CN114329922A - 基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿山开采技术领域，涉及基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，在考虑了覆岩岩体结构、岩体物理力学参数及矿层埋深等因素对导水裂隙带发育高度的影响，获取冒落带高度H_i，并采用“三铰拱结构”力学模型和损伤力学理论，计算顶板岩层三铰拱结构等效挤压强度和顶板岩层三铰拱结构等效承载力，基于这两个参数来构建基于有效应力的三铰拱力学结构安全系数临界值k；令k＝1，计算三铰拱结构极限下沉值S_i值；最后，当S_i+1＞H_i时，说明第i+1层顶板最先出现非贯通裂缝，即导水裂隙带最大高度将至第i+1层顶板底界面，由此确定采空层覆岩导水裂隙带最大高度值，且该数值更加趋近于实际值，结果可靠，实用性强。

Description

基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法

技术领域

本发明属于矿山开采技术领域，涉及导水裂隙带高度的确定，具体涉及一种基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法。

背景技术

我国大约有三分之一的煤矿以及绝大部分的其它矿种埋藏于山区，导水裂隙带发育高度不仅影响矿井水害防治，而且在山区由于其向上发育不断靠近危岩体基座，继而引起上部山体发生明显不均匀沉降产生偏心压力，降低上覆山体的稳定性；甚至由于山体变形强烈，常诱发群死群伤的重大地质灾害事故。据统计，每年因地下采矿引发的崩滑灾害造成的直接经济损失高达数百亿元，因此精确预计导水裂隙带发育高度对于指导山区地下采矿引发的地质灾害防治具有重要意义。

目前，导水裂隙带高度确定方法有经验公式法，经验公式法是依据国家现行2017年版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，将煤层顶板岩性划分为坚硬、中硬、软弱、极软弱四类，再分别依据煤层厚度给出不同顶板岩性的导水裂隙带高度经验公式。但考虑到山区实际地下采空区上覆岩体往往是一种存在多组结构面的损伤介质，其岩体强度受结构面密度影响较大，而在经验公式法中，煤层顶板岩性被模糊地表述为坚硬、中硬等四类，不足以体现顶板覆岩实际结构特征，且对岩体结构、岩体精确的物理力学参数(如岩体强度和岩体碎胀性等)、矿层埋深等其它影响参数并未考虑，在特定开采地质条件下，会导致预计的导水裂隙带高度与实际偏差很大，而覆岩裂隙带发育高度的增大将严重降低危岩体基座稳定性，继而影响整个山体的稳定性，从而诱发一系列重大地质灾害的发生，给矿井安全生产以及地质灾害防治带来极大威胁和隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，以克服现有“三下”规范计算导水裂隙带高度的传统经验公式由于考虑参数较为单一，不同地区、矿区应用计算结果误差较大，无法适用于不同地区矿井安全生产及地质灾害防治的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对采空层顶板岩层自下而上编号为i＝0，1，2，3，…，n，定义第i层顶板岩层厚度为h_i；

步骤2、获取待采工作面所在井田工作面覆岩的地质采矿参数；

步骤3、获取采场自由空间高度H_i及采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i；

步骤4、确定覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位i：若S_i+1-H_i＞0，则第i层是导水裂隙带发育的最高层位，否则，令i＝i+1，转入步骤2；

步骤5、根据采空层覆岩导水裂隙带最大高度计算模型计算采空层覆岩导水裂隙带最大高度值Z。

进一步，所述步骤2中的地质采矿参数包括顶板岩层厚度h_i，顶板岩层节理间距l_j，顶板岩层碎胀系数k_pi，顶板岩层损伤因子D，覆岩泊松比μ，断裂顶板埋深w，覆岩重度γ，覆岩岩体单轴抗压强度σ_c。

进一步，所述地质采矿参数通过野外调查和矿山相应采区的地层综合柱状图，并进行岩体物理力学试验得到。

进一步，所述步骤3中采场自由空间高度H_i的计算公式如下：

式(1)中，M为矿层厚度；h₀为直接顶岩层垮落厚度；h₁为第一层顶板岩层垮落厚度；h_i为第i层顶板岩层垮落厚度；

为第i层顶板碎胀系数；

为第i层顶板垮落后堆积体高度。

进一步，所述步骤3中获取采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i的具体步骤如下：

步骤3.1、根据步骤2中的地质采矿参数，计算两破断岩块间等效挤压强度σ_LC、等效承载应力σ_RC：

式(2)中，T为三铰拱结构两破断岩块间水平推力；矩形S_CC′DD′为两破断岩块间挤压损伤接触面面积；G_ij为岩块①重量，G_ij＝γ·h_i·l_j·b，其中b为采场宽度；S_i为三铰拱结构下沉值；

式(3)中，σ₁为接触面区域第1主应力，其方向为两岩块间相互挤压方向；

步骤3.2、构建基于有效应力k的计算模型：

式(4)中，σ_LC为三铰拱结构两破断岩块间等效挤压强度，σ_RC为三铰拱结构两破断岩块间等效承载应力；

步骤3.3、结合(2)和式(3)，令式(4)中k＝1，获取采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i计算公式：

步骤3.4、将步骤2中的地质采矿参数数据代入公式(5)中，利用Mathematica软件计算得到采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i的值。

进一步，所述步骤5中采空层覆岩导水裂隙带最大高度计算模型的计算公式如下：

式(6)中，Z为覆岩导水裂隙带最大高度，h_i为第i层顶板岩层厚度，i的取值为步骤5中确定的覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：这种导水裂隙带高度确定方法，不仅考虑了采矿厚度对导水裂隙带发育高度的影响，而且还考虑了覆岩岩体结构(岩层厚度、节理间距)、岩体物理力学参数(如岩体强度和岩体碎胀性等)及矿层埋深等因素对导水裂隙带发育高度的影响，该计算方法和计算参数更加贴近于实际的采矿地质条件，计算值更加趋近于实际值，其可靠性得到了工程实测的验证。

简而言之，本发明提供的这种导水裂隙带高度确定方法，提高了覆岩导水裂隙带高度的预计精度，且计算结果能够为采空层上覆山体地质灾害防治和矿区安全生产提供重要数据支撑，结果可靠，实用性强。

附图说明

图1为本发明提供的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度预计方法的流程图；

图2为矿层开采过程中覆岩顶板变形破坏的示意图；

图3为实施例1中采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i的获取流程示意图；

图4为实施例1中提供的甑子岩危岩体底部采空层覆岩导水裂隙带高度的对比示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。

以西南云贵高原山区为例，该地区矿层具有矿层埋深浅、开采厚度薄等特点，随着西部经济建设的快速发展，能源需求量剧增，该地区薄矿层开采规模不断扩大，且通过全部垮落法管理顶板，地下采空往往导致上覆褶皱山体变形强烈，致使该地区发生多起群死群伤的灾难性地质灾害事故，如湖北宜昌盐池河崩塌、重庆武隆鸡冠岭滑坡、云南元阳老金山滑坡、贵州纳雍岩脚寨滑坡、重庆武隆鸡尾山滑坡，贵州纳雍普洒崩塌等，是目前防灾减灾工作中的难点。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面以重庆南川甑子岩危岩体底部的采矿工作面为例，结合附图1-4对本发明作进一步详细描述。

实施例

参见图1所示，本发明提供了一种基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对采空层顶板岩层自下而上编号为i＝0，1，2，3，…，n，定义第i层顶板岩层的厚度为h_i；

步骤2、通过野外调查和矿山相应采区的地层综合柱状图，并进行相应的岩体物理力学试验，结合甑子岩危岩体野外调查以及待采工作面作业规程等相关资料，获取甑子岩危岩体底部待采工作面所在井田工作面覆岩的地质采矿参数，包括覆岩重度γ，顶板岩层节理间距l_j，断裂顶板埋深w，巷道高度M，采宽b，覆岩泊松比μ，深部岩体围压σ₃，顶板岩层损伤因子D，覆岩岩体单轴抗压强度σ_c，详见下表1：

表1

步骤3、获取采场自由空间高度H_i，其具体的计算方式如下：

采用本领域公知的任意一种手段来获取，例如，可通过下式获取：

式(1)中，M为矿层厚度；h₀为直接顶岩层垮落厚度；h₁为第一层顶板岩层垮落厚度；h_i为第i层顶板岩层垮落厚度；

为第i层顶板碎胀系数；

为第i层顶板垮落后堆积体高度；

结合式(1)，获取的甑子岩危岩体底部铝土矿采区覆岩各顶板岩层厚度h_i及对应的顶板岩层碎胀系数

如下表2。根据工程实践表明，岩石碎胀系数的大小取决于岩石强度、覆岩压力、破碎后的块度大小与排列结构等因素，其中，灰岩的碎胀系数

经验值范围为1.01-1.03。

表2

将上表2中甑子岩危岩体底部铝土矿采区覆岩地质采矿参数代入到采场自由空间高度H_i的计算公式(1)中，得到各顶板岩层垮落后形成的自由空间高度H_i值，如下表3。

表3

获取采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i，其具体获取方式如下，参见图3：

步骤3.1、根据步骤2中的地质采矿参数，计算两破断岩块间(三铰拱结构)等效挤压强度σ_LC、等效承载应力σ_RC：

式(2)中，T为三铰拱结构两破断岩块间水平推力；矩形S_CC′DD′为两破断岩块间挤压损伤接触面面积；G_ij为岩块①重量，G_ij＝γ·h_i·l_j·b，其中b为采场宽度；S_i为三铰拱结构下沉值，也是覆岩离层距离；

式(3)中，σ₁为接触面区域第1主应力，其方向为两岩块间相互挤压方向；

步骤3.2、构建基于有效应力k的计算模型：

式(4)中，σ_LC为三铰拱结构两破断岩块间等效挤压强度，σ_RC为三铰拱结构两破断岩块间等效承载应力；

这里，需要说明的是，步骤3.1中等效挤压强度σ_LC和步骤3.2中等效承载应力σ_RC的获取在时间上不分先后，可同时获取；

步骤3.3、结合(2)和式(3)，令式(4)中k＝1，获取采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i计算公式：

步骤3.4、通过上述表1和表2的数据并结合公式(4)，利用Mathematica软件计算得到采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i的值，参见表4：

表4

步骤4、确定覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位i，具体包括：

步骤4.1、判断S_i+1是否大于H_i；

步骤4.2、若S_i+1-H_i＞0，则第i层是覆岩导水裂隙带发育的最高层位；否则，第i层不是覆岩导水裂隙带发育的最高层位，采空层覆岩持续破断，裂隙带高度Z不断增大，令i＝i+1，转至步骤2，各顶板岩层垮落后H_i和S_i+1的迭代结果如下表5：

表5

由表5可知，第185层顶板岩层跨落后形成的自由空间高度H₁₈₅＝0.3509m＜S₁₈₆＝0.3836，说明第186层顶板岩层已停止破断，即覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位i为185；

步骤5、根据采空层覆岩导水裂隙带最大高度计算模型计算采空层覆岩导水裂隙带最大高度值Z，具体的计算方法如下：

将步骤5确定的覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位i＝185代入式(6)，得到采空层覆岩导水裂隙带最大高度值Z₀为92.5m，即覆岩导水裂隙带的破坏区域到达危岩体底部的页岩层，也就是危岩体的软弱基座区域，这与实际地质调查结果相吻合。

对比例

为验证本发明所提供方法在预计地下采空层覆岩导水裂隙带高度的实用性和有效性，选取西南云贵高原山区典型采动型山体，利用“三下”规范经验公式1、2分别计算甑子岩底部采空层覆岩导水裂隙带高度，计算结果见下表6。

表6

根据表6中的计算结果可以看出，经传统经验公式1计算得到采空层覆岩导水裂隙带最大高度Z₁为25.3-36.5m；经传统经验公式2计算得到采空层覆岩导水裂隙带最大高度Z₂为11m；而经本发明考虑结构性岩体的理论公式计算采空层覆岩导水裂隙带最大高度Z₀为92.5m，其值远远超过“三下”规范经验公式的计算值，分别是规范公式1、2计算值的2.5-3.7倍和8.4倍，覆岩裂隙带高度的增大严重降低危岩体基座稳定性如图4。

通过以上对比可知，使用本发明的方法确定工作面充分采动下的覆岩导水裂隙带最大高度值，并与“三下”规范计算导水裂隙带高度的传统经验公式结果进行对比，从而验证了基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法在地下采空层的实用性。

本发明提供的这种导水裂隙带高度确定方法，不仅考虑了采矿厚度对导水裂隙带发育高度的影响，还考虑了覆岩岩体结构(岩层厚度、节理间距)、岩体物理力学参数(如岩体强度和岩体碎胀性等)及矿层埋深等因素对导水裂隙带发育高度的影响，采用本领域公知的任意一种手段来获取冒落带高度H_i，并采用“三铰拱结构”力学模型和损伤力学理论，分别计算顶板岩层三铰拱结构等效挤压强度σ_LC和顶板岩层三铰拱结构等效承载力σ_RC两个参数，基于σ_LC和σ_RC两个参数来构建基于有效应力的三铰拱力学结构安全系数临界值k；然后，通过对比k是否大于1来判断该结构是否达到稳定极限状态，当k＝1时，可以计算出三铰拱结构极限下沉值S_i值；最后，依据导水裂隙带发育高度将终止于由下至上最先出现非贯通裂缝的岩层底界面原则，通过对比第i+1层顶板破断下沉后三铰拱结构极限下沉值S_i+1与采场自由空间高度H_i的值，来判别覆岩是否达到最大导水裂隙带高度，当S_i+1＞H_i时，说明第i+1层顶板最先出现非贯通裂缝，即导水裂隙带最大高度将至第i+1层顶板底界面。

综上，本发明不仅考虑了采矿厚度对导水裂隙带发育高度的影响，还考虑了覆岩岩体结构、岩体物理力学参数及矿层埋深等因素对导水裂隙带发育高度的影响，其计算方法和计算参数更加贴近于实际的采矿地质条件，计算值更加趋近于实际值，且可靠性得到了工程实测的验证；且计算结果能够为采空层上覆山体地质灾害防治和矿区安全生产提供重要数据支撑，结果可靠，实用性强。

以上所述仅是本发明技术方案的具体内容，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、对采空层顶板岩层自下而上编号为i＝0，1，2，3，…，n，定义第i层顶板岩层厚度为h_i；

步骤2、获取待采工作面所在井田工作面覆岩的地质采矿参数；

步骤3、获取采场自由空间高度H_i及采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i；

步骤4、确定覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位i：若S_i+1-H_i＞0，则第i层是导水裂隙带发育的最高层位，否则，令i＝i+1，转入步骤2；

步骤5、根据采空层覆岩导水裂隙带最大高度计算模型计算采空层覆岩导水裂隙带最大高度值Z。

2.根据权利要求1所述的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，所述步骤2中的地质采矿参数包括顶板岩层厚度h_i，顶板岩层节理间距l_j，顶板岩层碎胀系数

顶板岩层损伤因子D，覆岩泊松比μ，断裂顶板埋深w，覆岩重度γ，覆岩岩体单轴抗压强度σ_c。

3.根据权利要求2所述的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，所述地质采矿参数通过野外调查和矿山相应采区的地层综合柱状图，并进行岩体物理力学试验得到。

4.根据权利要求1所述的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，所述步骤3中采场自由空间高度H_i的计算公式如下：

式(1)中，M为矿层厚度；h₀为直接顶岩层垮落厚度；h₁为第一层顶板岩层垮落厚度；h_i为第i层顶板岩层垮落厚度；

为第i层顶板碎胀系数；k_pih_i为第i层顶板垮落后堆积体高度。

5.根据权利要求1所述的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，所述步骤3中获取采空层覆岩三铰拱结构的极限下沉值S_i的具体步骤如下：

步骤3.1、根据步骤2中的地质采矿参数，计算两破断岩块间等效挤压强度σ_LC、等效承载应力σ_RC：

式(2)中，T为三铰拱结构两破断岩块间水平推力；矩形S_CC′DD′为两破断岩块间挤压损伤接触面面积；G_ij为岩块①重量，G_ij＝γ·h_i·l_j·b，其中b为采场宽度；S_i为三铰拱结构下沉值；

式(3)中，σ₁为接触面区域第1主应力，其方向为两岩块间相互挤压方向；

步骤3.2、构建基于有效应力k的计算模型：

式(4)中，σ_LC为三铰拱结构两破断岩块间等效挤压强度，σ_RC为三铰拱结构两破断岩块间等效承载应力；

步骤3.3、结合(2)和式(3)，令式(4)中k＝1，获取采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i计算公式：

步骤3.4、将步骤2中的地质采矿参数数据代入公式(5)中，利用Mathematica软件计算得到采空层覆岩三铰拱结构极限下沉值S_i的值。

6.根据权利要求1所述的基于结构性覆岩的导水裂隙带高度确定方法，其特征在于，所述步骤5中采空层覆岩导水裂隙带最大高度计算模型的计算公式如下：

式(6)中，Z为覆岩导水裂隙带最大高度，h_i为第i层顶板岩层厚度，i的取值为步骤5中确定的覆岩导水裂隙带最大高度所在岩层层位。

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