CN115341900B - 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法 - Google Patents

一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115341900B
CN115341900B CN202210769150.3A CN202210769150A CN115341900B CN 115341900 B CN115341900 B CN 115341900B CN 202210769150 A CN202210769150 A CN 202210769150A CN 115341900 B CN115341900 B CN 115341900B
Authority
CN
China
Prior art keywords
arch shell
arch
grouting
shell
strength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210769150.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115341900A (zh
Inventor
李全生
郭俊廷
陈建强
贺安民
常博
郑三龙
张村
杨玉亮
马建起
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
China Energy Investment Corp Ltd
National Institute of Clean and Low Carbon Energy
CHN Energy Group Xinjiang Energy Co Ltd
Original Assignee
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
China Energy Investment Corp Ltd
National Institute of Clean and Low Carbon Energy
CHN Energy Group Xinjiang Energy Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology Beijing CUMTB, China Energy Investment Corp Ltd, National Institute of Clean and Low Carbon Energy, CHN Energy Group Xinjiang Energy Co Ltd filed Critical China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority to CN202210769150.3A priority Critical patent/CN115341900B/zh
Publication of CN115341900A publication Critical patent/CN115341900A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115341900B publication Critical patent/CN115341900B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C41/00—Methods of underground or surface mining; Layouts therefor
    • E21C41/16—Methods of underground mining; Layouts therefor
    • E21C41/18—Methods of underground mining; Layouts therefor for brown or hard coal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E21D11/10—Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/23—Dune restoration or creation; Cliff stabilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，包括以下步骤：假设覆岩内已经存在一个拱壳且定义为设定拱壳，计算设定拱壳的拱高h；确定设定拱壳的轨迹线；计算设定拱壳任一截面的参数；绘制设定拱壳的拱轴线；实测拱轴线所在不同分层岩体的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度；确定拱轴线中的薄弱岩层；采用地面注浆和工作面巷道注浆的加固方法，对薄弱岩层进行注浆加固，形成加强的人造拱壳。本发明通过先计算确定设定拱壳的位置及薄弱岩层位置，再对其进行精准注浆加固，最终在覆岩内形成加强的人造拱壳，从而实现煤炭高强度开采与地表生态保护相协调的目的，能够使煤矿开采裂隙不发育至地表，煤矿地表下沉量大幅度降低，同时能够减少投入。

Description

一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法
技术领域
本发明涉及一种覆岩减损降沉方法，尤其涉及一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，属于采矿技术领域。
背景技术
覆岩是覆盖在矿层之上且不具工业价值的岩体或土体，如覆盖在铁矿石矿层上的砂岩、表土层。矿区开采后，其覆岩及地表都可能受到明显损伤，严重时会导致沉降或塌陷，导致该区域土地资源无法再利用，浪费国家土地资源。
随着科技与装备的进步，井工煤矿规模由上世纪九十年代的百万吨级(100-300万吨/年)发展到本世纪初的千万吨级(1000-3000万吨/年)，开采集约化水平不断提高，成为提高煤矿安全保障程度、资源回收率和经济效益的重要途径。高强度开采是集约化开采的重要方式，但带来的地表沉降快和变形大，严重时造成土地塌陷，进而造成矿业城市土地资源更加紧张，这些损伤生态的严重问题亟待解决。
矿区地表生态损伤源于煤炭开采引起的覆岩变形、破断、运动造成的下位岩层采动损伤和由此造成的上位岩层和地表层传递损伤。因此，矿区生态修复的根本在于从开采源头最大限度地减少对地表生态的损伤，关键在于充分利用开采对覆岩和地表的损伤规律，实现人为对损伤传导进行控制的目的。
综上所述，如何实现地表生态高效修复与高强度开采相协调，是煤炭行业的重大技术难题。但是由于高强度开采推进快、开采工作面尺寸大，上覆岩层破坏范围大、地表沉降速度快且变形量大，对地表及生态损伤程度高，资源开发与生态矿区建设矛盾突出等原因，现有技术很难实现从源头控制地表损伤程度的目的。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够实现煤炭高强度开采与地表生态保护相协调的基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，包括以下步骤：
步骤1、假设覆岩内已经存在一个拱壳且定义为设定拱壳，通过以下公式计算设定拱壳的拱高h：
(3H-2h)s2-6Hhfs-(3H-h)λh2＝0
上述公式中，H是埋深，f是覆岩坚固系数，λ是测压系数，s是设定拱壳跨度的一半，设定拱壳的跨度为2s，与工作面长度L相同；
步骤2、如果h≥H，则减小工作面长度L，即减小s，通过步骤1的公式重新计算h，直至h＜H为止；
步骤3、在设定拱壳的拱顶处建立直角坐标系，根据以下公式确定设定拱壳的轨迹线：
Figure GDA0004030109870000021
其中，x和y分别是直角坐标轴对应的横坐标和纵坐标的值，γ为覆岩岩体平均容重；
步骤4、通过以下公式计算设定拱壳任一截面的参数：
Figure GDA0004030109870000031
其中，M(x)、Q(x)、N(x)分别为设定拱壳任一截面的弯矩、剪力和轴力；Tx是水平推力，Ty垂直压力；
Figure GDA0004030109870000032
y’是对y的求导，X1、X2、Mc分别是设定拱壳静态结构的拱点截面的轴力、剪力、弯矩；
步骤5、根据步骤的计算结果绘制设定拱壳的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线，并以此为依据绘制设定拱壳的拱轴线；
步骤6、实测拱轴线所在不同分层岩体的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度；
步骤7、通过将步骤6得到的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度与步骤5得到的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线进行对比，确定拱轴线中的薄弱岩层；
步骤8、在工作面生产之前，采用地面注浆和工作面巷道注浆的加固方法，对薄弱岩层进行注浆加固，形成加强的人造拱壳。
作为优选，为了实现更好注浆效果，所述步骤8中，通过直接在地表中布置地表注浆孔向薄弱岩层注浆完成地面注浆；通过在工作面巷道中布置巷道注浆孔向薄弱岩层注浆完成工作面巷道注浆。
本发明的有益效果在于：
本发明通过先计算确定设定拱壳的位置及薄弱岩层位置，再对其进行精准注浆加固，最终在覆岩内形成加强的人造拱壳，从而实现煤炭高强度开采与地表生态保护相协调的目的，能够使煤矿开采裂隙不发育至地表，煤矿地表下沉量大幅度降低，同时相对于现有技术而言能够减少投入。
附图说明
图1是本发明实施例中在覆岩内形成人造拱壳的主视结构示意图；
图2是本发明实施例中设定拱壳的弯矩曲线、剪力曲线、轴力曲线和拱轴向示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
实施例：
一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，包括以下步骤：
步骤1、假设覆岩内已经存在一个拱壳且定义为设定拱壳，通过以下公式计算设定拱壳的拱高h：
(3H-2h)s2-6Hhfs-(3H-h)λh2＝0
上述公式中，H是埋深，f是覆岩坚固系数，λ是测压系数，s是设定拱壳跨度的一半，设定拱壳的跨度为2s，与工作面长度L相同；
步骤2、如果h≥H，则减小工作面长度L，即减小s，通过步骤1的公式重新计算h，直至h＜H为止；
步骤3、在设定拱壳的拱顶处建立直角坐标系，根据以下公式确定设定拱壳的轨迹线：
Figure GDA0004030109870000041
其中，x和y分别是直角坐标轴对应的横坐标和纵坐标的值，γ为覆岩岩体平均容重；
步骤4、通过以下公式计算设定拱壳任一截面的参数：
Figure GDA0004030109870000051
其中，M(x)、Q(x)、N(x)分别为设定拱壳任一截面的弯矩、剪力和轴力；Tx是水平推力，Ty垂直压力；
Figure GDA0004030109870000052
y’是对y的求导，X1、X2、Mc分别是设定拱壳静态结构的拱点截面的轴力、剪力、弯矩；
步骤5、根据步骤的计算结果绘制设定拱壳的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线，并以此为依据绘制设定拱壳的拱轴线2，如图1和图2所示；
步骤6、实测拱轴线2所在不同分层岩体的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度；如图1所示，这里的分层岩体包括地表9下面的软弱岩层1、垮落带6等，分层岩体下面是煤层8；
步骤7、通过将步骤6得到的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度与步骤5得到的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线进行对比，确定拱轴线2中的薄弱岩层；
步骤8、如图1所示，在工作面生产之前，采用地面注浆和工作面巷道注浆的加固方法，对薄弱岩层进行注浆加固，形成实际的加强的人造拱壳4；具体地，通过直接在地表中布置地表注浆孔3向薄弱岩层注浆完成地面注浆；通过在工作面巷道5中布置巷道注浆孔7向薄弱岩层注浆完成工作面巷道注浆。
按照上述方法实现对覆岩内设定拱壳的薄弱岩层进行精准注浆加固，最终在覆岩内形成加强的人造拱壳，从而实现煤炭高强度开采与地表生态保护相协调的目的。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、假设覆岩内己经存在一个拱壳且定义为设定拱壳，通过以下公式计算设定拱壳的拱高h：
(3H-2h)s2-6Hhfs-(3H-h)λh2＝0
上述公式中，H是埋深，f是覆岩坚固系数，λ是测压系数，s是设定拱壳跨度的一半，设定拱壳的跨度为2s，与工作面长度L相同；
步骤2、如果h≥H，则减小工作面长度L，即减小s，通过步骤1的公式重新计算h，直至h＜H为止；
步骤3、在设定拱壳的拱顶处建立直角坐标系，根据以下公式确定设定拱壳的轨迹线：
Figure FDA0004030109860000011
其中，x和y分别是直角坐标轴对应的横坐标和纵坐标的值，γ为覆岩岩体平均容重；
步骤4、通过以下公式计算设定拱壳任一截面的参数：
Figure FDA0004030109860000012
其中，M(x)、Q(x)、N(x)分别为设定拱壳任一截面的弯矩、剪力和轴力；Tx是水平推力，Ty垂直压力；
Figure FDA0004030109860000013
y’是对y的求导，X1、X2、Mc分别j设定拱壳静态结构的拱点截面的轴力、剪力、弯矩；
步骤5、根据步骤的计算结果绘制设定拱壳的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线，并以此为依据绘制设定拱壳的拱轴线；
步骤6、实测拱轴线所在不同分层岩体的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度；
步骤7、通过将步骤6得到的抗弯强度、抗剪强度和抗拉强度与步骤5得到的弯矩曲线、剪力曲线和轴力曲线进行对比，确定拱轴线中的薄弱岩层；
步骤8、在工作面生产之前，采用地面注浆和工作面巷道注浆的加固方法，对薄弱岩层进行注浆加固，形成加强的人造拱壳。
2.根据权利要求1所述的基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法，其特征在于：所述步骤8中，通过直接在地表中布置地表注浆孔向薄弱岩层注浆完成地面注浆；通过在工作面巷道中布置巷道注浆孔向薄弱岩层注浆完成工作面巷道注浆。
CN202210769150.3A 2022-06-30 2022-06-30 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法 Active CN115341900B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210769150.3A CN115341900B (zh) 2022-06-30 2022-06-30 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210769150.3A CN115341900B (zh) 2022-06-30 2022-06-30 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115341900A CN115341900A (zh) 2022-11-15
CN115341900B true CN115341900B (zh) 2023-03-10

Family

ID=83947602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210769150.3A Active CN115341900B (zh) 2022-06-30 2022-06-30 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115341900B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112065467A (zh) * 2020-09-23 2020-12-11 中铁工程装备集团有限公司 一种地下工程支护结构及其施工工法
CN112096380A (zh) * 2020-01-17 2020-12-18 中国矿业大学(北京) 一种高强度开采岩层运移注浆控制及注浆量计算方法
CN114075985A (zh) * 2020-08-20 2022-02-22 神华神东煤炭集团有限责任公司 基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112096380A (zh) * 2020-01-17 2020-12-18 中国矿业大学(北京) 一种高强度开采岩层运移注浆控制及注浆量计算方法
CN114075985A (zh) * 2020-08-20 2022-02-22 神华神东煤炭集团有限责任公司 基于压力拱的隔水层保护方法、拱脚构筑方法及拱脚结构
CN112065467A (zh) * 2020-09-23 2020-12-11 中铁工程装备集团有限公司 一种地下工程支护结构及其施工工法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
多层坚硬顶板采场覆岩"拱壳"大结构形成机理研究;霍丙杰等;《煤炭科学技术》;20161130(第11期);全文 *
大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究;罗生虎等;《煤炭学报》;20161215(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115341900A (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110397470A (zh) 一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法
CN110374600B (zh) 一种极近距离煤层群回采巷道无错距式布置方法
CN107609241B (zh) 软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法
AU2020202743B2 (en) Strip support method by using filler and residual coal pillar in irregular goaf
CN115030722A (zh) 一种采空区滞后充填高效保水采煤方法
CN107145684B (zh) 一种地下岩体工程地压管理与控制方法
Liu et al. Characteristics analysis of roof overburden fracture in thick coal seam in deep mining and engineering application of super high water material in backfill mining
CN114382483A (zh) 一种遗留煤柱下坚硬顶板工作面开采强矿压防治方法
Duan et al. Gas extraction technology and application of near horizontal high directional drilling
Chen et al. Study on stability mechanism and control techniques of surrounding rock in gob-side entry retaining with flexible formwork concrete wall
CN115341900B (zh) 一种基于人造拱壳的覆岩减损降沉方法
CN115126505B (zh) 一种覆岩结构稳定性的精准提升方法
CN115952578A (zh) 一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法
CN113818882B (zh) 一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法
CN106522983B (zh) 防治强吸水膨胀软岩巷道底鼓的方法
CN114087016A (zh) 一种崩落转充填开采隔离顶柱预控支护方法
CN114017103A (zh) 一种长壁逐巷胶结充填采煤工作面参数设计方法
CN104453960B (zh) 含软夹矸层厚煤层外错滑移变形巷道支护方法
CN113006802A (zh) 适用于薄覆岩地层的隧道逆台阶开挖工法
CN111472791A (zh) 喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法
CN113756282B (zh) 一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法
CN116335665B (zh) 构筑护顶层回采水体下近水平薄矿体的采矿方法
CN114352285B (zh) 大断面反井施工硐室的施工方法
CN112780277B (zh) 一种煤层底板断层水害加筋防治方法
CN113982581B (zh) 基于低碳开采的覆岩渗流隔离带稳定性控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant