一种采动覆岩破坏高度的确定方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及在一种采动覆岩破坏高度的确定方法，在煤层开采前，确定煤层开采后采动覆岩的破坏高度。

背景技术

煤层的开采会造成上部岩层的破坏和垮落，随着工作面的推进，采场上覆岩层受工作面采动影响开始发生运移。采场覆岩运移的明显特征是岩层的离层、破断、垮落和地表的移动变形，覆岩移动破坏自下往上逐渐发展。众所周知，在覆岩当中存在部分坚硬的岩层(硬岩层)，将影响到岩层整个运移破坏过程。正是由于覆岩运移受硬岩层的影响，采动覆岩呈现成组运移破坏的特征。

在煤炭生产过程中，覆岩破坏高度的确定涉及到了工作面安全高效回采，以及对瓦斯抽采、水体下采煤及老采空区的稳定性评判等实际生产活动都具有重要意义。

目前确定覆岩破坏高度的方法有工程类比法、理论计算法、现场实测法。

工程类比法依据已有的现场实测结果，通过工程类比，得到覆岩的破坏高度。此方法存在一个问题，要求必须有相同或相似工作面正在生产，并已经获得此工作面的覆岩破坏高度；因此该方法并不适用于设计或开拓初期阶段没有进行工作面回采活动的矿井。

理论计算法是采用经验公式对覆岩破坏高度进行计算，而经验公式是人们通过，统计分析长期实际生产测得覆岩破坏高度得到。由于此方法属于经验类公式，对覆岩破坏高度的计算具有一定的指导意义，因此对于部分地质条件计算结果与实际结果相差巨大。

现场实测法，当工作面回采过后，通过钻孔漏失液法、双端堵水器法、及钻孔电视等方法，对覆岩破坏高度进行探测。此方法对于没有进行过工作面回采活动的矿井无法使用，且此方法的实施过程费时、费力。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种采动覆岩破坏高度的确定方法，以克服煤层开采前采动覆岩破坏高度确定过程中普遍存在的适用性差、操作复杂等的缺陷。本发明的方法操作简单、效率高、适用性强。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种采动覆岩破坏高度的确定方法，该采动覆岩破坏高度的确定方法的步骤是：

第一步：确定出采场上覆岩层中的硬岩层承受载荷及其层位，并自下向上依次命名第i硬岩层(i＝1,2,3…)。

第二步：结合煤层开采高度、硬岩层距煤层的距离、岩层的碎胀特性，根据下述公式确定硬岩层下方空洞的高度高度wi；

w

式中：M为开采煤层厚度，(Kp)i为第i硬岩层至煤层之间每层岩层的碎胀系数，hi为第i硬岩层至煤层之间每层岩层厚度，wi为第i层硬岩层下方空洞高度；

第三步：岩层发生在发生初次破断以前，岩层视为矩形截面的固支梁模型；

式中：Lc为初次破断块体长度，b为梁的矩形截面宽度，I为矩形截面的惯性矩；

而岩层的最大下沉变形与其下部空洞高度的关系，决定了岩层是否发生破坏；以拉强度准则作为岩层的破坏准则，计算出破坏临界状态下岩层的挠度方程和岩层最大下沉量：

当岩层的矩形截面为单位宽度，即b＝1时，

式中：ω为梁的挠度，E为岩层的弹性模量；

当x＝0时，固支梁的弯曲下沉变形达到最大值：

第四步：自第1硬岩层开始，判断硬岩层是否会发生破断。当硬岩层不破断时，此硬岩层距煤层距离，即采动覆岩的破坏高度；当硬岩层破断时，开始下一硬岩层判断，直至判断到未发生破断的硬岩层；当直到最上部硬岩层也发生破坏时，覆岩破坏高度即为煤层埋深。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S1中，采场上部硬岩层的层位及承受载荷采用下述公式计算得出：

(q

式中：q为岩层承受载荷，E为岩层的弹性模量，h为硬岩层至煤层之间每层岩层厚度，γ为岩层容重，n为承载岩层，i为承载岩层的上部载荷岩层的层数；

硬岩层从煤层上方的第一层岩层开始计算，n也从本岩层开始计数，当满足：

(q

n+1层岩层则为第i+1硬岩层，n重新开始从i+1层开始计数，重复上述步骤直至计算到地表。

优选地，在所述第三步中，采场上部硬岩层的初次破断块体长度，采用固支梁模型进求解，得到L

式中，L

当硬岩层的下部空洞高度大于其最大挠度弯曲变形，硬岩层发生破断，否则不发生破断。

自1硬岩层开始，对硬岩层是否发生破断进行判断。当判断某硬岩层发生破断时，则此硬岩层及其荷载岩层属于覆岩破坏范围以内；直至判断到不破断的硬岩层，则此硬岩至煤层距离为采动覆岩破坏高度

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：

本发明的采动覆岩破坏高度的确定方法，以解决煤层开采前难以准确确定采动覆岩破坏高度的问题，为工作面安全高效回采、瓦斯抽采钻孔的合理设计以及工作面回采结束后采空区地表建筑物稳定性的评价等工作的进行提供了理论支撑。本发明提供的采动覆岩破坏高度的确定方法，认为当岩层超过其极限挠度下沉值时岩层将发生破断，因此岩层的最大下沉变形与其下部空洞高度的关系，决定了岩层是否发生破坏，而硬岩层作为采动覆岩运移过程中的主要影响岩层，因此确定以硬岩层作为研究对象，对硬岩层进行力学分析和破断判定，从而更为准确地确定采动覆岩破坏高度，进而实现工作面安全高效回采、瓦斯抽采钻孔的合理设计，以及工作面回采结束后采空区地表建筑物稳定性的评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是采动覆岩的硬岩层空间示意图；

图2为硬岩层层位及载荷计算模型；

图3为硬岩层初次破断的力学模型；

图4为覆岩破坏高度判断流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，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。

如图1-4所示，本发明的采动覆岩破坏高度的确定方法，操作步骤如下：

第一步：确定出采场上覆岩层中的硬岩层承受载荷及其层位，并自下向上依次命名第i硬岩层(i＝1,2,…)，图1示出了覆岩当中不同硬岩层的空间相对位置。

确定硬岩层的层位及承受载荷，可由工作面附近的柱状图等地质资料及其岩层力学参数，计算分析确定得到。具体过程，可采用如下方法进行初步确定，煤层上方硬岩层的层位及承受载荷：

式中：q为岩层承受载荷，(q

硬岩层从煤层上方的第一层岩层开始计算，n也从本岩层开始计数，当满足：

(q

n+1层岩层则为第i+1硬岩层，n重新开始从i+1层开始计数，重复上述步骤直至计算到地表。

第二步：结合煤层开采高度、硬岩层距煤层的距离、岩层的碎胀特性，根确定硬岩层下方空洞的高度wi；

w

式中：M为开采煤层厚度，(Kp)i为第i硬岩层至煤层之间每层岩层的碎胀系数，hi为第i硬岩层至煤层之。

第三步：采用固支梁模型,计算每层硬岩层发生破坏前的最大挠度下沉变形量ω

式中，L

第i硬岩层的载荷可通过(q

式中，L

第四步：自第1硬岩层开始，判断硬岩层是否会发生破断。当硬岩层不破断时，此硬岩层距煤层距离，即采动覆岩的破坏高度；当硬岩层破断时，开始下一硬岩层判断，直至判断到未发生破断的硬岩层；当直到最上部硬岩层也发生破坏时，覆岩破坏高度即为煤层埋深。

本发明的采动覆岩破坏高度的确定方法，以解决煤层开采前难以准确确定采动覆岩破坏高度的问题，为工作面安全高效回采、瓦斯抽采钻孔的合理设计以及工作面回采结束后采空区地表建筑物稳定性的评价等工作的进行提供了理论支撑。本发明提供的采动覆岩破坏高度的确定方法，认为当岩层超过其极限挠度下沉值时岩层将发生破断，因此岩层的最大下沉变形与其下部空洞高度的关系，决定了岩层是否发生破坏，而硬岩层作为采动覆岩运移过程中的主要影响岩层，因此确定以硬岩层作为研究对象，对硬岩层进行力学分析和破断判定，从而更为准确地确定采动覆岩破坏高度，进而实现工作面安全高效回采、瓦斯抽采钻孔的合理设计，以及工作面回采结束后采空区地表建筑物稳定性的评价。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。