CN113944510B - 一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其方法原理是：在厚松散层近水平煤层开采岩层中确定覆岩主关键层的位置；若岩层中存在主关键层并且位置位于7～10倍采高以外，裂隙拱和冒落拱发育高度位于主关键层位置以下，则可以根据岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型进行预测和评价地表沉降移动最大值和沉降范围；若岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型中物理参数a＝n；b＝m时，内、外“类双曲线”有共同渐近线，即矿井工程该岩层移动与地表沉降可判别为共轭内、外“类双曲线”模型进行评价。本发明方法丰富了岩层移动与地表沉降预测、评价体系，对适应煤炭行业新形势发展的迫切需要，具有重要经济、环境和社会价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法。
背景技术
长期以来，岩层移动与开采地表沉降普遍被划分为两个较为独立的学科。岩层移动研究内容主要关注采矿引起的岩层破断力学行为(岩层内部瓦斯、水等运移变化、采场和巷道空间的稳定等)。而煤矿开采区域地表沉降相关研究则主要关注地表沉陷区所带来的一系列环境、设施、生活和生态等的影响。然而采矿岩层移动与地表沉降之间存在联系，开采必然引起上覆岩层发生运动，其本质是力学现象，影响和制约煤矿生产安全和生态环境。冒落拱与裂隙带的形态与大小为上覆岩层移动与地表沉降提供了条件。掌握冒落拱、裂隙拱移动规律与形态的演变对煤层群上行开采、强含水层或承压水下采煤、下保护层开采等等的安全开采距离评价具有重要指导意义。地表沉陷是煤炭开采导致的另一个关键环境问题，其沉陷状态与影响范围是采取土地复垦、地下管线布置、以及村庄农田保护的依据。
早期我国煤炭主要开采区域煤层埋深浅、地质结构简单，许多矿区可以通过传统沉降曲线，即沉陷边界与煤层开采边界两点连线进行地表沉降影响预测。但是随着开采深度不断增大，地质结构开始变得复杂，若覆岩中存在较厚的松散层，传统地表沉降预计方法的精确性由此受到阻碍。厚松散层开采条件下岩层运动不仅是岩层破断后的块体运动，也是位于岩层至地表之间松散层的散体的组合运动。“绿色采矿”与“科学开采”精神内涵不断丰富，促使我们需要寻求一个更加关键合理的评价体系和力学模型解释岩层移动与地表沉降之间复杂的力学关系。煤炭开采会引起覆岩破断移动、应力重新分布、地下水及瓦斯沿裂隙场运移、地表沉陷等。目前普遍预测地表沉降与岩层移动方法都是经验法与数学方法相结合，其本质属于一种数学方法，即通过从几何、数学的方法，描述采矿现象。对岩层内部的移动规律解释不明晰，没有将地表沉陷与工作面顶板破断运动建立起统一的联系。因此，在揭示岩层移动力学本质时，还存在许多缺陷与不足。
为了揭示采动覆岩破断移动机理，对采动岩层控制、瓦斯抽采、地下水运移和优化开采设计等提供科学依据。针对上述问题，本发明提出了一种岩层移动与地表沉降共轭内、外“类双曲线”模型的判定方法，丰富了岩层移动与地表沉降预测评价体系，对适应煤炭行业发展的迫切需要，具有重要经济、环境和社会价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种准确灵活、安全高效、识别简单的岩层移动及地表沉陷的预测识别方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，包括如下步骤：
S1：根据关键层判定公式，确定上覆岩层中是否存在关键层；若存在，则确定关键层所在的位置以及大小；
S2：进一步地，若上覆岩层中存在关键层，则煤层充分采动后覆岩的整体破断移动边界可用外“类双曲线”模型预测；
S3：根据关键层破断长度s，工作面的推进距离d，松散层高度H，每层基岩的厚度hi，基岩总岩层数k，不同基岩的初次垮落角和周期垮落角θ1i，θ2i以及厚松散层内摩擦角
建立外“类双曲线”模型，即
求得地表沉降范围D，即
式中，a， b为数学参数，物理意义表达如下
s为关键层破断长度；d为工作面的推进距离；H为松散层高度；hi为每层基岩的厚度，下标i为第i层基岩；k为基岩总岩层数；θ1i，θ2i为不同基岩的初次垮落角和周期垮落角；
为厚松散层的内摩擦角；
S4：若确定的主关键层位置位于7～10倍采高以外，裂隙拱和冒落拱发育高度位于主关键层位置以下，则地表沉降与岩层移动上下对称两拱影响范围通过内“类双曲线”模型预测；
S5：类似于步骤S3，根据现场获得的相关参数通过内“类双曲线”模型，即
求得预计地表沉降移动最大值H1，即
式中，Ht为煤层埋深，计算公式如下
hi为每层基岩的厚度；m，n为数学参数，物理意义表达如下
S6：若岩层移动内、外“类双曲线”模型中物理参数a＝n；b＝m时，即内、外“类双曲线”有共同渐近线，并且关于模型坐标轴“上下、左右”对称；则两组内、外“类双曲线”模型有数学上的共轭关系，即判定矿井工程该岩层移动与地表沉降中可用共轭内、外“类双曲线”模型识别、评价。
上述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其特征在于：所述煤层为近水平煤层，基岩顶部存在一定厚度和范围的松散层；所述的关键层判定公式如下
式中，
下标i用来表示煤层上部的第i层岩层；q表示作用在关键层上的载荷；L表示岩层破断块体的长度；[σt]表示关键层的抗拉强度；E为岩层的弹性模量；hi为每层基岩的厚度；γ为岩层的容重。
上述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其特征在于：所述的岩层移动内、外“类双曲线”模型有共轭关系时，则描述岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型的地表移动和地表沉降角ξ有如下近似关系：
本发明与以往采矿岩层与地表沉降预计方法相比，具有以下优点：
1.相比于传统的岩层移动识别模型，岩层移动共轭、内外“类双曲线”模型识别判定方式简单易懂、计算参数较少、评价预测准确度高、科学依据合理，符合“科学采矿”和“绿色采矿”的内涵，具有广泛的推广及应用价值。
2.对于符合岩层移动内“类双曲线”模型的开采条件矿井，该模型可以更加准确地预计地表沉降范围，对评价高瓦斯、高压含水层、近距离煤层群开采的冒落裂隙拱范围以及分布，具有更直观更准确的评价和应用。
3.对于符合岩层移动外“类双曲线”模型的开采条件矿井，可以更加准确地预计地表沉降值范围，对评价地下管线、“三下”特殊条件开采、煤层群开采巷道布置具有更高价值的指导意义。
附图说明
图1为本发明的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定流程。
图2为本发明的厚松散层岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型。
图中：1、煤层，2、冒落拱，3、基岩，4、关键层，5、松散层，a为关键层破断长度，d为工作面推进距离，H为松散层高度，θ1i，θ2i为不同基岩的初次垮落角和周期垮落角，
为松散层内摩擦角，D为地表沉降水平范围，H1为地表沉降垂直距离。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1-2所示，一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，包括如下步骤：
S1：根据关键层判定公式，确定上覆岩层中是否存在关键层4；若存在，则确定关键层4所在的位置以及大小；
S2：进一步地，若上覆岩层中存在关键层4，则煤层1开采后覆岩的整体破断移动边界可用外“类双曲线”模型预测；
S3：根据关键层4破断长度s；工作面的推进距离d；松散层5高度H；每层基岩3 的厚度hi；基岩3总岩层数k；不同基岩3的初次垮落角和周期垮落角θ1i，θ2i以及厚松散层 5的内摩擦角
相关参数建立外“类双曲线”模型，即
求得地表沉降范围D，即
式中，a，b为数学参数，物理意义表达如下
s为关键层破断长度；d为工作面的推进距离；H为松散层高度；hi为每层基岩的厚度，下标i为第i层基岩；k为基岩总岩层数；θ1i，θ2i为不同基岩的初次垮落角和周期垮落角；
为厚松散层的内摩擦角；
S4：若确定的主关键层4位置位于7～10倍采高以外，开采裂隙拱和冒落拱2发育高度位于主关键层4位置以下，裂隙带发育高度由最近的亚关键层控制，则地表沉降与岩层移动上下对称两拱影响范围通过内“类双曲线”模型预测；
S5：类似于步骤S3，根据现场获得的相关参数通过内“类双曲线”模型，即
求得预计地表沉降移动最大值H1，即
式中，Ht为煤层埋深，计算公式如下
hi为每层基岩的厚度；m，n为数学参数，物理意义表达如下
S6：若岩层移动内、外“类双曲线”模型中物理参数a＝n；b＝m时，即内、外“类双曲线”有共同渐近线，“类双曲线”模型关于坐标轴“上下、左右”对称，则两组内、外“类双曲线”模型即有数学上的共轭关系，即判定该工程的岩层移动与地表沉降中存在共轭内、外“类双曲线”模型。
所述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法中，所述煤层1为近水平煤层，基岩3顶部存在一定厚度和范围的松散层5；所述的关键层4判定公式如下
式中，
下标i用来表示煤层上部的第i层岩层；q表示作用在关键层上的载荷；L表示岩层破断块体的长度；[σt]表示关键层的抗拉强度； E为岩层的弹性模量；hi为每层基岩的厚度；γ为岩层的容重。
所述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法中，所述的地表若岩层移动内、外“类双曲线”模型有共轭关系时，则描述岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型的地表移动和地表沉降角ξ有如下近似关系：
Claims (3)
1.一种岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据关键层判定公式，确定上覆岩层中是否存在关键层；若存在，则确定关键层所在的位置以及大小；
S2：进一步地，若上覆岩层中存在关键层，则煤层充分采动后覆岩的整体破断移动边界可用外“类双曲线”模型预测；
S3：根据关键层破断长度s，工作面的推进距离d，松散层高度H，每层基岩的厚度hi，基岩总岩层数k，不同基岩的初次垮落角和周期垮落角θ1i，θ2i以及厚松散层内摩擦角
建立外“类双曲线”模型，即
求得地表沉降范围D，即
式中，a，b为数学参数，物理意义表达如下
下标i为第i层基岩；k为基岩总岩层数；
S4：若确定的主关键层位置位于7～10倍采高以外，裂隙拱和冒落拱发育高度位于主关键层位置以下，则地表沉降与岩层移动上下对称两拱影响范围通过内“类双曲线”模型预测；
S5：类似于步骤S3，根据现场获得的相关参数通过内“类双曲线”模型，即
求得预计地表沉降移动最大值H1，即
式中，Ht为煤层埋深，计算公式如下
hi为每层基岩的厚度；m，n为数学参数，物理意义表达如下
S6：若岩层移动内、外“类双曲线”模型中物理参数a＝n；b＝m时，即内、外“类双曲线”有共同渐近线，并且关于模型坐标轴“上下、左右”对称；则两组内、外“类双曲线”模型有数学上的共轭关系，即判定矿井工程该岩层移动与地表沉降中可用共轭内、外“类双曲线”模型识别、评价。
2.根据权利要求1所述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其特征在于：所述煤层为近水平煤层，基岩顶部存在一定厚度和范围的松散层；所述的关键层判定公式如下
式中，
下标i用来表示煤层上部的第i层岩层；q表示作用在关键层上的载荷；L表示岩层破断块体的长度；[σt]表示关键层的抗拉强度；E为岩层的弹性模量；hi为每层基岩的厚度；γ为岩层的容重。
3.根据权利要求1所述的岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型判定方法，其特征在于：所述的岩层移动内、外“类双曲线”模型有共轭关系时，则描述岩层移动共轭内、外“类双曲线”模型的地表移动和地表沉降角ξ有如下近似关系：
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