一种基于相似模拟的巨厚覆岩下采区合理尺度确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于相似模拟的巨厚覆岩下采区合理尺度确定方法，属于煤矿安全技术领域。

背景技术

我国分布有多个赋存巨厚岩层的矿区，巨厚覆岩下煤层的开采冲击危险性高，致灾后果严重，治理难度大，已经成为矿井安全高效生产的巨大挑战。目前针对赋存巨厚覆岩的矿井，常常采用理论计算的方法确定采区的合理尺度，该方法往往过于简化矿井地质条件，不能准确的确定采区的合理尺度，容易出现采区尺度过大导致巨厚覆岩运动诱发冲击地压，或者采区尺度过小造成开拓成本过高、使得生产能力受限。此外还有根据矿井微震监测数据类比分析确定采区合理尺度的方法，但是该方法只适用于地质条件相似的采区，具有较大的局限性。因此如何提供一种新的巨厚覆岩下采区合理尺度确定方法，既能保障采区的生产能力降低开拓成本，又能避免因为采区尺度过大导致覆岩运动诱发冲击，同时实验数据的收集和分析较为简单，并对不同地质条件的矿区均有较好适用性，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于相似模拟的巨厚覆岩下采区合理尺度确定方法，既能保障采区的生产能力降低开拓成本，又能避免因为采区尺度过大导致覆岩运动诱发冲击，同时实验数据的收集和分析较为简单，并对不同地质条件的矿区均有较好适用性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于相似模拟的巨厚覆岩下采区合理尺度确定方法，具体步骤为：

A、根据采区钻孔综合柱状图确定煤层厚度、煤层上覆岩层位置及厚度、巨厚覆岩的厚度H，接着根据巨厚覆岩的厚度H确定模型的几何相似比γ，同时根据煤层厚度及煤层上覆岩层位置，确定实际综采工作面的长度为L，并铺设二维相似模拟实验架；

B、在距离实验架一侧边界为l位置处向另一侧边界开始依次布置n个倾向长度为L/γ的模拟工作面，并在除最靠近实验架一侧边界的模拟工作面之外，其他各个工作面的煤层中部按照间距d分别布置多个应力计；不在第一个模拟工作面布设应力计的原因是：第一个工作面开挖后，支承压力峰值出现在第二个工作面内，以此类推，第二个工作面开挖后，支承压力峰值出现在第三个工作面内，所以从第二个工作开始布置即可。

C、按顺序从最靠近实验架一侧向另一侧边界，依次模拟开挖各个模拟工作面，每次开挖后，记录各应力计数值，得到各工作面开挖后的支承压力峰值σ，将各次支承压力峰值绘制成开采尺度-支承压力峰值曲线，求得相邻两次开挖后的支承压力峰值变化量Δσ，具体计算公式为；

Δσ

其中，σ

D、根据步骤C得到支承压力峰值变化量，计算得到支承压力峰值变化率，从而确定巨厚覆岩下采区合理尺度，具体计算公式为：

其中，Δσ

确定巨厚覆岩下采区合理尺度的标准为：若第i个工作面开挖后计算得到的应力峰值变化率α

进一步，所述步骤B中，距离l为(60～100m)/γ。

进一步，所述步骤B中，布置的模拟工作面数量n不小于4。这样保证模拟后，使确定的合理尺度更精准。

进一步，当煤层厚度大于3.5m时，综采工作面倾向长度L设定为150～240m；当煤层厚度小于3.5m时，综采工作面倾向长度L设定为120～150m；所述应力计在模拟工作面的布置间距d为20m/γ。根据不同煤厚确定不同的综采工作面倾向长度，保证煤层开采的稳定性。

与现有技术相比，本发明先根据矿井钻孔柱状图确定巨厚覆岩的厚度H，进而确定模型的几何相似比γ和实际综采工作面的长度为L，并铺设二维相似模拟实验架；然后在距离实验架边界l处开始依次布置n个模拟工作面，从第2个工作面开始，依次在煤层中部按照间距d布置应力计；再按顺序依次模拟开挖回采工作面，每次开挖后，记录各应力计数值，得到各模拟工作面开挖后的支承压力峰值σ，将各次支承压力峰值绘制成开采尺度-支承压力峰值曲线，求得相邻两次开挖后的支承压力峰值变化量Δσ，最后根据支承压力峰值变化量，计算得到支承压力峰值变化率α，并依据支承压力峰值变化率的大小确定巨厚覆岩下采区合理尺度。本发明能够准确地确定采区的合理尺度，从而在设计层面上降低采区回采工作面的冲击危险性；避免出现按照经验法确定的采区尺度过大导致巨厚覆运动诱发冲击地压，或者采区尺度过小造成开拓成本过高生产能力受限的情况。

附图说明

图1是本发明实施例的采区钻孔柱状示意图；

图2是本发明实施例的相似模拟实验岩层分布及工作面布置示意图；

图3是本发明实施例中开采尺度-支承压力峰值示意图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，其为本实施例某矿某采区钻孔综合柱状图；其中煤层平均厚度20m，煤层上方80m位置赋存有120m厚度的砂岩，确定实际综采工作面长度L为180m；二维相似模拟实验平台工作面及应力计布置如图2所示。各工作面开挖后支承压力峰值曲线及采区合理尺度如图3所示。本实施例的具体操作步骤如下：

A、根据采区钻孔综合柱状图确定煤层上方80m赋存有120m厚度的厚砂岩，进而确定模型的几何相似比γ＝200，并铺设二维相似模拟实验架；

B、在距离实验架一侧边界0.3m处开始依次布置6个倾向长度为180m/200＝0.9m的模拟工作面，并从实验架一侧边界向另一侧依次编号为1至6，然后在编号为2至6的各个工作面的煤层中部按照间距0.1m分别布置多个应力计；

C、按顺序从编号1至6依次模拟开挖各个模拟工作面，每次开挖后，记录各应力计数值，得到各模拟工作面开挖后的支承压力峰值σ，将各次支承压力峰值绘制成开采尺度-支承压力峰值曲线，求得相邻两次开挖后的支承压力峰值变化量Δσ，具体计算公式为；

Δσ

其中，σ

由于1号工作面开挖后，支承压力峰值出现在2号工作面内，以此类推，2号工作面开挖后，支承压力峰值出现在3号工作面内；由图2计算可知，第2个工作面开挖后，其与第1个工作面之间的支承压力峰值变化量为29.6N(即51.2-21.6＝29.6)，第3个工作面开挖后，支承压力峰值变化量为31.5N，第4个工作面开挖后，支承压力峰值变化量为127.8N，第5个工作面开挖后，支承压力峰值变化量为140.8N。

D、根据步骤C得到支承压力峰值变化量，计算得到支承压力峰值变化率，从而确定巨厚覆岩下采区合理尺度，具体计算公式为：

其中，Δσ

确定巨厚覆岩下采区合理尺度的标准为：若第i个工作面开挖后计算的到的应力峰值变化率α

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。