲下沉带，根据公式wmax＝wmax1，计算关键层的下沉值wmax＝2.962m，根据公式
Figure GDA0003409652020000082
确定地表下沉系η＝0.59，与现场观测数据综合确定的地表下沉系数接近。
本发明使用时，利用在矿井建设期间，已布置足够数量的钻孔现场取芯或者现场取样，结合实验室测试获取岩层物理力学参数，保证了计算结果的可靠性和精确性，方法步骤简单，成本低廉，实现方便快捷，计算过程中充分考虑实际煤矿的采高、岩性、埋深、基岩厚度的复杂地质条件，计算结果可靠，可运用于地表开采损害预计、采空区地基稳定性评估和开采沉陷区修复等工程评价领域，结果准确，误差小，可靠性高，适用范围广，便于推广使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、现场取样、实验室测试获取煤层上覆岩层物理力学参数，所述煤层上覆岩层物理力学参数包括关键层(4)的厚度、关键层下部基岩(5)的厚度、关键层极限抗拉强度、关键层弹性模量、采高、裂缝带高度、关键层上覆岩层(3)的载荷；
步骤二、根据公式hm＜hk+∑h，判断关键层是否位于冒落带，当hm＜hk+∑h成立时，关键层不位于冒落带，执行步骤三；
当hm＜hk+∑h不成立时，关键层位于冒落带，执行步骤501；
其中，hm为冒落带高度，hk为关键层(4)的厚度，∑h为关键层下部基岩(5)的厚度；
步骤三、根据公式fg<wmax1，判断关键层是否位于弯曲下沉带，当fg<wmax1成立时，关键层不位于弯曲下沉带，执行步骤四；
当fg<wmax1不成立时，关键层位于弯曲下沉带，执行步骤502；
其中，fg为关键层固支梁极限挠度且
Figure FDA0003409652010000011
[σt]为关键层极限抗拉强度，l为关键层岩梁长度，Ek为关键层弹性模量；wmax1为关键层最大下沉值且wmax1＝M-[hm(k′ρm-1)+hl(k′ρl-1)]，M为采高，k′ρm为冒落带残余碎胀系数，k′ρl为裂缝带残余碎胀系数，hl为裂缝带高度；
步骤四、根据公式
Figure FDA0003409652010000012
判断关键层是否位于裂缝带顶部，当
Figure FDA0003409652010000013
不成立时，关键层位于裂缝带顶部，执行步骤503；
当
Figure FDA0003409652010000014
成立时，关键层位于裂缝带非顶部，执行步骤504；
其中，i为岩层块度且
Figure FDA0003409652010000015
lT为以周期来压步距计算的岩块长度且
Figure FDA0003409652010000016
q为关键层上覆载荷，θ1为回转变形角且
Figure FDA0003409652010000017
步骤五、获取关键层的下沉值：
步骤501、根据公式wmax＝wml＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wml为关键层位于冒落带的最大下沉值，H为煤层(6)的底部和松散砂层(1)的顶部之间的距离，h为松散砂层(1)与松散土层(2)的厚度之和；
步骤502、根据公式wmax＝wmax1，计算关键层的下沉值wmax；
步骤503、根据公式wmax＝wlfd＝M-[(hk-hm+∑h)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfd为关键层位于裂缝带顶部的最大下沉值；
步骤504、根据公式wmax＝wlfz＝M-[(H-h-hm)(k'ρl-1)+hm(k'ρm-1)]，计算关键层的下沉值wmax，其中，wlfz为关键层位于裂缝带非顶部的最大下沉值；
步骤六、根据公式
Figure FDA0003409652010000021
确定地表下沉系数η。
2.按照权利要求1所述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：步骤一中，利用在矿井建设期间，已布置的多个钻孔现场取样，结合实验室测试方法获取煤层上覆岩层物理力学参数。
3.按照权利要求1所述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：所述冒落带残余碎胀系数k′ρm的取值范围为1.1～1.15。
4.按照权利要求1所述的一种关键层位于覆岩不同位置的地表下沉系数确定方法，其特征在于：所述裂缝带残余碎胀系数k′ρl的取值范围为1.01～1.05。
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