CN114075985B - 基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构，该保护方法包括：步骤S10：获取煤层埋深以及开采工作面上覆岩层的各层厚度与其他力学参数；步骤S20：根据上覆岩层的各层厚度，确定煤层与隔水层之间的距离，即压力拱发育到隔水层时的矢高；步骤S30：根据矢高，确定压力拱发育到隔水层时的极限跨度；步骤S40：根据煤层埋深与极限跨度，确定压力拱的单侧拱脚的宽度；步骤S50：根据单侧拱脚的宽度，确定压力拱的复合拱脚的宽度；步骤S60：当开采工作面推进一个极限跨度的距离时，构筑出一个复合拱脚。基于本发明的技术方案，通过构筑人工支撑体形成连跨拱壳型的支撑结构，实现覆岩破坏高度的控制，达到保护含水层和隔水层的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采水资源保护技术领域，特别地涉及一种基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚建造方法及拱脚结构。
背景技术
煤炭开采后在上覆岩层中形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带等不同分区特征的破坏岩体，往往会引起地下含水层的破坏。
目前解决煤炭开采对地下水资源影响的途径主要有两种：一是聚焦开采对地下水的影响，研究了煤炭开采后上覆岩层中“三带”高度计算表达式，提出了充填开采、限高开采、房柱式开采等以保护隔水层为核心的保水开采技术。二是基于煤炭采前、采中和采后的地下水运移规律，提出了以“导储用”为特点的地下水库储水技术。第一种途径虽然能保护隔水层稳定，实现地下水资源的原位保护，但是生产工艺复杂、开采效率低、煤炭资源损失严重，无法在西部矿区有效实施。第二种途径虽然实现了煤炭资源的高效开采和地下水资源的保护利用，但是未能实现地下水资源的原位保护，对地表生态会产生影响。
因此，需要提出一种全新的技术手段，实现在克服以上现有技术缺陷的前提下有效保护隔水层和含水层。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构，通过构筑人工支撑体，使人工支撑体与覆岩形成连跨拱壳型的支撑结构，从而实现控制覆岩破坏高度，达到在煤炭开采时有效保护含水层和隔水层的目的。
本发明的一种基于压力拱的隔水层保护方法，包括：
步骤S10：获取煤层埋深H以及开采工作面上覆岩层的各层厚度与力学参数；
步骤S20：根据所述上覆岩层的各层厚度，确定所述煤层与隔水层之间的距离h0，所述煤层与隔水层之间的距离h0即压力拱发育到所述隔水层时的矢高；
步骤S30：根据所述矢高，确定所述压力拱发育到所述隔水层时的极限跨度l0；
步骤S40：根据所述煤层埋深与所述极限跨度，确定所述压力拱的单侧拱脚的宽度d1；
步骤S50：根据所述单侧拱脚的宽度，确定所述压力拱的复合拱脚的宽度d0，d0＝2d1，所述复合拱脚对应两个相邻所述压力拱中相邻且相连为整体的两个单侧拱脚；
步骤S60：当所述开采工作面推进一个所述极限跨度的距离时，在所述开采工作面的底板上通过混凝土浇筑出一个作为两个相邻所述压力拱一侧拱脚的复合拱脚，所述复合拱脚的顶部接触所述开采工作面的顶板。
在一个实施方式中，步骤S30中，所述极限跨度根据以下公式确定：
其中，l为压力拱的跨度、h为压力拱的矢高、λ为岩层的侧压系数。
在一个实施方式中，步骤S30包括以下步骤：
步骤S31：考虑岩层为硬层岩时，确定极限跨度其中λ1为硬岩层的测压系数；
步骤S32：考虑岩层为软层岩时，确定极限跨度其中λ2为软岩层的测压系数；
步骤S33：考虑岩层为中硬岩层时，确定极限跨度l3＝(l1+l2)/2；
步骤S34：根据开采工作面所述上覆岩层实际赋存软硬情况结合l1、l2与l3的值，通过插值法确定所述极限跨度l′0。
在一个实施方式中，步骤S34后，还包括：
步骤S35：考虑安全因素，增加安全系数η1，则所述极限跨度l0＝l′0/η1。
在一个实施方式中，步骤S40包括以下步骤：
步骤S41：根据以下公式确定所述压力拱单侧拱脚的受力：
其中，F为所述压力拱单侧拱脚的受力，γ为所述压力拱拱顶上方岩层的平均容重；
步骤S42：根据以下公式确定所述压力拱单侧拱脚的宽度：
其中，σ为混凝土浇筑材料的强度。
在一个实施方式中，步骤S50中，还包括：
考虑安全因素，增加安全系数η2，则所述复合拱脚的宽度d0＝2η2d1。
本发明的一种拱脚构筑方法，其应用于上述基于压力拱的隔水层保护方法，包括：
步骤a：当开采工作面推进一个极限跨度的距离时，在液压支架后方的采空区放置由钢筋构成的钢筋框架；
步骤b：将在地面按一定比例混合好的混凝土运送至所述开采工作面上的相应位置并喷射在钢筋框架上；
步骤c：随着所述开采工作面的推进，不断的放置钢筋框架并喷射混凝土，直至喷射的混凝土的宽度达到复合拱脚的宽度，所述混凝土凝固后形成所述复合拱脚。
步骤d：所述开采工作面每推进一个极限跨度的距离，就通过放置钢筋框架与喷射混凝土建造一个压力拱的所述复合拱脚，直至所述开采工作面开采完。
在一个实施方式中，步骤a中，还包括：
在放置所述钢筋框架前，在液压支架后方的采空区进行敲帮问顶，并清除液压支架后方底板上对应所述钢筋框架放置处的浮矸。
在一个实施方式中，步骤c中，所述钢筋框架的宽度等于采煤机的截深，所述开采工作面每向前推进一个截深的距离，放置一次钢筋框架并喷射一次混凝土。
本发明的一种拱脚结构，其应用于上述拱脚构筑方法，包括：
钢筋主框架，所述钢筋主框架由多个钢筋框架组成，所述钢筋框架的长度等于开采工作面的长度、宽度等于采煤机的截深、高度等于开采工作面的顶板与底板之间的距离；以及
混凝土浇筑层，所述混凝土浇筑层由混凝土包裹在钢筋主框架上形成。
在一个实施方式中，所述钢筋框架由多个单元框架组成，所述单元框架由多个并列等间距分布的钢筋网片与连接所述多个钢筋网片的连接钢筋组成；
其中，所述钢筋网片上的钢筋向四周均延伸出有第一连接部，所述连接钢筋的两端均延伸出有第二连接部，所述钢筋框架中的相邻的所述单元框架通过所述第一连接部与所述第二连接部连接。
在一个实施方式中，所述单元框架的宽度等于采煤机的截深。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
本发明的一种基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构，根据岩层移动变形和结构随开采的演化特征，结合结构力学并通过科学计算，逐段构筑人工支撑体，使人工支撑体作为压力拱的支撑拱脚与覆岩形成连跨拱壳型的支撑结构，从而实现覆岩破坏高度的控制，达到保护含水层和隔水层的目的，实现煤炭开采过程中地下水资源的原位保护。
同时，通过本发明的技术方案，煤炭开采过程中无需留煤柱来支撑上覆岩层，进而避免开采过程中工作面的搬移，提高了煤炭资源的回收率。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的保护方法的压力拱随着工作面推进的结构变化图；
图2显示了图1中第三个状态下工作面的仰视图；
图3显示了本发明的拱脚结构中的钢筋框架的结构示意图；
图4显示了图3所示钢筋框架中的钢筋网片的结构示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-地表，2-土壤含水层，3-基岩含水层，4-隔水层，5-压力拱，51-复合拱脚，6-采空区，7-煤层，8-单元框架，81-钢筋网片，811-第一连接部，82-连接钢筋，821-第二连接部。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
附图图1所示，煤炭开采后上覆岩层垮落范围大体上呈拱形，岩层中存在压力拱5，压力拱5结构支撑了拱上方的岩层。随着开采工作面的继续推进，上覆岩层垮落的范围和高度增大，同时拱脚前移拱高增加。当开采范围超过一定值时，压力拱5的高度会超过基岩层的厚度，此时基岩层中不能形成压力拱5，则基岩层全部垮落并伴随上覆松散层跟随下沉。
根据煤层7开采过程中上覆岩层垮落的特点，本发明的目的是当压力拱5拱顶刚达到隔水层4时，在液压支架后方喷射混凝土形成一个支撑体，相当于再造压力拱5的拱脚，其中压力拱5的拱脚宽度和强度要能满足上覆岩层稳定要求。随着工作面的继续推进，上覆岩层中形成新的压力拱5，同样地，在拱顶刚达到隔水层4时再造对应的压力拱5的拱脚，重复进行直至工作面开采完，如附图图1所示。由于岩层中有多个压力拱5存在，能起到支撑上覆岩层，减小隔水层4、基岩含水层3、土壤含水层2直至地表1的岩层下沉，实现地下水资源的原位保护。
选择在压力拱5拱顶刚达到隔水层4时进行拱脚再造，既能控制上覆岩层下沉，保护地下水资源，又能最大程度上减少拱脚再造个数。
本发明的一种基于压力拱的隔水层保护方法，包括：
步骤S10：获取煤层埋深H以及开采工作面上覆岩层的各层厚度与力学参数；
力学参数包括相应地层的侧压系数λ以及上覆岩层的容重γ等。
步骤S20：根据上覆岩层的各层厚度，确定煤层与隔水层之间的距离h0，煤层与隔水层之间的距离h0即压力拱发育到隔水层时的矢高；
当压力拱的拱顶刚好发展到隔水层时，此时压力拱的矢高就是煤层与隔水层之间各岩层的厚度之和，也是极限矢高，压力拱的矢高一旦超过该极限矢高，压力拱的结构就将瓦解。
步骤S30：根据矢高，确定压力拱发育到隔水层时的极限跨度l0，压力拱的跨度、矢高以及岩层的侧压系数三者存在以下关系：
可以根据上述关系，通过压力拱发育到隔水层时的矢高(极限矢高)h0的值计算确定极限跨度l0的值，具体计算步骤：
步骤S31：考虑岩层为硬层岩时，确定极限跨度其中λ1为硬岩层的测压系数；
步骤S32：考虑岩层为软层岩时，确定极限跨度其中λ2为软岩层的测压系数；
步骤S33：考虑岩层为中硬岩层时，确定极限跨度l3＝(l1+l2)/2；
步骤S34：根据开采工作面上覆岩层实际赋存软硬情况结合l1、l2与l3的值，通过插值法确定极限跨度l′0；
步骤S35：考虑安全因素，增加安全系数η1，则所述极限跨度l0＝l′0/η1。
由于开采工作面上覆岩层具备多个岩层，岩层的软硬度不同，所以其岩层的侧压系数λ不同，先通过上述跨度计算公式计算出硬层岩、软层岩以及中硬岩层对应的极限跨度值l1、l2与l3，然后根据实际的开采工作面上覆岩层的软硬分布情况，通过插值法结合l1、l2与l3计算确定极限跨度l′0。
压力拱的该极限跨度l′0是理论值，其对应的压力拱的矢高即为极限矢高h0，而该极限矢高h0代表的是压力拱的拱顶刚好发展到隔水层的下部，这是理论上的临界状态。实际应用过程中，压力拱的拱顶与隔水层的下部之间具有一定的安全距离，避免压力拱发展至隔水层中的风险。所以增加安全系数η1，该安全系数η1的值大于1，进而极限跨度的实际值、也是开采工作面对应一个压力拱的合理推进距离的值l0是小于理论值l′0的。
此外，也可以根据实际情况进一步减小l0，这样可以使得压力拱尺寸更小、结构更加稳定、安全性更高，但是需要相应增加拱脚的构筑数量。
步骤S40：根据煤层埋深与极限跨度，确定压力拱的的宽度d1；
单侧拱脚的宽度d1主要根据单侧拱脚的受力与构筑材料的强度来确定，构筑材料一般采用混凝土，故需要确定混凝土的强度。计算确定单侧拱脚的宽度d1的具体步骤如下：
步骤S41：根据以下公式确定压力拱单侧拱脚的受力：
其中，F为压力拱单侧拱脚的受力，γ为压力拱拱顶上方岩层的平均容重；
平均容重γ根据拱顶上方岩层各岩层的容重来确定。
步骤S42：根据以下公式确定压力拱单侧拱脚的宽度：
其中，σ为混凝土浇筑材料的强度。
步骤S50：根据单侧拱脚的宽度，确定压力拱的复合拱脚的宽度d0，d0＝2d1，考虑安全因素，增加安全系数η2，则复合拱脚的宽度d0＝2η2d1，复合拱脚对应两个相邻压力拱中相邻且相连为整体的两个单侧拱脚；
如附图图1所示，岩层中的压力拱是随着开采工作面的推进连续形成的，两个相邻的压力拱中相邻的两个拱脚是连接为一个整体的，是为复合拱脚。
复合拱脚的宽度理论上等于单侧拱脚宽度的两倍，但是实际应用中，考虑安全因素，复合拱脚的强度不能仅仅刚好满足要求，需要进一步提高其强度，而通过增大复合拱脚的宽度就能提高其强度。故增加安全系数η2，该安全系数η2的值大于1，所以复合拱脚的实际宽度d0＝2η2d1，其在数值上大于单侧拱脚宽度的两倍。
步骤S60：当开采工作面推进一个极限跨度的距离时，在开采工作面的底板上通过混凝土浇筑出一个作为两个相邻压力拱一侧拱脚的复合拱脚，复合拱脚的顶部接触开采工作面的顶板。
如附图图1与图2所示，岩层中的压力拱随着开采工作面的推进而连续形成，两个相邻的复合拱脚之间的距离即为压力拱的极限跨度l0，所以构筑一个复合拱脚后，在开采工作面推进一个极限跨度的距离时，需要进行下一个复合拱脚的构筑。构筑时，需要将开采工作面继续推进一段数值上等于复合拱脚宽度的距离，以此为复合拱脚的构筑提供空间，构筑后的复合拱脚位于开采工作面的顶板与底板之间，且其顶部接触顶板，作为支撑件在岩层中形成一个完整的压力拱。
本发明的一种拱脚构筑方法，其应用于上述的基于压力拱的隔水层保护方法，包括：
步骤a：当开采工作面推进一个极限跨度的距离时，在液压支架后方的采空区进行敲帮问顶，并清除液压支架后方底板上的浮矸，在液压支架后方的采空区对应位置放置由钢筋构成的钢筋框架；
步骤b：将在地面按一定比例混合好的混凝土运送至开采工作面上的相应位置并喷射在钢筋框架上；
步骤c：随着开采工作面的推进，不断的放置钢筋框架并喷射混凝土，直至喷射的混凝土的宽度达到复合拱脚的宽度，混凝土凝固后形成复合拱脚。
复合拱脚不是一次性构筑完成的，是随着开采工作面的推进而逐渐构筑的，直至达到预定宽度。
优选地，钢筋框架的宽度等于采煤机的截深，开采工作面每向前推进一个截深的距离，放置一次钢筋框架并喷射一次混凝土。
开采工作面的推进实际上取决于采煤机的推进，而采煤机具备一定截深，截深可以看做是采煤机一次推进的距离。故将钢筋框架的宽度设置为等于采煤机的截深，即采煤机推进一次，就下放一次钢筋框架并喷射一次混凝土，形成一个有序的构筑过程，方便复合拱脚的构筑操作。
优选地，在钢筋框架四周绑扎细孔塑料网，防止喷射的混凝土外泄。
步骤d：开采工作面每推进一个极限跨度的距离，就通过放置钢筋框架与喷射混凝土建造一个压力拱的复合拱脚，直至开采工作面开采完。
开采工作面每推进一个极限跨度的距离中的距离是相对上一个复合拱脚的距离或相对于开采工作面的起点的距离。
本发明的一种拱脚结构，其应用于上述的拱脚构筑方法，包括：
钢筋主框架，钢筋主框架由多个钢筋框架组成，钢筋框架的长度等于开采工作面的长度、宽度等于采煤机的截深、高度等于开采工作面的顶板与底板之间的距离；以及
混凝土浇筑层，混凝土浇筑层由混凝土包裹在钢筋主框架上形成。
具体地，钢筋主框架对应复合拱脚51的整体框架，由多个长方体装的钢筋框架组成，钢筋框架由多根#8钢筋通过#16双股铅丝绑扎连接而成。混凝土浇筑层采用速凝混凝土。
在一个实施例中，钢筋框架有多个单元框架8组成，单元框架8由多个并列等间距分布的钢筋网片81与连接多个钢筋网片81的连接钢筋82组成；
其中，钢筋网片81上的钢筋向四周均延伸出有第一连接部811，连接钢筋82的两端均延伸出有第二连接部821，钢筋框架中的相邻的单元框架8通过第一连接部811与第二连接部821连接。
具体地，如附图图3与图4所示，本实施例中，单元框架8由5个钢筋网片81组成，相邻钢筋网片81之间的间距为0.5m，每个单元框架8长2m、高1m，钢筋网片81上的钢筋排列间距为100mm。连接钢筋82具有多根，连接钢筋82分为位于钢筋网片81沿采煤机截深方向的两侧的两排，两排连接钢筋82之间的距离为0.5m。第二连接部821的长度为0.5m。
优选地，所述单元框架8的宽度等于采煤机的截深。
具体地，单元框架8的宽度等于钢筋框架的宽度并均等于采煤机的截深，这样在通过多个单元框架8组成钢筋框架时，宽度方向的尺寸只需要一个单元框架8即可满足，高度方向或长度方向的尺寸需要多个单元框架8来满足，进而不用再宽度方向组装多个单元框架8，减小钢筋框架的组装工作量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于压力拱的隔水层保护方法，其特征在于，包括：
步骤S10：获取煤层埋深H以及开采工作面上覆岩层的各层厚度与力学参数；
步骤S20：根据所述上覆岩层的各层厚度，确定所述煤层与隔水层之间的距离h0，所述煤层与隔水层之间的距离h0即压力拱发育到所述隔水层时的矢高；
步骤S30：根据所述矢高，确定所述压力拱发育到所述隔水层时的极限跨度l0，所述极限跨度根据以下公式确定：
其中，l为压力拱的跨度、h为压力拱的矢高、λ为岩层的侧压系数；
步骤S40：根据所述煤层埋深与所述极限跨度，确定所述压力拱的单侧拱脚的宽度d1；
步骤S41：根据以下公式确定所述压力拱单侧拱脚的受力：
其中，F为所述压力拱单侧拱脚的受力，γ为所述压力拱拱顶上方岩层的平均容重；
步骤S42：根据以下公式确定所述压力拱单侧拱脚的宽度：
其中，σ为混凝土浇筑材料的强度；
步骤S50：根据所述单侧拱脚的宽度，确定所述压力拱的复合拱脚的宽度d0，d0＝2d1，所述复合拱脚对应两个相邻所述压力拱中相邻且相连为整体的两个单侧拱脚；
步骤S60：当所述开采工作面推进一个所述极限跨度的距离时，在所述开采工作面的底板上通过混凝土浇筑出一个作为两个相邻所述压力拱一侧拱脚的复合拱脚，所述复合拱脚的顶部接触所述开采工作面的顶板。
2.根据权利要求1所述的基于压力拱的隔水层保护方法，其特征在于，步骤S30包括以下步骤：
步骤S31：考虑岩层为硬层岩时，确定极限跨度其中λ1为硬岩层的测压系数；
步骤S32：考虑岩层为软层岩时，确定极限跨度其中λ2为软岩层的测压系数；
步骤S33：考虑岩层为中硬岩层时，确定极限跨度l3＝(l1+l2)/2；
步骤S34：根据开采工作面所述上覆岩层实际赋存软硬情况结合l1、l2与l3的值，通过插值法确定所述极限跨度l′0。
3.根据权利要求2所述的基于压力拱的隔水层保护方法，其特征在于，步骤S34后，还包括：
步骤S35：考虑安全因素，增加安全系数η1，则所述极限跨度l0＝l′0/η1。
4.根据权利要求1所述的基于压力拱的隔水层保护方法，其特征在于，步骤S50中，还包括：
考虑安全因素，增加安全系数η2，则所述复合拱脚的宽度d0＝2η2d1。
5.一种拱脚构筑方法，其应用于如权利要求1至4任一项所述的保护方法，其特征在于，包括：
步骤a：当开采工作面推进一个极限跨度的距离时，在液压支架后方的采空区放置由钢筋构成的钢筋框架；
步骤b：将在地面按一定比例混合好的混凝土运送至所述开采工作面上的相应位置并喷射在钢筋框架上；
步骤c：随着所述开采工作面的推进，不断的放置钢筋框架并喷射混凝土，直至喷射的混凝土的宽度达到复合拱脚的宽度，所述混凝土凝固后形成所述复合拱脚；
步骤d：所述开采工作面每推进一个极限跨度的距离，就通过放置钢筋框架与喷射混凝土建造一个压力拱的所述复合拱脚，直至所述开采工作面开采完。
6.根据权利要求5所述的拱脚构筑方法，其特征在于，步骤a中，还包括：
在放置所述钢筋框架前，在液压支架后方的采空区进行敲帮问顶，并清除液压支架后方底板上对应所述钢筋框架放置处的浮矸。
7.根据权利要求5或6所述的拱脚构筑方法，其特征在于，步骤c中，所述钢筋框架的宽度等于采煤机的截深，所述开采工作面每向前推进一个截深的距离，放置一次钢筋框架并喷射一次混凝土。
8.一种拱脚结构，其应用于如权利要求5至7任一项所述的拱脚构筑方法，其特征在于，所述拱脚结构包括：
钢筋主框架，所述钢筋主框架由多个钢筋框架组成，所述钢筋框架的长度等于开采工作面的长度、宽度等于采煤机的截深、高度等于开采工作面的顶板与底板之间的距离；以及
混凝土浇筑层，所述混凝土浇筑层由混凝土包裹在钢筋主框架上形成。
9.根据权利要求8所述的拱脚结构，其特征在于，所述钢筋框架由多个单元框架组成，所述单元框架由多个并列等间距分布的钢筋网片与连接所述多个钢筋网片的连接钢筋组成；
其中，所述钢筋网片上的钢筋向四周均延伸出有第一连接部，所述连接钢筋的两端均延伸出有第二连接部，所述钢筋框架中的相邻的所述单元框架通过所述第一连接部与所述第二连接部连接。
10.根据权利要求9所述的拱脚结构，其特征在于，所述单元框架的宽度等于采煤机的截深。
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