CN115130311B - 一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，包括以下步骤：S1、收集煤层开采、上覆岩层水文地质、物理力学参数；S2、分析是否具备离层形成前提条件，包括相邻岩层挠度差的存在，上岩层的稳定性、富水性及下岩层的变形能力；S3、将煤层上覆岩看作组合薄板，分析在煤层开采时上覆岩产生挠度的变化量ω及第一主应力σ₁、第二主应力σ₂的产生位置，进而预测煤层覆岩离层发生位置。本发明提出了能更合理判别离层水害位置的数学模型，在开采前即可收集数据，判断离层发生的位置，描述岩层水平断裂破坏特征，揭示离层的发展规律；在煤层开采前采取针对性措施解决离层水害问题，保证煤矿安全生产，使煤层开采取得良好的经济效益。

Description

一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法

技术领域

本发明涉及一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，属于地下工程领域。

背景技术

现有的通过现场地面钻探电视观测煤层开采覆岩裂隙特征的方法主要是通过矿井上或矿井下钻孔方式，进行电视观测，这种观测方式存在局限性，其无法整体反应岩层裂隙特征；已有的相似模型实验，在模型内部裂隙成“梯形”分布，但纵向裂隙分布较少，规律性不明显，且水在裂隙介质中的流动由多种因素作用，流动情况较为复杂，流动规律难以预测；现存的基于神经网络的煤矿突水预测方法所需训练样本数据大，运行时间耗费多，且无法学习动态突水数据对突水预测的影响。

发明内容

本发明提出一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，用于揭示煤层开采中采动裂隙的发展规律，从而判别离层(BSS)的位置和预测离层的尺寸。

本发明针对煤层覆岩离层突水灾害，基于弹性薄板理论，提出煤层开采时预测水平断裂位置的数学模型，分析岩层离层的形成机制，实现对离层的早期预测。

一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，包括以下步骤：

步骤1，确定影响因素，收集、分析煤层开采、上覆岩层的水文地质数据及上覆岩层的物理力学参数；

所述煤层开采水文地质特征数据包括所采煤层的长度、宽度、厚度；

所述上覆岩水文地质特征数据包括岩层的厚度、上岩层的荷载，所述上覆岩物理力学参数，结合力学试验，获取所需岩石的杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度；

步骤2，离层形成条件分析；

包括邻岩挠度差的存在，上岩层的稳定性、富水性及下岩层的变形能力；

在煤矿开采中，由于相邻岩层物质组成不一致，造成其本身物理、力学性质的差异性，在采动作用下，上覆岩会在竖直方向上出现不同程度的变形，这是离层形成的首要条件，用力学方程来表示岩层的挠度，即离层下岩层的弯曲挠度大于上岩层的挠度值，如式(1)所示：

ω_下岩板＞ω_上岩板 (1)；

离层形成还需判定上岩层的稳定性以及富水性，即要形成足够的积水，不仅需要上岩层有足够的强度，保证在受到开采扰动作用时具有一定变形能力，不轻易失稳，且上岩层应为富水层，为离层水的聚集提供稳定的水源，为离层突水奠定前提条件；

步骤3，整理上述所获取数据，结合离层水形成机制，基于弹性薄板理论与岩石特性，提出一种可以有效预测离层发生位置的数学模型；

将煤层上覆岩看作组合薄板，分析在煤层开采时上覆岩层产生挠度的变化量及第一主应力σ₁、第二主应力σ₂的产生位置，进而预测煤层上覆岩离层发生位置，具体计算方法如下所示：

假定采空区上方为四边固支、组合弹性薄板，根据模型薄板表面的边界条件，建立组合薄板的弹性曲面微分方程，如式(2)所示：

其中

其中μ为泊松比；q₀为上岩层的荷载；δ为岩层厚度；E为杨氏模量；ω为薄板挠度；D为弯曲刚度；

根据弹性力学，薄板表面边界条件如式(4)、(5)所示：

(ω)_x＝±a＝0 (ω)_y＝±b＝0 (4)

其中a为所采煤层的长度；b为所采煤层的宽度；

通过位移变分法求解微分方程，建立含有待定系数C₀的位移分量表达式；然后根据位移边界条件和位移变分方程，计算待定系数C₀，根据煤层开采的边界条件，岩层的挠度方程可假定如式(6)所示：

ω(x，y)＝C₀·(1+cos(xπ/a))·(1+cos(yπ/b))(-a≤x≤a，-b≤y≤b) (6)

基于式(2)，通过位移变分法可得如式(7)所示：

联立方程(2)～(7)，推导出待定系数C₀如式(8)所示：

同理，可得岩层的挠度方程，如式(9)所示：

按试(9)计算得到所求岩层的挠度，进而计算相邻岩层的挠度差，当相邻岩层挠度差满足公式(1)时，从而可判定离层产生的位置；

根据式(9)可进一步推导出得出σ₁、σ₂，表达如式(10)、(11)所示：

/>

其中B＝5·a⁴+8·a²·b²+5·b⁴ (12)；

Z是岩层的竖向坐标，t为岩层的厚度；

利用上述σ₁、σ₂公式可算得上覆岩层破坏时应力：

岩层的破坏条件如式(13)所示：

其中，σ_bc为岩石的抗压强度；σ_t为岩石的抗拉强度；当岩层的受到的力超过其屈服强度以后，岩层就会发生破坏

本发明的技术方案取得如下有益的技术效果：

本发明基于弹性薄板理论，在理论层面上提出了能更合理判别离层水害位置的数学模型，在开采前即可收集数据，判断离层发生的位置，描述岩层水平断裂破坏特征，揭示离层的发展规律；在煤层开采前采取针对性措施解决离层水害问题，保证煤矿安全生产，使煤层开采取得良好的经济效益。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1本发明煤层上覆岩离层突水离层上下岩层产生挠度差后积水以渗流或涌流进入离层示意图；

图2本发明煤层上覆岩离层突水数学模型中基于薄板理论模型的示意图；

图3本发明煤层上覆岩离层突水砾岩层和粘土岩层之间的挠度差示意图；

图4本发明煤层上覆岩离层突水开采条件下粘土岩层主应力σ₁变化示意图；

图5本发明煤层上覆岩离层突水开采条件下粘土岩层剪应力τ变化示意图；

图6本发明煤层上覆岩离层突水裂隙发育与离层溃水示意图；

图7本发明煤层上覆岩离层突水煤层顶板钻探电视观测方法示意图；

图8本发明煤层上覆岩离层突水灾害判定方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，包括如下步骤:

步骤一，煤层开采所需数据收集；

结合井上钻孔技术、岩石力学试验，获取计算所需数据，包括煤层开采、上覆岩层的水文地质特征数据，上覆岩层物理力学参数；

(1)所述煤层开采的水文地质特征数据包括所采煤层的长度、宽度及厚度；

(2)所述上覆岩水文地质特征数据通过井上钻孔技术，收集数据包括包括岩层的厚度，上岩层的荷载(即上覆岩层的重量)；

(3)所述上覆岩物理力学参数通过力学试验，收集数据包括岩石的杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度。

上述参数获取如下所示：

步骤二、分析开采煤层上覆岩，当砾岩与粘土岩为所采煤层上覆岩层时，开采作用引起的水平断裂的变化；

通过物质组成分析，砾岩与粘土岩物质组成不一致，说明两种岩石的物理性质和力学特性存在差异，当位于岩层下的煤层被开采后，会形成采空区，由于采动作用的影响，岩石的力场发生变化，也改变了岩层的挠度；在其自重作用下，采空区长度越大，上覆岩层向下弯曲的曲率越大；在挠度差异和自重作用的影响下，上覆岩层就易产生水平断裂(见图1)。

步骤三，基于数学模型及上述数据，通过数学计算，分析判断煤层上覆岩水平断裂位置及是否会发生离层突水；

上述通过上述数学模型，将岩层近似看作四边固支的组合弹性薄板，将计算公式导入数学计算软件中，分析计算相邻岩层的挠度差，计算该岩板的主应力(σ₁、σ₂)与最大剪应力(τ_max)，判断是否达到该岩板的屈服强度，用所提出的理论，预测水平断裂形成的位置，判断离层是否会发生涌水。(见图2)；

(1)砾岩层与粘土岩层之间的挠度差，挠度差就是水平断裂，在邻层间形成凸透镜形状，通过计算表明，当开采面推进100m时，岩层间的挠度差为0.8m，随开采继续推进达到200m时，岩板间的挠度差为2.0m，随开采面的不断深入，水平裂隙也不断发展，以至开采长度达400m时，最大挠度差为4m(见图3)；

(2)据上述试验可得，粘土岩的抗压强度为40-50MPa，剪应力τ为10-20MPa，随着开采面推进，粘土岩层的σ₁、τ不断变化(见图4)、(见图5)；

所述图中表示的横坐标Mining width是开采宽度，纵坐标Mining long是开采长度，图4及图5竖向坐标分别展现的是岩层第一主应力σ₁，岩层剪应力τ随开采长度的增加而产生的变化。当开采面掘进400m时，粘土岩层已达到了屈服强度；粘土岩层产生水平断裂，但因其物理性质，其内含有大量粘土类物质，故进水后裂隙又消失，周而复始，最终产生水平断裂，岩层失效，离层水涌入开采面(见图6)。

步骤四，利用地面钻探孔内电视观测的方法验证数学模型的准确性；

(1)基于岩层应力微分方程和边界条件，分析了相邻岩层的挠度差异，后据荷载和开采煤层大小的变化，分析水平断裂的变化；上述计算表明，砾岩层与粘土岩层间产生了水平断裂，在煤矿工作面的上方钻孔通过孔内电视观测来验证本发明的合理性(见图7)；首先在工作面上方钻孔，通过钻孔电视成像技术观察岩层的裂隙特征，因煤层已掘进了600m，在砾岩层与粘土岩层间产生了宽度为1.12m的水平断裂；结合水文地质特征，上覆岩为富水层，且水可聚集在离层处，即判断该离层会发突水事故。

本实例以侏罗纪煤田园子沟采面为对象，预测了当煤层回采时，岩层水平断裂的位置，通过孔内电视观测来验证本发明的合理性。本发明表明若离层上部坚硬岩层为富水层，离层随开采面的推进不断发育，离层处的积水增多，直到上、下岩层受到破坏。上部坚硬岩层断裂造成的冲击力或离层水较大的静水压力均会使岩层遭到破坏，垂直裂隙不断发育，以至引发离层突水事故。离层突水具有瞬时涌水量大，突发性强，空间小且排水困难等特点，故应详细勘察，及时防范。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤层覆岩离层突水灾害判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、收集煤层开采、上覆岩层的水文地质数据及上覆岩层的物理力学参数；

S2、分析是否具备离层形成前提条件，包括相邻岩层挠度差的存在，上岩层的稳定性、富水性以及下岩层的变形能力；

上岩层的稳定性用σ₁、σ₂计算，下岩层的变形能力用下岩层的挠度ω_下岩板表示；

离层形成的首要条件，即离层下岩层的弯曲挠度大于上岩层的挠度值，如式(1)所示：

ω_下岩板＞ω_上岩板 (1)；

S3、将煤层上覆岩看作组合薄板，分析煤层开采时上覆岩产生挠度的变化量及第一主应力σ₁、第二主应力σ₂的产生位置，进而预测煤层上覆岩离层发生位置，具体计算方法如下所示：

假定采空区上方为四边固支、组合弹性薄板，根据模型薄板表面的边界条件，建立组合薄板的弹性曲面微分方程，如式(2)所示：

其中

其中μ为泊松比；q₀为上岩层的荷载；δ为岩层厚度；E为杨氏模量；ω为薄板挠度；D为弯曲刚度；

根据弹性力学，薄板表面边界条件如式(4)、(5)所示：

(ω)_x＝+a＝0 (ω)_y＝+b＝0 (4)

其中a为所采煤层的长度；b为所采煤层的宽度；

通过位移变分法求解微分方程，建立含有待定系数c₀的位移分量表达式，然后根据位移边界条件和位移变分方程，计算待定系数c₀，根据煤层开采的边界条件，岩层的挠度方程可假定如式(6)所示：

ω(x,y)＝C₀·(1+cos(xπ/a))·(1+cos(yπ/b))(-a≤x≤a,-b≤y≤b) (6)；

基于式(2)，通过位移变分法可得如式(7)所示：

联立方程(2)～(7)，推导出待定系数C₀如式(8)所示：

同理，可得岩层的挠度方程，如式(9)所示：

按试(9)计算得到所求岩层的挠度，进而计算相邻岩层的挠度差，当邻岩挠度差满足公式(1)时，从而可判定离层产生的位置；

根据式(9)可进一步推导出得出σ₁、σ₂，表达如式(10)、(11)所示：

其中B＝5·a⁴+8·a²·b²+5·b⁴(12)；

利用上述σ₁、σ₂公式可算得上覆岩层破坏时应力；

岩层的破坏条件如式(13)所示：

其中，σ_bc为岩石的抗压强度；σ_t为岩石的抗拉强度；

当岩层的受到的力超过其屈服强度以后，岩层就会发生破坏。

2.如权利要求1所述的煤层覆岩离层突水灾害判定方法，其特征在于，

所述煤层开采水文地质特征参数包括所采煤层的长度、宽度、厚度。

3.如权利要求1所述的煤层覆岩离层突水灾害判定方法，其特征在于，所述上覆岩水文地质特征数据通过井上钻孔方法获取，包括岩层的厚度与上岩层的荷载。

4.如权利要求1所述的煤层覆岩离层突水灾害判定方法，其特征在于，所述上覆岩物理力学参数通过力学试验获取，包括岩石的杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度及抗剪强度。

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