CN116644614A - 一种采动覆岩突水离层带层位识别方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，包括：步骤S1、识别突水离层带积水离层；步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。本申请实现了采动覆岩突水离层带层位的准确识别。

Description

一种采动覆岩突水离层带层位识别方法

技术领域

本申请属于矿井水害防治技术领域，具体而言涉及一种采动覆岩突水离层带层位识别方法。

背景技术

矿区/工作面开采过程中，由于上覆岩层不均匀沉降，在含水层附近发育封闭的离层空间并形成离层积水体。一旦隔水层破断，在积水离层和矿区/工作面之间形成突水通道，引发离层突水，造成不同程度的财产损失甚至人员伤亡。近年来，随着我国煤炭开采中心转移到西部鄂尔多斯盆地，侏罗纪煤炭大采高综采条件下离层突水频发，突水期间，部分煤矿工作面突水期间伴随矿山压力显现，支架大面积来压，甚至出现煤壁切顶，支架压死，严重影响生产进度。

将能产生积水并会诱发突涌水的离层空间、离层空间上位岩层以及离层空间下位隔水层可以统称为“采动覆岩“突水离层带””(简称：“突水离层带”)。“突水离层带”需要满足三个基本条件：一是有上位岩层和下位隔水层的组合结构，采动过程上位岩层和下位软岩隔水层不均匀沉降，形成离层空间；二是下位隔水层在弯曲变形过程中并未发育导通的裂隙，仍保持一定隔水层，故而在上位岩层和下位隔水层之间可以形成暂时封闭的离层，为离层积水提供空间；三是闭合的离层空间恰好位于充水含水层的附近，储存在含水层的地下水持续汇集到封闭的离层空间中，形成离层积水体，即离层突水的直接水源。采动作用下，“突水离层带”的裂隙结构演化是确定回采期间是否发生强矿压和离层突水的关键。而监测分析“突水离层带”的裂隙结构演化的前提是可以识别出上位岩层和下位隔水层的具体层位，在明确上位岩层和下位隔水层空间赋存规律的基础上，为后续物理数值模拟、现场监测和理论分析提供基础。

现有煤矿开采过程中，确定下位隔水层常用以下两种方法：

第一种方法：根据钻孔揭露地层的岩性、岩组主观划分。一般认为，下位隔水层为泥岩和页岩等致密隔水岩层，一般将位于含水层下方或相邻含水层之间起到隔水作用的岩层划分为隔水层。这种方法仅抓住隔水层的基本概念，一方面位于含水层下方或相邻含水层之间的岩层岩性差异较大，通过岩性判定隔水层具有很多的主观性，不同地质工作者对相同地质条件的覆岩隔水层的判定结果差异较大，另一方面，这种方法没有考虑采动作用下岩层协调变形破断，无法识别出对顶板离层突水具有直接作用的下位隔水层。

第二种方法：根据导水裂隙带划分。首先通过规范公式或实测裂采比预测工作面导水裂隙带高度，将导水裂隙带以上，含水层以下的组合岩层划分为下位隔水层(又称“保护层”)。这种方法试图通过考虑采动作用下岩层协调变形破断来识别出下位隔水层。然而，一方面导水裂隙带高度难以预测，另一方面回采期间导水裂隙带随工作面推进逐渐向上发育，充分采动后导水裂隙带可能会发育至含水层。因此仅通过导水裂隙带和含水层关系难以确定出下位隔水层的具体层位。

综上分析，目前现有技术中尚没有一种方法可以准确识别“突水离层带”的具体层位，导致矿区/工作面开采之前对离层水和强矿压的预报和防治具有一定盲目性，无法有效保障开采安全性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，包括：

步骤S1、识别突水离层带积水离层；

步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。

进一步地，所述步骤S1包括：

步骤S11、初步识别采动覆岩可积水离层的位置；

步骤S12、基于所述离层的位置，并结合水文地质条件，找出致灾含水层所在层位，将与致灾含水层相邻的可积水离层作为突水离层带积水离层。

进一步地，步骤S11中，按照下式对上覆岩层可积水离层位置进行初步判别：

M-∑(K_i-1)h_i＞0；

其中，E_i、h_i、γ_i分别为第i层岩层的弹性模量、厚度和重度，单位分别为GPa、m和KN/m³，i＝1,2...n；M为开采煤层总厚度，m；h_i为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度，m；K_i为碎胀系数。

同时满足以上两式的煤层上覆岩层中发育采动覆岩可积水离层。

进一步地，所述步骤S2中，组合岩层采用层面分割，由n种材料组成n层组合岩层，n层组合岩层的轴向应力表示为：

式中，σ_xi为第i层岩层的轴向应力，MPa；ξ为比例系数；y为纵坐标，以组合岩层的中性面为零点，向下为正；Λ_i为岩层i弹性模量，GPa；h_i为第i层岩层厚度，m；h₀为中性面距底面的距离，m；i＝1,2,3...n。

进一步地，所述组合岩层的中性面距底面的距离h₀为：

式中，h₀为组合岩层的中性面距底面的距离，m；Λ_i为岩层i弹性模量，MPa；h_i为第i层岩层厚度；m；i＝1,2,3…,m,...n。

进一步地，步骤S2中，层面发生滑移的判断别原则为：当采动覆岩层内某层位剪应力首次超过节理面的剪切强度时，层面发生滑移，形成滑移面。

进一步地，所述采动覆岩层任意层面的最大剪切力为：

组合岩层的滑移面剪切强度为：

式中，[τ]为节理面剪切强度，MPa；为岩层摩擦角，°；JRC和JCS分别为节理粗糙系数和节理抗压强度，MPa；γ_i为第i层岩层的重度，KN/m³；Λ_i为岩层i弹性模量，GPa；h_i为第i层岩层厚度，m；i＝1,2,3...n。

与现有技术相比，本发明提供的采动覆岩突水离层带层位识别方法，抓住决定离层突水孕灾和致灾的关键层位(“突水离层带”)，基于“突水离层带”基本条件，使用组合梁理论、多层岩梁滑移模型和岩体节理强度理论，提出识别“突水离层带”赋存层位(积水离层和下位隔水层底界面)的计算方法，实现了采动覆岩突水离层带层位的准确识别，为建立采动覆岩顶板离层水害的工程地质概化模型奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的采动覆岩地层纵向结构示意图；

图2为本发明提供的下位隔水层以及内部滑移面的示意图；

图3为本发明提供的n层组合岩层的结构及受力示意图；

图4为本发明提供的采动覆岩突水离层带层位识别方法的操作流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合、分离、互换和/或重新布置。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“顶部”、“底部”、“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”等是相对于部件的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1至图4所示，公开了一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，包括如下步骤：

S1、识别突水离层带的积水离层。

S11、初步确定覆岩可积水离层发育位置。

采场覆岩离层探测成果表明，覆岩中可发育有多个离层，即可发育于不同岩层接触面处也可发育于厚层岩层的内部；且覆岩中离层发育层位不是固定不变的，发育层位及离层量均随回采尺寸动态变化。为便于区分，将在一定时间段内可维持封闭空间的离层称为可积水离层。可积水离层力学机理为：上覆岩层间由相对错动引起的张拉或剪应力超过岩层面间的强度，且上位岩层和下位隔水层的刚度相差较大，易于发生不协调变形，即上位岩层控制的荷载不对下位岩层形成加载，则两岩层间具备发育充水离层的力学结构，根据组合梁原理可得：

并简化得：

其中，q_n,1、q_n+1,1分别为第n层、第n+1层岩层对第1层岩层形成的荷载；

E_i、h_i、γ_i分别为第i层岩层的弹性模量、厚度和重度。即由上式可对上覆岩层可积水离层位置进行初步判别。

其次，由于可积水离层的空间较大，离层空间需煤层采空区提供；即煤层开采后，采空区未能完全被冒裂带岩石完全充填，即有：

M-∑(K_i-1)h_i＞0 (3)

式中：M为开采煤层总厚度；h_i、K_i为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度和碎胀系数。

只有满足上式时，煤层上覆岩层中才具有发育充水离层所需的空间；因而煤层采厚越大，则越易于发育充水离层(图1)。

S12、积水离层识别。

基于S11中的组合梁理论，可定位覆岩可积水离层的位置。然而，“突水离层带”的基本条件之一是具有积水离层。因此，结合矿区/工作面水文地质条件，找出致灾(强富水性)含水层所在层位，将与致灾(强富水性)含水层相邻的可积水离层视为“突水离层带”积水离层，进行下一步计算。

如果不存在与致灾(强富水性)含水层相邻的离层，说明工作面不存在“突水离层带”，即不具备离层突水的基本条件，则无需进行下一步计算，结论为该工作面不发生离层突水。

S2、基于所述突水离层带的上位岩层和可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。

根据S1中方法，可得到“突水离层带”上位岩层和可积水离层的位置，在此基础上，进一步识别下位隔水层(底界面)的位置。下位隔水层为可积水离层下部某一特定范围起隔水作用的组合岩层，换言之，下位隔水层底界面位于可积水离层到煤层顶板之间的某一位置。

将位于可积水离层和煤层顶板之间范围内的岩层视为由层面分割而成的组合岩层，组合岩层为多层线弹性梁，即组合岩层包括多层子梁，每一层子梁均为弹性梁，相邻两层子梁之间满足接触滑移状态。当采动作用下层内某处剪切应力超过层面剪切强度时，相邻岩层上下分离，形成被滑移面分割的多个组合岩层，将由上到下不包含滑移面的第一个组合岩层确定为下位隔水层(图2)。

组合岩层采用层面分割，在组合岩层内部形成滑移面之前，做出如下假设：

(1)组合岩层和横截面在弯曲后保持平面；

(2)假定岩体为线弹性体，组合岩层中应变为线性分布；

(3)原岩在开采前以产生变形，开采后的变形由附加应力引起。

如图3，组合岩层由n种材料组成，可以称为“n层组合岩层”，根据假定，n层组合岩层的轴向应力表示为：

式中，σ_xi为第i层岩层的轴向应力(MPa)，ξ为比例系数；x和y分别为横坐标和纵坐标，以中性面为零点，向下为正，Λ_i为岩层i弹性模量(GPa)，h_i为第i层岩层厚度(m)(i＝1,2,3...n)，h₀为中性面距底面的距离(m)。

在外力作用下，组合岩层保持平衡状态，因而，在岩层的任意截面上，应保持内力平衡状态，故有

s_i为第i层岩层的截面积(m²)，σ_xi为第i层岩层的轴向应力(MPa)，A为单位面积。

将式(4)代入式(5)，组合岩层的中性面距底面的距离h₀为：

如图2，在组合岩层中任截取两截面AB、CD，在截面中取一单元EBDF，该单元顶底面平行于中性面，且距中性面任意距离y。由力的平衡条件，∑F_x＝0，并假定组合岩层厚度为1，有

Ψ_i为岩层i承受的弯矩，S为组合岩层截面积，I_i为岩层i的惯性矩，x和y分别为横坐标和纵坐标。

进而得到n层组合岩层任一截面上剪应力计算式为

其中，W为梁的挠度(m)，其他符号同前。

两端固支梁弯矩为

q为由组合岩层自重产生的均布荷载(MPa)，l为固支梁跨距(m)，即工作面走向长度。

由式(9)可得：

进一步得到采动覆岩层任意层面的最大剪切力(x＝0处)为

当某层位剪应力首次超过节理面的剪切强度时，即τ_max＞[τ]，节理面发生滑移，上下相邻岩层(组)分离。基于式(11)确定出采动覆岩层任意节理面的最大剪切力τ_max，然后还需要进一步计算处节理面的剪切强度[τ]，才能根据τ_max和[τ]的关系，判别出滑移面的位置，从而识别出下位隔水层的位置。

通常情况下，岩层滑移的力学判据[τ]一般选用库伦准则([τ]＝σ_n σ_n为作用于节理面的正向应力(MPa)；/>为节理面摩擦角；c为节理面内聚力(MPa)，然而，库伦准则仅考虑岩层粘聚力和内摩擦角，为充分考虑节理面几何形态和力学性质，本发明选取Barton剪切强度准则，则岩层节理面剪切强度为：

式中，[τ]为节理面剪切强度(MPa)；σ_n为作用于节理面的正向应力(MPa)；为节理面摩擦角；JRC和JCS分别为节理面粗糙系数和节理抗压强度(MPa)，对于沉积岩层横向节理面，JRC＝4-7，JCS＝1-5MPa。

式(12)中的JRC，JCS可以通过室内试验得出，接下来需要确定节理面的正向应力σ_n。根据组合岩梁理论，岩层i受到的上覆岩层荷载为

将式(13)带入(12)，得到组合岩层节理面剪切强度为

式中，[τ]为节理面剪切强度，MPa；为岩层摩擦角，°；JRC和JCS分别为节理粗糙系数和节理抗压强度，MPa；γ_i为第i层岩层的重度，KN/m³；Λ_i为岩层i弹性模量，GPa；h_i为第i层岩层厚度，m；i＝1,2,3...n。

对于节理面i，如果由式(11)计算出的τ_max大于由式(14)计算出的[τ]，则可判定节理面i在岩层揭露弯曲期间出现滑移，形成滑移面。对所以节理面均使用式(11)和式(14)进行判别，最终可确定出采动作用下，位于积水离层下部的组合岩层内部滑移面的分布情况。如图2，对于位于可积水离层和煤层顶板之间范围内的岩层，将其由上到下不包含滑移面的第一个组合岩层视为下位隔水层。综合步骤S1和S2，可确定“突水离层带”上位岩层、可积水离层和下位隔水层的具体层位。

与现有技术相比，本实施例提供的采动覆岩突水离层带层位识别方法，抓住决定离层突水孕灾和致灾的关键层位(“突水离层带”)，基于“突水离层带”基本条件，使用组合梁理论、多层岩梁滑移模型和岩体节理强度理论，提出识别“突水离层带”赋存层位(积水离层、下位隔水层底界面)的计算方法，实现了采动覆岩突水离层带层位的准确识别，为建立采动覆岩顶板离层水害的工程地质概化模型奠定基础。

实际工程案例

以鄂尔多斯盆地永陇矿区的招贤煤矿为例，将实施例1的采动覆岩突水离层带层位识别方法应用到招贤煤矿1304工作面，具体过程如下：

一、识别“突水离层带”上位岩层和离层。

识别采动覆岩积水离层。本实施例以招贤煤矿1304工作面为例，通过采取地层资料，获取地层条件，根据S1中可积水离层判别方法，计算1304工作面覆岩可积水离层如表1所示。可见，8号岩层(宜君组厚132.92m的砾岩)，19号岩层(安定组厚28.60m泥岩)、32号岩层(直罗组24.35m粉砂岩)和38号(延安组15.88m泥岩)下部发育可积水离层。

根据招贤煤矿水文地质条件，白垩系含水层为矿井致灾含水层，由此进一步判定位于宜君组岩层底部的可积水离层为“突水离层带”积水离层。

表1 1304工作面可积水离层判别表(据B6孔)

二、识别“突水离层带”下位隔水层

将突水离层带积水离层到煤层顶板之间的岩层视为由节理面分割而成的组合岩层，基于本发明提供的组合岩层中性面和剪切滑移面计算公式，基于室内实验，取JRC＝4，JCS＝2MPa。结合招贤1304工作面周边钻孔揭露地层信息，计算得9号到24号岩层之间未形成剪切滑移面，而24号-40号岩层满足τ＞[τ]，节理面发生滑移。由此判定9号到24号岩层形成的组合岩层，为“突水离层带”下位隔水层。“突水离层带”层位见表2。

表2 1304工作面主控层判别表(据B6孔)

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以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，包括：

步骤S1、识别突水离层带积水离层；

步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。

2.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11、初步识别采动覆岩可积水离层的位置；

步骤S12、基于所述离层的位置，并结合水文地质条件，找出致灾含水层所在层位，将与致灾含水层相邻的可积水离层作为突水离层带积水离层。

3.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，步骤S11中，按照下式对上覆岩层可积水离层位置进行初步判别：

M-∑(K_i-1)h_i＞0；

其中，E_i、h_i、γ_i分别为第i层岩层的弹性模量、厚度和重度，单位分别为GPa、m和KN/m³，i＝1,2...n；M为开采煤层总厚度，m；h_i为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度，m；K_i为碎胀系数。

同时满足以上两式的煤层上覆岩层中发育采动覆岩可积水离层。

4.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，组合岩层采用层面分割，由n种材料组成n层组合岩层，n层组合岩层的轴向应力表示为：

式中，σ_xi为第i层岩层的轴向应力，MPa；ξ为比例系数；y为纵坐标，以组合岩层的中性面为零点，向下为正；Λ_i为岩层i弹性模量，GPa；h_i为第i层岩层厚度，m；h₀为中性面距底面的距离，m；i＝1,2,3...n。

5.根据权利要求4所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述组合岩层的中性面距底面的距离h₀为：

式中，h₀为组合岩层的中性面距底面的距离，m；Λ_i为岩层i弹性模量，MPa；h_i为第i层岩层厚度；m；i＝1,2,3…,m,...n。

6.根据权利要求5所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，步骤S2中，层面发生滑移的判断别原则为：当采动覆岩层内某层位剪应力首次超过节理面的剪切强度时，层面发生滑移，形成滑移面。

7.根据权利要求6所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述采动覆岩层任意层面的最大剪切力为：

组合岩层的滑移面剪切强度为：

式中，[τ]为节理面剪切强度，MPa；为岩层摩擦角，°；JRC和JCS分别为节理粗糙系数和节理抗压强度，MPa；γ_i为第i层岩层的重度，KN/m³；Λ_i为岩层i弹性模量，GPa；h_i为第i层岩层厚度，m；i＝1,2,3...n。