CN117436291A - 一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，属于地层测试技术领域，用于进行采场三带辨别，包括利用关键层理论确定采场上方全部关键层层位，使用马库斯工程简算式确定关键层的极限跨距，确定发生破断的关键层层位，根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，逐层判断关键层所属的带位，确定垮落带和断裂带的临界层位；根据临界层位，确定发生破断的最高位关键层和其下部的离层空间高度，根据地质条件和开采范围，确定覆岩三带的高度范围。本发明将模型中巨厚坚硬岩层假设为主关键层，使研究结论更具普遍性；准确判断采场中不同岩层所属的三带范围，为采矿工程的安全和高效开展提供了科学依据。

Description

一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法

技术领域

本发明公开一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，属于地层测试技术领域。

背景技术

巨厚坚硬岩层所处的层位与工作面开采尺寸决定了巨厚坚硬岩层的破断，为研究巨厚坚硬岩层破断动力致灾机理，需确定硬厚岩层所处“三带”层位。目前，现有的采场覆岩三带判别方法存在一定的误差，无法准确判断垮落带、断裂带和弯曲带的层位范围。实践证明，许多煤矿放顶煤开采的断裂带高度实测结果与按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》预计方法的结果存在较大的差异，经验公式的适用性是值得商榷的。为此，国内学者做了大量的研究工作。提出当关键层与回采煤层距离为7~10倍采高时，导水裂隙带高度应达到与工作面距离10倍采高最近的关键层层位，通过与中厚煤层及厚煤层开采实测值的对比，认为基于关键层理论确定导水裂隙带高度更接近实测值。相似模拟试验结果显示，覆岩“三带”高度发育明显受主关键层破断的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，以解决现有技术中，采场三带辨别方法不准确的问题。

一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，包括：

S1.根据钻孔柱状图和覆岩岩性，利用关键层理论确定采场上方全部关键层层位；

采场矿压模型使用相似材料模拟模型，相似材料模拟模型中，最上层为表土层，向下是依次是n层主关键层、多层亚关键层，最下是煤层；

S2.使用马库斯工程简算式确定关键层的极限跨距；

S3.由S2计算结果，结合工作面设计开采参数，确定发生破断的关键层层位；

S4.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，逐层判断关键层所属的带位，确定垮落带和断裂带的临界层位；

S5.根据临界层位，确定发生破断的最高位关键层和其下部的离层空间高度；

S6.根据地质条件和开采范围，确定覆岩三带的高度范围。

S2包括：

S2.1.确定不同边界条件下板断裂的极限跨距a，边界条件一共四种：四周实体煤固支条件、一边采空区或断层简支和三边固支条件、两邻边简支和两邻边固支条件、三边采空或有断层的孤岛面条件，分别为第一条件、第二条件、第三条件和第四条件；

S2.1.1.第一条件下，板断裂的极限跨距为：

；

式中，a₁单位为m，b为板沿工作面长度方向极限跨距，单位为m，l_m为四边固支无限长板条顶板的步距准数，单位为m；

四边固支无限长板条顶板的步距准数为：

；

式中，h为关键层厚度，单位为m，μ为关键层泊松比，σ_t为关键层抗拉强度，单位为MPa，q为关键层自重及其上载荷，单位为MPa；

S2.1.2.第二条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.3.第三条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.4.第四条件下，板断裂的极限跨距为：

。

S3包括：确定发生破断的关键层层位的判断条件为：

对于第一条件和第二条件，b≥l_m；对于第三条件和第四条件，；

当关键层岩板沿工作面长度方向达到极限跨距时，对应工作面的极限长度L_C为：

L_C=b+2∑Hcotβ；

式中，∑H为关键层与煤层的间距，单位是m，β为岩层破断角；

工作面推进距离满足以下条件即发生断裂：

L_T≥a+2∑Hcotβ；

L_T表示发生断裂时的工作面长度。

S4包括：

S4.1.根据采场矿压理论，基本顶为靠近采场最近的关键层；

多层亚关键层从下而上分别为第1层亚关键层、第2层亚关键层、……第j层亚关键层，假设第1层亚关键层为基本顶，则基本顶下部离煤层空间高度Δh₁为：

Δh₁=mh-(K_z-1)∑h₁；

式中，K_z为垮落岩层的碎胀系数，取1.33~1.5，∑h₁为第1层亚关键层的底部和煤层之间的距离，mh表示煤层的采高；

S4.2.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件对基本顶进行失稳判断，判断条件为：

S4.2.1.滑落失稳条件为：

；

式中，为岩块间的摩擦角，/>=38°~45°，tan/>=0.8~1，hh为岩块厚度，单位为m，L为岩块长度，单位为m，L=/>；

S4.2.2.变形失稳条件为：

Δh>Δ；

式中，Δh为关键层下部离煤层空间的高度，单位为m，Δ为砌体梁回转岩块保持稳定允许的最大回转高度：

；

式中，K为岩块挤压强度与抗压强度比值，取~/>，/>为抗压强度和抗拉强度的比值，/>为岩块间的挤压强度和抗压强度的比值：

；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_p为岩块间的挤压强度，单位为Mpa：

；

式中，q为岩块所承受的单位面积载荷，单位为kN/m²，为中间参数角的正弦值：

；/>；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_t为抗拉强度，单位为Mpa；

如果第1层亚关键层同时满足稳定理论的两个失稳条件，则第1层亚关键层为基本顶的假设不成立，第1层亚关键层属于垮落带，反之则假设成立，第1层亚关键层属于断裂带。

S5包括：

设临界关键层为i，i＞1，发生破断的最高位关键层为j，i≤j≤n，发生破断前最高位关键层j下部的离煤层空间高度Δh_j为：

Δh_j=m-(K_z-1)(∑h₁+h₁+∑h₂+h₂+∑h_i)-(K_l-1)(h_i+∑h_j)；

式中，K_l为断裂岩层的碎胀系数，取1.15~1.33，h₁表示第1层亚关键层的高度，∑h₂表示第2层亚关键层底部离煤层空间高度，h₂表示第2层亚关键层的高度，∑h_i表示第i层亚关键层底部离煤层空间高度；

若j<n，即发生破断的最高层位关键层为亚关键层，则亚关键层j及随动层∑h_n属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围，此时为非充分采动；

若j=n，即主关键层在工作面回采范围内发生破断，则关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围，此时为充分采动；

当主关键层上覆软岩层及松散沉积层较薄时，弯曲带不是一定存在。

S6包括：

根据S4的砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，若第x层不同时满足稳定理论的两个失稳条件且l层到x-l层都满足稳定理论的两个失稳条件，判断第l层到x-l层为垮落带，其上的亚关键层为断裂带，其上主关键层及随动层和表土层属于弯曲带；

根据S5确定的结果，若发生破断的最高层位为亚关键层j，则亚关键层l到j-l为垮落带，其上亚关键层j及随动层属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围；

开采过程中若发生破断的最高层位为主关键层，则亚关键层属于垮落带，主关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明综合采高、开采范围、覆岩力学性质等因素，提出含硬厚岩层覆岩“三带”判别方法，将模型中巨厚坚硬岩层假设为主关键层，使研究结论更具普遍性；准确判断采场中不同岩层所属的三带范围，为采矿工程的安全和高效开展提供了科学依据。

附图说明

图1是本发明的采场矿压模型参考相似材料模拟模型图；

图2是本发明中的力学模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，包括：

S1.根据钻孔柱状图和覆岩岩性，利用关键层理论确定采场上方全部关键层层位；

采场矿压模型使用相似材料模拟模型，相似材料模拟模型中，最上层为表土层，向下是依次是n层主关键层、多层亚关键层，最下是煤层；

S2.使用马库斯工程简算式确定关键层的极限跨距；

S3.由S2计算结果，结合工作面设计开采参数，确定发生破断的关键层层位；

S4.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，逐层判断关键层所属的带位，确定垮落带和断裂带的临界层位；

S5.根据临界层位，确定发生破断的最高位关键层和其下部的离层空间高度；

S6.根据地质条件和开采范围，确定覆岩三带的高度范围。

S2包括：

S2.1.确定不同边界条件下板断裂的极限跨距a，边界条件一共四种：四周实体煤固支条件、一边采空区或断层简支和三边固支条件、两邻边简支和两邻边固支条件、三边采空或有断层的孤岛面条件，分别为第一条件、第二条件、第三条件和第四条件；

S2.1.1.第一条件下，板断裂的极限跨距为：

；

式中，a₁单位为m，b为板沿工作面长度方向极限跨距，单位为m，l_m为四边固支无限长板条顶板的步距准数，单位为m；

四边固支无限长板条顶板的步距准数为：

；

式中，h为关键层厚度，单位为m，μ为关键层泊松比，σ_t为关键层抗拉强度，单位为MPa，q为关键层自重及其上载荷，单位为MPa；

S2.1.2.第二条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.3.第三条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.4.第四条件下，板断裂的极限跨距为：

。

S3包括：确定发生破断的关键层层位的判断条件为：

对于第一条件和第二条件，b≥l_m；对于第三条件和第四条件，；

当关键层岩板沿工作面长度方向达到极限跨距时，对应工作面的极限长度L_C为：

L_C=b+2∑Hcotβ；

式中，∑H为关键层与煤层的间距，单位是m，β为岩层破断角；

工作面推进距离满足以下条件即发生断裂：

L_T≥a+2∑Hcotβ；

L_T表示发生断裂时的工作面长度。

S4包括：

S4.1.根据采场矿压理论，基本顶为靠近采场最近的关键层；

多层亚关键层从下而上分别为第1层亚关键层、第2层亚关键层、……第j层亚关键层，假设第1层亚关键层为基本顶，则基本顶下部离煤层空间高度Δh₁为：

Δh₁=mh-(K_z-1)∑h₁；

式中，K_z为垮落岩层的碎胀系数，取1.33~1.5，∑h₁为第1层亚关键层的底部和煤层之间的距离，mh表示煤层的采高；

S4.2.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件对基本顶进行失稳判断，判断条件为：

S4.2.1.滑落失稳条件为：

；

式中，为岩块间的摩擦角，/>=38°~45°，tan/>=0.8~1，hh为岩块厚度，单位为m，L为岩块长度，单位为m，L=/>；

S4.2.2.变形失稳条件为：

Δh>Δ；

式中，Δh为关键层下部离煤层空间的高度，单位为m，Δ为砌体梁回转岩块保持稳定允许的最大回转高度：

；

式中，K为岩块挤压强度与抗压强度比值，取~/>，/>为抗压强度和抗拉强度的比值，/>为岩块间的挤压强度和抗压强度的比值：

；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_p为岩块间的挤压强度，单位为Mpa：

；

式中，q为岩块所承受的单位面积载荷，单位为kN/m²，为中间参数角的正弦值：

；/>；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_t为抗拉强度，单位为Mpa；

如果第1层亚关键层同时满足稳定理论的两个失稳条件，则第1层亚关键层为基本顶的假设不成立，第1层亚关键层属于垮落带，反之则假设成立，第1层亚关键层属于断裂带。

S5包括：

设临界关键层为i，i＞1，发生破断的最高位关键层为j，i≤j≤n，发生破断前最高位关键层j下部的离煤层空间高度Δh_j为：

Δh_j=m-(K_z-1)(∑h₁+h₁+∑h₂+h₂+∑h_i)-(K_l-1)(h_i+∑h_j)；

式中，K_l为断裂岩层的碎胀系数，取1.15~1.33，h₁表示第1层亚关键层的高度，∑h₂表示第2层亚关键层底部离煤层空间高度，h₂表示第2层亚关键层的高度，∑h_i表示第i层亚关键层底部离煤层空间高度；

若j<n，即发生破断的最高层位关键层为亚关键层，则亚关键层j及随动层∑h_n属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围，此时为非充分采动；

若j=n，即主关键层在工作面回采范围内发生破断，则关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围，此时为充分采动；

当主关键层上覆软岩层及松散沉积层较薄时，弯曲带不是一定存在。

S6包括：

根据S4的砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，若第x层不同时满足稳定理论的两个失稳条件且l层到x-l层都满足稳定理论的两个失稳条件，判断第l层到x-l层为垮落带，其上的亚关键层为断裂带，其上主关键层及随动层和表土层属于弯曲带；

根据S5确定的结果，若发生破断的最高层位为亚关键层j，则亚关键层l到j-l为垮落带，其上亚关键层j及随动层属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围；

开采过程中若发生破断的最高层位为主关键层，则亚关键层属于垮落带，主关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围。

本发明的采场矿压模型参考相似材料模拟模型如图1所示，其表示了表土层至煤层的情况，其中符号含义，h _n+1表示第n+1层亚关键层的高度，∑h _n+1 表示第n+1层亚关键层底部离煤层空间高度。本发明中的力学模型如图2所示，其中∑H表示关键层厚度的总和，L _C为当关键层岩板沿工作面长度方向达到极限跨距时，对应工作面的极限长度，L _T表示发生断裂时的工作面长度。

Claims (6)

1.一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，包括：

S1.根据钻孔柱状图和覆岩岩性，利用关键层理论确定采场上方全部关键层层位；

采场矿压模型使用相似材料模拟模型，相似材料模拟模型中，最上层为表土层，向下是依次是n层主关键层、多层亚关键层，最下是煤层；

S2.使用马库斯工程简算式确定关键层的极限跨距；

S3.由S2计算结果，结合工作面设计开采参数，确定发生破断的关键层层位；

S4.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，逐层判断关键层所属的带位，确定垮落带和断裂带的临界层位；

S5.根据临界层位，确定发生破断的最高位关键层和其下部的离层空间高度；

S6.根据地质条件和开采范围，确定覆岩三带的高度范围。

2.根据权利要求1所述的一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，S2包括：

S2.1.确定不同边界条件下板断裂的极限跨距a，边界条件一共四种：四周实体煤固支条件、一边采空区或断层简支和三边固支条件、两邻边简支和两邻边固支条件、三边采空或有断层的孤岛面条件，分别为第一条件、第二条件、第三条件和第四条件；

S2.1.1.第一条件下，板断裂的极限跨距为：

；

式中，a₁单位为m，b为板沿工作面长度方向极限跨距，单位为m，l_m为四边固支无限长板条顶板的步距准数，单位为m；

四边固支无限长板条顶板的步距准数为：

；

式中，h为关键层厚度，单位为m，μ为关键层泊松比，σ_t为关键层抗拉强度，单位为MPa，q为关键层自重及其上载荷，单位为MPa；

S2.1.2.第二条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.3.第三条件下，板断裂的极限跨距为：

；

S2.1.4.第四条件下，板断裂的极限跨距为：

。

3.根据权利要求2所述的一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，S3包括：确定发生破断的关键层层位的判断条件为：

对于第一条件和第二条件，b≥l_m；对于第三条件和第四条件，；

当关键层岩板沿工作面长度方向达到极限跨距时，对应工作面的极限长度L_C为：

L_C=b+2∑Hcotβ；

式中，∑H为关键层与煤层的间距，单位是m，β为岩层破断角；

工作面推进距离满足以下条件即发生断裂：

L_T≥a+2∑Hcotβ；

L_T表示发生断裂时的工作面长度。

4.根据权利要求3所述的一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，S4包括：

S4.1.根据采场矿压理论，基本顶为靠近采场最近的关键层；

多层亚关键层从下而上分别为第1层亚关键层、第2层亚关键层、……第j层亚关键层，假设第1层亚关键层为基本顶，则基本顶下部离煤层空间高度Δh₁为：

Δh₁=mh-(K_z-1)∑h₁；

式中，K_z为垮落岩层的碎胀系数，取1.33~1.5，∑h₁为第1层亚关键层的底部和煤层之间的距离，mh表示煤层的采高；

S4.2.根据砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件对基本顶进行失稳判断，判断条件为：

S4.2.1.滑落失稳条件为：

；

式中，为岩块间的摩擦角，/>=38°~45°，tan/>=0.8~1，hh为岩块厚度，单位为m，L为岩块长度，单位为m，L=/>；

S4.2.2.变形失稳条件为：

Δh>Δ；

式中，Δh为关键层下部离煤层空间的高度，单位为m，Δ为砌体梁回转岩块保持稳定允许的最大回转高度：

；

式中，K为岩块挤压强度与抗压强度比值，取~/>，/>为抗压强度和抗拉强度的比值，/>为岩块间的挤压强度和抗压强度的比值：

；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_p为岩块间的挤压强度，单位为Mpa：

；

式中，q为岩块所承受的单位面积载荷，单位为kN/m²，为中间参数角的正弦值：

；/>；

式中，σ_c为抗压强度，单位为Mpa，σ_t为抗拉强度，单位为Mpa；

如果第1层亚关键层同时满足稳定理论的两个失稳条件，则第1层亚关键层为基本顶的假设不成立，第1层亚关键层属于垮落带，反之则假设成立，第1层亚关键层属于断裂带。

5.根据权利要求4所述的一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，S5包括：

设临界关键层为i，i＞1，发生破断的最高位关键层为j，i≤j≤n，发生破断前最高位关键层j下部的离煤层空间高度Δh_j为：

Δh_j=m-(K_z-1)(∑h₁+h₁+∑h₂+h₂+∑h_i)-(K_l-1)(h_i+∑h_j)；

式中，K_l为断裂岩层的碎胀系数，取1.15~1.33，h₁表示第1层亚关键层的高度，∑h₂表示第2层亚关键层底部离煤层空间高度，h₂表示第2层亚关键层的高度，∑h_i表示第i层亚关键层底部离煤层空间高度；

若j<n，即发生破断的最高层位关键层为亚关键层，则亚关键层j及随动层∑h_n属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围，此时为非充分采动；

若j=n，即主关键层在工作面回采范围内发生破断，则关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围，此时为充分采动；

当主关键层上覆软岩层及松散沉积层较薄时，弯曲带不是一定存在。

6.根据权利要求5所述的一种基于覆岩运动学理论的采场三带辨别方法，其特征在于，S6包括：

根据S4的砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，若第x层不同时满足稳定理论的两个失稳条件且l层到x-l层都满足稳定理论的两个失稳条件，判断第l层到x-l层为垮落带，其上的亚关键层为断裂带，其上主关键层及随动层和表土层属于弯曲带；

根据S5确定的结果，若发生破断的最高层位为亚关键层j，则亚关键层l到j-l为垮落带，其上亚关键层j及随动层属于断裂带，其上主关键层n及随动层和表土层属于弯曲带范围；

开采过程中若发生破断的最高层位为主关键层，则亚关键层属于垮落带，主关键层及其随动层属于断裂带范围，上覆软岩、松散沉积层直到地表属于弯曲带范围。