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

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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。
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