覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法及系统

技术领域

本发明属于矿井水害防治技术领域，尤其涉及覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

我国多数矿区地层构造复杂，煤层开采厚度大，倾角变化大，矿区矿井顶板突水风险危害严重。作为煤矿安全事故之一的矿井顶板突涌水事故，其实质是采动导水裂隙带贯穿隔水层的最终宏观表现。因此，形成覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法及系统，对于西北矿区生态地质环境保护、水害防治等具有重要的科学研究意义和应用价值。

采动顶板导水裂隙带高度预计是一个多因素、不确定性强、对时空分辨率要求高的预测方法，预测采动顶板导水裂隙带高度难度较大，往往出现预测高度与实际发育高度偏差较大的情况，同时由于没有形成一套系统的采动顶板导水裂隙带高度预测方法，导致采动顶板突涌水事故时有发生。当前矿井采动顶板导水裂隙带高度预计研究往往集中于：

(1)当前煤层开采顶板导水裂隙带发育高度预计的方法，主要针对我国东部石炭-二叠系煤层开采实测值总结；

(2)采动顶板导水裂隙带高度预计方法往往基于某一被公众广泛认可的理论，上述研究虽然取得较为丰富的研究成果，在一定程度上预防了工作面顶板突涌水事故的发生。

发明人发现，现有技术但仍存在以下不足：

(1)西部矿区开采主要为浅埋厚煤层，具有大采高、大采深的特点，上覆潜水隔水土层主要以黄土红土为主，采动导水裂隙带高度易贯穿基岩进入土层，与东部矿区煤层埋藏以及开采条件大有不同，先前总结的经验公式难以实现准确预测。

(2)采动顶板导水裂隙带高度预计方法往往基于某一单一理论，未形成一套系统、精细的采动顶板导水裂隙带高度预计方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法及系统，适用于西北矿区采动导水裂隙带的高度确定，形成了一套系统、精细的采动顶板导水裂隙带高度预计方法，能够对采动导水裂隙带高度准确预计，对于西北矿区生态地质环境保护、水害防治等具有重要的科学研究意义和应用价值。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法。

覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法，包括以下步骤：

确定覆岩主关键层位置，判断主关键层与煤层的间距与设定临界高度的大小，进而判断采动导水裂隙是否破坏主关键层；

若主关键层未破坏，则采动导水裂隙带将发育至位于主关键层下方且距主关键层最近的亚关键层下部，采动导水裂隙带高度等于距主关键层最近的亚关键层下部距开采煤层上部的距离；

若主关键层已破坏，则基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；若主关键层上部基岩岩层未全部破断，则通过破断岩层之和确定采动导水裂隙带高度；若全部破断，则采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处；

判断此时土层中是否形成稳定拱，若是，再判断稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落，基于塌落情况，判断采动导水裂隙带高度为基岩厚度还是基岩厚度与平衡拱的临界高度之和；

若土层中未形成稳定拱，则判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处，进而判断采动导水裂隙带为发育至地表还是发育至岩土交界面。

优选的，判断采动导水裂隙带是否破坏主关键层，具体为：

提取采煤工作面的煤层厚度、顶底板岩性和煤层埋深；

采用关键层判别软件KSPB进行覆岩主关键层位置的判别；

计算主关键层位置距煤层间距，将(7～10)M作为临界高度，M为煤层采厚，判断主关键层与煤层间距是否大于临界高度；

若主关键层与煤层间距大于临界高度，则主关键层未破坏；

若主关键层与煤层间距小于临界高度，则主关键层已破坏。

优选的，若主关键层已破坏，判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断，具体为：

对临界高度以上覆岩结构特征进行分析，应用薄板理论，计算板状岩体的极限挠度ω

计算各岩层下的自由空间高度S

当ω

当ω

优选的，判断采动导水裂隙带高度为基岩厚度还是基岩厚度与平衡拱的临界高度之和，具体为：

计算土体平衡拱的走向跨距；

基于普氏理论判断土层中是否形成稳定拱；

若已形成稳定拱，判断稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落；

若未塌落，则采动导水裂隙带高度发育至岩土交界处，采动导水裂隙带高度为基岩厚度；

若塌落，则基于极限平衡理论，确定采动导水裂隙带高度为基岩厚度与平衡拱的临界高度之和。

优选的，若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；

若发育至岩土交界处，则整个隔水层被导通，采动导水裂隙带发育至地表；

若未发育至岩土交界处，则导水裂隙带高度发育至岩土交界面，采动导水裂隙带高度为基岩厚度。

优选的，各岩层下的自由空间高度为：

其中，S

优选的，判断土层中是否形成稳定拱的方法为：

计算土体平衡拱的临界高度h

计算土体中平衡拱顶界面到土体顶界面的距离H

判断H

本发明第二方面提供了覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计系统。

覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计系统，包括：

主关键层判断模块，被配置为：确定覆岩主关键层位置，判断主关键层与煤层的间距与设定临界高度的大小，进而判断采动导水裂隙是否破坏主关键层；若主关键层未破坏，则采动导水裂隙带将发育至位于主关键层下方且距主关键层最近的亚关键层下部，采动导水裂隙带高度等于距主关键层最近的亚关键层下部距开采煤层上部的距离；

基岩岩层是否全部破断判断模块，被配置为：若主关键层已破坏，则基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；若主关键层上部基岩岩层未全部破断，则通过破断岩层之和确定采动导水裂隙带高度；若全部破断，则采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处；

形成稳定拱判断模块，被配置为：判断土层中是否形成稳定拱，若是，再判断稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落，基于塌落情况，判断采动导水裂隙带高度为基岩厚度还是基岩厚度与平衡拱的临界高度之和；

未形成稳定拱判断模块，被配置为：若土层中未形成稳定拱，则判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处，进而判断采动导水裂隙带为发育至地表还是发育至岩土交界面。

本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法中的步骤。

本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法中的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、针对现有技术中采动导水裂隙带发育高度预计公式往往集中于基岩岩层中、易忽略或难以确定导水裂隙带贯穿基岩岩层进入土层中的发育高度，在进行导水裂隙带发育高度预计时不够准确的问题，本发明考虑了导水裂隙带贯穿基岩岩层进入土层中的情况，通过判断土层中是否形成稳定拱、稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落情况、地表下行裂缝是否发育至岩土交界处的情况，进行综合判断，使得结果更加准确。

2、针对现有规程经验公式往往以东部石炭二叠系煤系地层和开采条件等数据为基础，而总结获取；西部矿区现场实测导水裂隙高度证实该经验公式对于西部矿区导水裂隙高度适宜性较差，本发明提出了一种适用于西北矿区采动导水裂隙带的高度确定方法，能够对采动导水裂隙带高度准确预计，对于西北矿区生态地质环境保护、水害防治等具有重要的科学研究意义和应用价值。

3、针对目前导水裂隙带在基岩中发育高度的确定往往基于关键层理论或数理统计分析，未考虑每个基岩岩层挠曲破坏状态，导致覆岩-土结构下导水裂隙带发育高度预计不准确的问题，为此，本发明在判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断时，应用薄板理论，计算板状岩体的极限挠度ω

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例的方法流程图。

图2为第二个实施例的系统结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

针对现有问题：

(1)采动导水裂隙带发育高度预计公式集中于基岩岩层中、易忽略或难以确定导水裂隙带贯穿基岩岩层进入土层中的发育高度；(2)现有规程经验公式往往以东部石炭二叠系煤系地层和开采条件等数据为基础，而总结获取；西部矿区现场实测导水裂隙高度证实该经验公式对于西部矿区导水裂隙高度适宜性较差；(3)目前导水裂隙带在基岩中发育高度，往往基于关键层理论或数理统计分析等获取，然后未考虑每个基岩岩层挠曲破坏状态；导致覆岩-土结构下导水裂隙带发育高度预计不准确的问题。

本发明提供了一套系统的精细的采动顶板导水裂隙带高度预计方法，对于西北矿区生态地质环境保护、水害防治等具有重要的科学研究意义和应用价值。包括以下步骤：

首先，基于关键层理论确定覆岩主关键层位置；计算主关键层与煤层间距；判断主关键层与煤层间距是否大于某一临界高度；若大于此临界高度，则基于关键层理论确定采动导水裂隙带高度；若小于此临界高度，由于采空区破碎岩体对覆岩的支撑作用，极可能导致导高不能直接发育至岩土交界处，故基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；

若未全部破断则通过计算破断岩层之和从而确定采动导水裂隙带高度；若全部破断则采动导水裂隙带至少已发育至岩土交界处，进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距，进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱；

若已形成稳定拱，再判断该稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落；若未塌落，则采动导水裂隙带发育至岩土交界处；若塌落，则基于极限平衡理论确定采动导水裂隙带高度；

若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；若发育至岩土交界处则整个隔水层被导通，采动导水裂隙带发育至地表；若下行裂缝未发育至岩土交界处则采动导水裂隙带发育至岩土交界面。

基于上述内容，形成覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法及系统，该发明方法对于西北矿区生态地质环境保护、水害防治等具有重要的科学研究意义和应用价值。

实施例一

本实施例公开了覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法。

如图1所示，覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法，包括以下步骤：

确定覆岩主关键层位置，判断主关键层与煤层的间距与设定临界高度的大小，进而判断采动导水裂隙是否破坏主关键层；

若主关键层未破坏，则采动导水裂隙带将发育至位于主关键层下方且距主关键层最近的亚关键层下部，采动导水裂隙带高度等于距主关键层最近的亚关键层下部距开采煤层上部的距离；

若主关键层已破坏，则基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；若主关键层上部基岩岩层未全部破断，则通过破断岩层之和确定采动导水裂隙带高度；若全部破断，则采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处；

判断土层中是否形成稳定拱，若是，再判断稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落，基于塌落情况，判断采动导水裂隙带高度为基岩厚度还是基岩厚度与平衡拱的临界高度之和；

若土层中未形成稳定拱，则判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处，进而判断采动导水裂隙带为发育至地表还是发育至岩土交界面。

具体包括：

基于关键层理论确定覆岩主关键层位置；

计算主关键层与煤层间距；

判断主关键层与煤层间距是否大于某一临界高度；

若大于此临界高度，则基于关键层理论确定采动导水裂隙带高度；

若小于此临界高度，由于采空区破碎岩体对覆岩的支撑作用，极可能导致导高不能直接发育至岩土交界处，故基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；

若未全部破断则通过计算破断岩层之和从而确定采动导水裂隙带高度；

若全部破断则采动导水裂隙带至少已发育至岩土交界处，进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距，进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱；

若已形成稳定拱，再判断该稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落；

若未塌落，则采动导水裂隙带发育至岩土交界处；

若塌落，则基于基于极限平衡理论确定采动导水裂隙带高度；

若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；

若发育至岩土交界处则整个隔水层被导通，采动导水裂隙带发育至地表；

若下行裂缝未发育至岩土交界处则采动导水裂隙带发育至岩土交界面。

基于上述，形成西北矿区覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带发育高度精细计算方法。

基于关键层理论确定覆岩主关键层位置，计算主关键层与煤层间距，判断主关键层与煤层间距是否大于某一临界高度以及确定间距大于此临界高度的采动导水裂隙带高度的方法步骤为：

(1)获取采煤工作面地质钻孔资料，具体指：煤层厚度、顶底板岩性及埋深等地质资料。

(2)采用关键层判别软件KSPB(国家计算机软件著作权登记号2008SR34419)进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别。

(3)计算关键层位置距开采煤层高度，并通过建立关键层位置与破断裂缝张开度计算模型得出将(7～10)M(M为煤层采厚)作为该工况下的临界高度，进一步的，判断主关键层与煤层间距是否大于该临界高度。

(4)确定间距大于此临界高度的采动导水裂隙带高度。当覆岩主关键层距煤层间距大于临界高度(7～10)M时，采动导水裂隙带将发育至位于主关键层下方且距主关键层最近的亚关键层下部，采动导水裂隙带高度等于该亚关键层下部距开采煤层上部的距离。

基于关键层理论已确定主关键层与煤层间距小于此临界高度，由于采空区破碎岩体对覆岩的支撑作用，极可能导致导高不能直接发育至岩土交界处，故基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；进一步的，确定上部基岩岩层未全部破断时通过计算破断岩层之和从而确定采动导水裂隙带高度的具体方法步骤为：

(1)基于关键层理论已确定主关键层与煤层间距小于临界高度(7～10)M(M为煤层采厚)；

(2)进一步的，基于对临界高度以上覆岩结构(跨落)特征的分析，应用薄板理论，计算板状岩体的极限挠度：

q＝γHx/a

其中，H为上覆各岩层埋深，m；a为上覆各岩层的走向长度(工作面应力降低区走向长度)，m；b为上覆各岩层薄板的宽度(工作面倾向)，m；γ为上覆各岩层容重，KN/m

(3)进一步的，基于导水裂隙带的岩层发生碎胀，而弯曲下沉带岩层不发生体积上的变化，则各岩层下的自由空间高度为：

式中：S

(4)进一步的，确定上部基岩岩层未全部破断时的采动导水裂隙带发育高度。采动导水裂隙带高度是否继续发育至土层取决于临界高度以上上覆各岩层的极限挠度值ω

基于薄板理论已确定上部基岩岩层已全部破断且采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处，进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距，进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱；进一步的，若已形成稳定拱，再判断该稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落；若未塌落，则采动导水裂隙带高度发育至岩土交界处；若塌落，则基于极限平衡理论确定采动导水裂隙带高度的具体计算方法步骤为：

(1)基于薄板理论已由ω

(2)进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距。进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱，且由以下判断方法发现已形成稳定的普氏平衡拱。

h

H

式中，d为平衡拱跨距的一半，m；h

(3)进一步的，若已形成稳定拱，进而判断该稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落；若未塌落，则采动导水裂隙带高度发育至岩土交界处，此时采动导水裂隙带高度为基岩厚度；

(4)进一步的，若塌落，则基于极限平衡理论确定采动导水裂隙带高度的计算方法为：

h

式中，h

基于薄板理论已确定上部基岩层已全部破断且采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处；进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距，进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱；若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；若发育至岩土交界处则整个隔水层被导通，采动导水裂隙带发育至地表；若下行裂缝未发育至岩土交界处则导水裂隙带高度发育至岩土交界面的具体计算方法步骤为：

(1)基于薄板理论已由ω

(2)进一步的，基于岩层破断角，在工作面应力降低区的上方，计算岩土交界面处基岩面破坏的宽度，作为土体平衡拱的走向跨距，进一步的，基于普氏理论判断此时土层中是否形成稳定拱，由以下判断方法发现未形成稳定的普氏平衡拱。

h

H

式中，d为平衡拱跨距的一半，m；h

(3)进一步的，若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；若发育至岩土交界处则整个隔水层被导通，采动导水裂隙带发育至地表，此时采动导水裂隙带高度为：

h

式中，h

(4)进一步的，若未形成稳定拱，则基于下行裂隙理论判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处；若下行裂缝未发育至岩土交界处，则导水裂隙带高度发育至岩土交界面，此时采动导水裂隙带高度为基岩厚度。

在本实施例中，以西北某矿井为例，验证本实施例所述方法的准确性。根据测量，西北某矿井采煤工作面地质钻孔揭露揭露土层厚度98.86m，基岩段92.24m，煤层采厚4.4m。

根据本发明的西部矿区覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度精细计算方法的步骤，计算该采煤工作面导水裂隙带发育高度为124.23m。结合现场导水裂隙带高度实测值，验证了本发明方法的准确性。

实施例二

本实施例公开了覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计系统。

如图2所示，覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计系统，包括：

主关键层判断模块，被配置为：确定覆岩主关键层位置，判断主关键层与煤层的间距与设定临界高度的大小，进而判断采动导水裂隙是否破坏主关键层；若主关键层未破坏，则采动导水裂隙带将发育至位于主关键层下方且距主关键层最近的亚关键层下部，采动导水裂隙带高度等于距主关键层最近的亚关键层下部距开采煤层上部的距离；

基岩岩层是否全部破断判断模块，被配置为：若主关键层已破坏，则基于薄板理论判断主关键层上部基岩岩层是否全部破断；若主关键层上部基岩岩层未全部破断，则通过破断岩层之和确定采动导水裂隙带高度；若全部破断，则采动导水裂隙带高度至少已发育至岩土交界处；

形成稳定拱判断模块，被配置为：判断土层中是否形成稳定拱，若是，再判断稳定拱至岩土交界处的土体是否塌落，基于塌落情况，判断采动导水裂隙带高度为基岩厚度还是基岩厚度与平衡拱的临界高度之和；

未形成稳定拱判断模块，被配置为：若土层中未形成稳定拱，则判断地表下行裂缝是否发育至岩土交界处，进而判断采动导水裂隙带为发育至地表还是发育至岩土交界面。

实施例三

本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法中的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供电子设备。

电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的覆岩-土结构下煤层采动导水裂隙带高度预计方法中的步骤。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。