CN114278301A - 一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，基于矿区地表沉陷特征规律，通过确定工作面的切顶动态控制手段达到控制地表沉陷的目的，即结合工作面顺槽断面选取合适的水力致裂设备，根据工作面的应力传递规律以及基本特征参数指定水力致裂点位置，充分有效地实施水力致裂措施，保证工作面冒落带充分冒落，同时切断了工作面回采应力传递源的同时，避免断裂带与弯曲下沉带之间形成离层区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，属于采矿工程领域。
背景技术
我国的矿山地质灾情十分严重，地下开采引起的地面沉陷又是矿区最常见的矿山地质灾害类型之一。在平原矿区，地面沉陷不仅造成地面房屋、交通设施、堤坝等构筑物的破坏，同时造成矿区土地质量下降或土地资源的破坏。
在煤炭开采过程中，采场上方岩层运动按运动的幅度与破坏程度，一般分为冒落带、断裂带和弯曲下沉带。“三带”形成的过程中，采空区上覆顶板岩层经历了①基本顶破断前的冒落，即煤层直接顶随采随冒；②基本顶回转压缩冒落矸石，即基本顶回转触及冒落矸石时，将冒落矸石的体积减小，冒落矸石上覆的自由空间加大，回转部分的岩体也随之滑移、下落，充满采空区；③基本顶回转运动趋于稳定，此时冒落矸石上覆的自由空间较小，上覆岩体不能冒落，只能出现弯曲下沉，挤压下部采空区冒落的岩体，使得冒落的岩体在自重和上覆载荷的共同作用下，缓慢压缩变形，采空区上覆地表的移动得到充分发育，达到最终稳定不变的状态。
但目前由于矿井地质条件的多变性以及工作面布置和开采速度等因素的影响，导致冒落带冒落不充分，断裂带与弯曲下沉带间存在一定程度的离层空间，这必将加重地表沉陷程度以及地表沉陷波及的范围。因此当前迫切需要寻求一种一方面可切断工作面回采应力传递源的方法，另一方面需促使冒落带冒落充分，断裂带与弯曲下沉带间不发生离层区域。
发明内容
本发明提供一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，切断了工作面回采应力传递源的同时，促使了冒落带充分冒落，避免断裂带与弯曲下沉带之间形成离层区域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：在开采前进行钻探，获取待采区的地质资料；
步骤S2：根据待采区的地质资料判断直接顶内是否具有结构性岩层，若有结构性岩层进行下一步，若不具有结构性岩层则结束控制方法；
步骤S3：经过步骤S2判断后在待采区的直接顶内具有结构性岩层，再次根据待采区的地质资料，应用关键层理论计算判定待采区基本顶具有的结构性岩层为基本顶主结构性岩层，直接顶具有的结构性岩层为直接顶亚结构性岩层；
步骤S4：结合待采区的地质资料以及关键层理论将待采区采煤工作面上覆岩层由下至上分为直接顶下部软弱岩层、直接顶亚结构性岩层、直接顶上部软弱岩层、基本顶主结构性岩层以及随动岩层；
步骤S5：根据待采区的地质资料，设定直接顶上部软弱岩层以及直接顶下部软弱岩层的冒落矸石初始碎胀系数k的取值范围；
步骤S6：结合待采区的地质资料以及施加水力致裂切顶的设计方案，确定待采区采煤工作面的开采速度；
步骤S7：根据步骤S6确定的开采速度，判断直接顶亚结构性岩层以及基本顶主结构性岩层位于上覆岩层的位置；
步骤S7：在未施加水力致裂切顶时，直接顶亚结构性岩层位于采空区断裂带，直接顶下部软弱岩层发生充分冒落，此时采空区的冒落高度设为H1，其中H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差；
步骤S8：结合待采区采煤工作面的顺槽断面选取致裂孔钻机、封孔器以及致裂器；
步骤S9：确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，在直接顶亚结构性岩层实施水力致裂，随着待采区采煤工作面回采，直接顶亚结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石施加冲击载荷，同时上覆的直接顶上部软弱岩层随动冒落，待顶亚结构性岩层破断以及直接顶上部软弱岩层随动冒落完成，此时确认采空区冒落带高度，设为H2；
步骤S10：随着水力致裂切顶的实施，直接顶亚结构性岩层以及直接顶上部软弱岩层的及时垮落形成冒落带，促使基本顶主结构性岩层位于采空区上方岩层弯曲下沉带内，此时基本顶主结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石继续施加载荷，随动岩层继续发生冒落，冒落带整体下沉，直至下沉趋于稳定，确定采空区最终冒落带高度，设为H3；
作为本发明的进一步优选，步骤SS4中，设定直接顶下部软弱岩层为h1，直接顶亚结构性岩层为h2，直接顶上部软弱岩层为h3，基本顶主结构性岩层为h4，随动岩层为h5；
作为本发明的进一步优选，步骤S5中，设定直接顶上部软弱岩层以及直接顶下部软弱岩层的冒落矸石初始碎胀系数k的取值范围为1.3-1.5；
作为本发明的进一步优选，步骤S7中，冒落高度计算公式为
其中，H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差，h1为直接顶下部软弱岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，γ1为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量；
作为本发明的进一步优选，步骤S9中，采空区冒落带高度计算公式为
H2＝H1+h2+h3k (2)
其中，H2为H1、直接顶亚结构性岩层的厚度以及直接顶上部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度之和，h2为直接顶亚结构性岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，h3为直接顶上部软弱岩层；
作为本发明的进一步优选，步骤S9中，确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，是结合矿井指定待采区采煤工作面的应力传递规律以及基本特征参数获取；
作为本发明的进一步优选，步骤S10中，确定采空区最终冒落带高度的计算公式为
其中，H3为采空区最终冒落带高度，γ为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，采用致裂设备进行致裂操作，可以保证冒落带充分冒落，进而避免因为断裂带与弯曲下沉带之间形成离层区域导致的地表加重沉陷；
2、本发明通过定点位置进行水力致裂，切断目标完整岩层，可以实现阻断工作面回采应力传递源的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的立体示意图。
图中：1为直接顶下部软弱岩层，2为直接顶亚结构性岩层，3为直接顶上部软弱岩层，4为基本顶主结构性岩层，5为随动岩层，6为地表覆岩，7为煤层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
基于背景技术中提出的由于矿井地质条件的多变性以及工作面布置和开采速度等因素的影响，导致冒落带冒落不充分，最终使得断裂带与弯曲下沉带之间存在一定程度的离层空间，导致地表沉陷程度的加重，并且扩大了地表沉陷波及的范围。
因此本申请提供了可以解决上述难题的方法，具体为一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其基于的原理就是通过施加水力致裂切顶操作，实现冒落带的充分冒落，将冒落带整体下沉快速趋于稳定，此时获取的冒落带高度即为通过本申请提供的方法获取的最终实施高度。
具体包括以下步骤：
步骤S1：在开采前进行钻探，获取待采区的地质资料。
步骤S2：根据待采区的地质资料判断直接顶内是否具有结构性岩层，若有结构性岩层进行下一步，若不具有结构性岩层则结束控制方法。
步骤S3：经过步骤S2判断后在待采区的直接顶内具有结构性岩层，再次根据待采区的地质资料，应用关键层理论计算判定待采区基本顶具有的结构性岩层为基本顶主结构性岩层4(主关键层)，直接顶具有的结构性岩层为直接顶亚结构性岩层2(亚关键层)。
步骤S4：结合待采区的地质资料以及关键层理论将待采区采煤工作面上覆岩层由下至上分为直接顶下部软弱岩层1、直接顶亚结构性岩层、直接顶上部软弱岩层3、基本顶主结构性岩层以及随动岩层5；在随动岩层的上方如图1所示为地表覆岩6，直接顶下部软弱岩层的下方即为煤层7；这里设定直接顶下部软弱岩层为h1，直接顶亚结构性岩层为h2，直接顶上部软弱岩层为h3，基本顶主结构性岩层为h4，随动岩层为h5。
步骤S5：根据待采区的地质资料，设定直接顶上部软弱岩层以及直接顶下部软弱岩层的冒落矸石初始碎胀系数k的取值范围为1.3-1.5。
步骤S6：结合待采区的地质资料以及施加水力致裂切顶的设计方案，确定待采区采煤工作面的开采速度。
步骤S7：根据步骤S6确定的开采速度，判断直接顶亚结构性岩层以及基本顶主结构性岩层位于上覆岩层的位置。
步骤S7：在未施加水力致裂切顶时，直接顶亚结构性岩层位于采空区断裂带，直接顶下部软弱岩层发生充分冒落，此时采空区的冒落高度设为H1，其中H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差；
计算公式为
其中，H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差，h1为直接顶下部软弱岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，γ1为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量。
步骤S8：结合待采区采煤工作面的顺槽断面选取致裂孔钻机、封孔器以及致裂器等水力致裂设备；在选取水力致裂设备之前，需要讲一下为何要通过水力致裂设备进行致裂操作，即为本申请的第一个创新点所在，由于直接顶存在结构性岩层，促使冒落带冒落不充分，进而导致断裂带和弯曲下沉带间存在离层空间，最终导致加重地表沉陷；因此需要通过致裂操作推进其冒落带冒落，以尽快达到稳定状态。
步骤S9：结合矿井指定待采区采煤工作面的应力传递规律以及基本特征参数获取确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，最终在直接顶亚结构性岩层实施水力致裂，随着待采区采煤工作面回采，直接顶亚结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石施加冲击载荷，同时上覆的直接顶上部软弱岩层随动冒落，待顶亚结构性岩层破断以及直接顶上部软弱岩层随动冒落完成，此时确认采空区冒落带高度，设为H2；
计算公式为
H2＝H1+h2+h3k (2)
其中，H2为H1、直接顶亚结构性岩层的厚度以及直接顶上部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度之和，h2为直接顶亚结构性岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，h3为直接顶上部软弱岩层。
步骤S10：随着水力致裂切顶的实施，直接顶亚结构性岩层以及直接顶上部软弱岩层的及时垮落形成冒落带，促使基本顶主结构性岩层位于采空区上方岩层弯曲下沉带内，此时基本顶主结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石继续施加载荷，随动岩层继续发生冒落，冒落带整体下沉，直至下沉趋于稳定，这里即涉及到本申请的第二个创新点，正常工作面回采过程中伴随着超前支承应力和侧向支承应力，因此应力的传递是通过完整岩层传播的，但是在未进行水力致裂切顶操作前，尤其工作面回采过程直接顶的完整岩层会发生O-X破断，进而发生断裂，释放应力，此时深部岩层仍然保持完整状态，形成了完整的应力传播途径，当实施了本步骤中进一步的水力致裂切顶操作后，即可切断目标完整岩层，应力的传递途径被切断，进而达到宏观的地表沉陷的目的；
继续确定图1中中间虚线区域即为采空区最终冒落带高度，设为H3；
确定采空区最终冒落带高度的计算公式为
其中，H3为采空区最终冒落带高度，γ为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量。
通过上述阐述的控制地表沉陷方法，可以通过计算最终冒落带高度，准确控制或者获取地表沉陷状态。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：在开采前进行钻探，获取待采区的地质资料；
步骤S2：根据待采区的地质资料判断直接顶内是否具有结构性岩层，若有结构性岩层进行下一步，若不具有结构性岩层则结束控制方法；
步骤S3：经过步骤S2判断后在待采区的直接顶内具有结构性岩层，再次根据待采区的地质资料，应用关键层理论计算判定待采区基本顶具有的结构性岩层为基本顶主结构性岩层，直接顶具有的结构性岩层为直接顶亚结构性岩层；
步骤S4：结合待采区的地质资料以及关键层理论将待采区采煤工作面上覆岩层由下至上分为直接顶下部软弱岩层、直接顶亚结构性岩层、直接顶上部软弱岩层、基本顶主结构性岩层以及随动岩层；
步骤S5：根据待采区的地质资料，设定直接顶上部软弱岩层以及直接顶下部软弱岩层的冒落矸石初始碎胀系数k的取值范围；
步骤S6：结合待采区的地质资料以及施加水力致裂切顶的设计方案，确定待采区采煤工作面的开采速度；
步骤S7：根据步骤S6确定的开采速度，判断直接顶亚结构性岩层以及基本顶主结构性岩层位于上覆岩层的位置；
步骤S7：在未施加水力致裂切顶时，直接顶亚结构性岩层位于采空区断裂带，直接顶下部软弱岩层发生充分冒落，此时采空区的冒落高度设为H1，其中H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差；
步骤S8：结合待采区采煤工作面的顺槽断面选取致裂孔钻机、封孔器以及致裂器；
步骤S9：确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，在直接顶亚结构性岩层实施水力致裂，随着待采区采煤工作面回采，直接顶亚结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石施加冲击载荷，同时上覆的直接顶上部软弱岩层随动冒落，待顶亚结构性岩层破断以及直接顶上部软弱岩层随动冒落完成，此时确认采空区冒落带高度，设为H2；
步骤S10：随着水力致裂切顶的实施，直接顶亚结构性岩层以及直接顶上部软弱岩层的及时垮落形成冒落带，促使基本顶主结构性岩层位于采空区上方岩层弯曲下沉带内，此时基本顶主结构性岩层发生破断，向采空区冒落矸石继续施加载荷，随动岩层继续发生冒落，冒落带整体下沉，直至下沉趋于稳定，确定采空区最终冒落带高度，设为H3。
2.根据权利要求1所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤SS4中，设定直接顶下部软弱岩层为h1，直接顶亚结构性岩层为h2，直接顶上部软弱岩层为h3，基本顶主结构性岩层为h4，随动岩层为h5。
3.根据权利要求2所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤S5中，设定直接顶上部软弱岩层以及直接顶下部软弱岩层的冒落矸石初始碎胀系数k的取值范围为1.3-1.5。
4.根据权利要求3所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤S7中，冒落高度计算公式为
其中，H1为直接顶下部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度与冒落矸石自重压缩变形量之差，h1为直接顶下部软弱岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，γ1为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量。
5.根据权利要求4所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤S9中，采空区冒落带高度计算公式为
H2＝H1+h2+h3k (2)
其中，H2为H1、直接顶亚结构性岩层的厚度以及直接顶上部软弱岩层冒落形成的冒落矸石厚度之和，h2为直接顶亚结构性岩层，k为冒落矸石初始碎胀系数，h3为直接顶上部软弱岩层。
6.根据权利要求5所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤S9中，确定待采区施加水力致裂切顶的致裂点位置，是结合矿井指定待采区采煤工作面的应力传递规律以及基本特征参数获取。
7.根据权利要求5所述的基于水力致裂切顶动态控制地表沉陷方法，其特征在于：步骤S10中，确定采空区最终冒落带高度的计算公式为
其中，H3为采空区最终冒落带高度，γ为冒落矸石容重，E为冒落矸石压缩模量。
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