CN113006869A - 一种采动地裂缝预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采动地裂缝预测方法，包括：获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构；确定开采地区的开采因素；根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。本发明给出了拱梁结构稳定性判据，提高对矿区地表裂缝排查的准确性以便进行及时的灾害防治。

Description

一种采动地裂缝预测方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采相关技术领域，特别是一种采动地裂缝预测方 法。
背景技术
浅埋厚松散层薄基岩下煤层开采过程中，地表厚松散层(主要为砂 土层)垮落重量并非瞬间全部作用于老顶关键块，存在“松散层拱”承 载结构。松散层拱结构对上覆岩土层发挥承载作用，进而影响着地表裂 缝的发育及分布规律。目前，针对煤炭开采地表裂缝位置预测的研究较 多，但是考虑松散层拱承载作用的研究却很少。
一部分现有技术虽然建立了松散层拱条件下关键块稳定性力学模 型，揭示了松散层拱对采动覆岩稳定性的影响规律，但并未研究松散层 拱结构承载作用对地表裂缝的影响。
另一部分现有技术等通过建立厚砂土层拱梁结构力学模型，得出了 拱梁内的应力分量，但缺乏实际可操作性，并未明确松散层拱结构的形 态方程。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术无法进行厚松散层薄基岩条件下采动 地裂缝预测的技术问题，提供一种采动地裂缝预测方法。
本发明提供一种采动地裂缝预测方法，包括：
获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的 原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩 土介质特性；
确定开采地区的开采因素；
根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的 影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；
根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确 定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；
根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对 松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首 条裂缝形成。
进一步地，所述岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深。
进一步地，所述岩土介质特性包括松散层容重γ、松散层内摩擦角 φ、松散层内聚力C、松散层砂土密度ρ。
更进一步地，所述开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推进距 离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1) Lp。
再进一步地，所述松散层拱承载结构跨度ln为：
ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα，式中，∑M为基岩层厚度，α为基岩 层破断角。
再进一步地，所述松散层拱承载结构拱高hn为：
Figure BDA0002973673590000021
其中，hn+Hn＝∑H；
式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，∑H为松散层厚 度。
再进一步地，所述松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000022
为：
Figure BDA0002973673590000023
进一步地，所述岩土介质特性还包括：松散层极限抗拉强度。
更进一步地，所述根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边 界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，具体包括：
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000031
<松散层极限抗拉强度[σ]， 则拱梁结构稳定；
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000032
≥松散层极限抗拉强度[σ]， 则拱梁结构失稳破断。
再进一步地，还包括：若判断地表首条裂缝形成，则判断随着工作 面的推进，薄基岩老顶出现周期性破断，形成台阶岩梁结构，同时煤壁 上方地表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂缝。
本发明提供一种浅埋厚松散层薄基岩条件下采动地裂缝预测方法， 可以提供厚松散层薄基岩条件下松散层拱承载结构的形态方程和破断演 化过程，给出了拱梁结构稳定性判据，给出了松散层拱承载作用影响下 首条采动地裂缝发育机理与预测方法，提高对矿区地表裂缝排查的准确 性以便进行及时的灾害防治。
附图说明
图1为本发明一种采动地裂缝预测方法的工作流程图；
图2为本发明最佳实施例一种厚松散层条件下采动地裂缝预测方法 的工作流程图；
图3为采动松散层承载结构示意图；
图4为松散层拱梁结构示意图；
图5为拱梁跨度与推进距离示意图；
图6为拱梁破坏与地表裂缝示意图；
图7为地表各点非均匀沉陷和移动变形，引起开挖边界上方向外出现 地表裂缝示意图；
图8为松散层拱梁结构受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为本发明一种采动地裂缝预测方法的工作流程图，包括：
步骤S101，获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出 开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信 息和所述岩土介质特性；
步骤S102，确定开采地区的开采因素；
步骤S103，根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动 对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承 载结构拱高；
步骤S104，根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结 构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；
步骤S105，根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大 拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则 判断地表首条裂缝形成。
具体来说，步骤S101对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩层 产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构；
在其中一个实施例中，岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深(包 括基岩层和松散层)，岩土介质特性包括松散层容重γ、内摩擦角φ、 内聚力C、密度ρ、极限抗拉强度[σ]。
步骤S102，确定开采地区的开采因素。
在其中一个实施例中，开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推 进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1) Lp。
步骤S103，根据步骤S101所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤 S102中所获得的开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压 时松散层拱承载结构跨度ln、拱高hn。
在其中一个实施例中，所述松散层拱承载结构跨度ln为：
ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα，式中，∑M为基岩层厚度，α为基岩 层破断角。
在其中一个实施例中，所述松散层拱承载结构拱高hn为：
Figure BDA0002973673590000051
其中，hn+Hn＝∑H；
式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，∑H为松散层厚 度。
步骤S104根据步骤S103所获得的松散层拱承载结构跨度ln、拱高 hn，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000052
在其中一个实施例中，所述松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000053
为：
Figure BDA0002973673590000054
步骤S105，根据松散层极限抗拉强度[σ]与步骤S104所获得的松散 层拱梁结构最大拉应力
Figure BDA0002973673590000055
对松散层拱梁结构稳定性进行判定。若拱梁 失稳，则地表首条裂缝形成。
在其中一个实施例中，所述根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁 结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，具体包括：
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000056
<松散层极限抗拉强度 [σ]，则拱梁结构稳定；
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000057
≥松散层极限抗拉强度 [σ]，则拱梁结构失稳破断。
在地表首条裂缝形成后，随着薄基岩老顶周期性破断，煤壁上方地 表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂缝。周期性裂缝地表动态裂缝间 距预测。
因此，在其中一个实施例中，预测方法还包括：若判断地表首条裂 缝形成，则判断随着工作面的推进，薄基岩老顶出现周期性破断，形成 台阶岩梁结构，同时煤壁上方地表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂 缝。
本发明提供一种浅埋厚松散层薄基岩条件下采动地裂缝预测方法， 可以提供厚松散层薄基岩条件下松散层拱承载结构的形态方程和破断演 化过程，给出了拱梁结构稳定性判据，给出了松散层拱承载作用影响下 首条采动地裂缝发育机理与预测方法，提高对矿区地表裂缝排查的准确 性以便进行及时的灾害防治。
浅埋煤层工作面回采后，采动覆岩结构破断失稳并逐渐向上发展至 松散层，松散层内部介质发生变形，颗粒间产生不均匀位移，上覆松散 层颗粒中形成了既能在松散层不同区域颗粒间传递荷载又能对采动覆岩 发挥承载作用，同时又能够对采场起到保护作用的松散层拱承载结构， 如图3所示。
随着工作面推进，基岩关键层1周期性破断失稳，松散层拱拱脚随 之不断失稳破断形成“拱状”垮落带充填采空区，松散层基于关键层断 裂位置重新向上起拱，形成新的“拱壳”结构。松散层拱承载结构就以 这种“破断—平衡”往复循环过程不断向上发育。松散层发育到一定高 度时，上覆松散层便呈现上部为“梁”，下部为“拱”的拱梁式破坏， 形成地表裂缝，如图4所示。
结合上述分析，考虑到松散层结构承载作用对地表裂缝的影响，如 图2所示，本发明最佳实施例一种厚松散层条件下采动地裂缝预测方法， 包括：
步骤S201，松散层拱结构力学分析；
如图4所示，在地表裂缝生成前，拱梁处于自稳状态，松散层拱结 构右侧拱受力分析如图8所示，拱顶位置为B点，拱脚为C点，ρ为砂土 密度，g为重力加速度。下方的悬链线“拱”的方程为f(x)＝-Hchmx，其中，
Figure BDA0002973673590000061
拱顶距地表的距离为H。其中，arch为反双曲余弦函 数。
梁内应力分布为：
Figure BDA0002973673590000071
其中，f’(x)为对f(x)求导，x为梁的x方向长度，y为梁的y方向 长度。
梁内最大正应力σmax为：
Figure BDA0002973673590000072
其中，
Figure BDA0002973673590000073
其中，sh为双曲正弦函数，ch为双曲余弦函数。
σmax在上边界y＝0且
Figure BDA0002973673590000074
时有最大值，即当
Figure BDA0002973673590000075
时，
Figure BDA0002973673590000076
步骤S202，对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩层产状尺度 信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构；岩层产状尺度包 括岩土层的厚度和埋深(包括基岩层和松散层)，岩土介质特性包括松 散层容重γ、内摩擦角
Figure BDA0002973673590000077
内聚力C、密度ρ、极限抗拉强度[σ]。
步骤S203，确定开采地区的开采因素，开采因素包括煤层2工作面 基岩破断角α、推进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次 数n，其中，L＝Lf+(n-1)Lp。
步骤S204，根据步骤S202所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤S203中所获得的开采因素分析开采扰动对松散层3的影响，确定每次来 压时松散层拱承载结构跨度ln、拱高hn。
工作面来压时，松散层结构跨度ln为
ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα
式中，Lf为初次来压步距，m；Lp为周期来压步距，m；∑M为基岩层 厚度，m；α为基岩层破断角，°；n为来压次数，cot为余切三角函数。
拱高hn为
Figure BDA0002973673590000081
其中，hn+Hn＝∑H
式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，m；
Figure BDA0002973673590000082
为松散层 内摩擦角，°；C为松散层内聚力，Pa；γ为松散层容重，N/m3；∑H为松散 层厚度，m，tan为正切函数。
步骤S205，根据步骤S204所获得的松散层拱承载结构跨度ln、拱高 hn，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure BDA0002973673590000083
其中：
Figure BDA0002973673590000084
步骤S206，根据松散层极限抗拉强度[σ]与步骤S205所获得的松散 层拱梁结构最大拉应力
Figure BDA0002973673590000085
对松散层拱梁结构稳定性进行判定。
①若
Figure BDA0002973673590000086
拱梁结构稳定，上边界将无裂缝产生；
②若
Figure BDA0002973673590000087
时，拱梁失稳破断，上边界将产生拉裂缝，拱梁失稳破 断后，松散层发生“漏斗形”沉降，形成沉陷漏斗4，如图6所示。地表各 点非均匀沉陷和移动变形，引起开挖边界上方向外出现地表裂缝，如图7 所示。由于超前裂缝角呈近似垂直角的形态分布，故可认为地表裂缝出 现在工作面煤壁上方。
步骤S207，在地表首条裂缝出现后，随着工作面的推进，薄基岩老 顶出现周期性破断，形成“台阶岩梁”结构，同时煤壁上方地表砂土受拉 周期性产生竖直向下贯通裂缝。
本发明实施例，具有如下优点和积极效果：
(1)提供了浅埋厚松散层薄基岩条件下松散层承载结构的形态方程 与破断演化过程，给出了工作面不同来压阶段松散层结构拱高与跨度的 计算方法。
(2)提供了松散层拱梁结构上边界最大拉应力计算公式，给出了拱 梁结构稳定性判据，给出了松散层拱承载作用影响下首条采动地裂缝发 育机理与预测方法。
(3)提供了一种具有可行性与可操作性的厚松散层薄基岩条件下采 动地裂缝预测方法。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体 和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的 是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本 发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种采动地裂缝预测方法，其特征在于，包括：
获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩土介质特性；
确定开采地区的开采因素；
根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；
根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；
根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。
2.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深。
3.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述岩土介质特性包括松散层容重γ、松散层内摩擦角φ、松散层内聚力C、松散层砂土密度ρ。
4.根据权利要求3所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1)Lp。
5.根据权利要求4所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述松散层拱承载结构跨度ln为：
ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα，式中，∑M为基岩层厚度，α为基岩层破断角。
6.根据权利要求5所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述松散层拱承载结构拱高hn为：
Figure FDA0002973673580000021
其中，hn+Hn＝∑H；
式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，∑H为松散层厚度。
7.根据权利要求6所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure FDA0002973673580000022
为：
Figure FDA0002973673580000023
8.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述岩土介质特性还包括：松散层极限抗拉强度。
9.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，具体包括：
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure FDA0002973673580000024
则拱梁结构稳定；
若松散层拱梁结构上边界最大拉应力
Figure FDA0002973673580000025
则拱梁结构失稳破断。
10.根据权利要求1至9任一项所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，还包括：若判断地表首条裂缝形成，则判断随着工作面的推进，薄基岩老顶出现周期性破断，形成台阶岩梁结构，同时煤壁上方地表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂缝。
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