一种导水裂缝带发育高度预计方法技术

技术编号:19179026 阅读:133 留言:0更新日期:2018-10-17 00:41
本发明专利技术公开了一种基于覆岩结构特征的侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法,属于防治矿井突水领域,该方法包括:S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测,获取相关覆岩岩层结构特征及其物理力学参数;S2.基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面开采实践的认识,构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数;S3.代入覆岩结构特征相关参数,计算上覆各岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度;S4.进行导水裂缝带发育高度判断。本发明专利技术方法依据明确,实施简单易行,能够有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度的预测精度,为矿井防治水决策提供理论参考。

A method for predicting height of water fractured zone

The invention discloses a theoretical prediction method for the development height of water-conducting fracture zone in the mining of Jurassic coal seam based on the structural characteristics of overburden rock, belonging to the field of preventing and controlling mine water inrush. The method includes: S1. Fine detection of the geological conditions of Jurassic coal seam, acquisition of the structural characteristics of overburden rock and its physical and mechanical parameters; S2. The deflection function and free space height function of overlying slab strata are constructed according to the structural characteristics of overlying strata and the mining practice of large-scale strike longwall face in Western China. The height of development is judged. The method of the invention has clear basis, simple and feasible implementation, can effectively improve the prediction accuracy of the development height of the water conducting fracture zone in the mining of the Jurassic coal seam in Western China, and provides a theoretical reference for the decision-making of mine water control.

【技术实现步骤摘要】
一种导水裂缝带发育高度预计方法
本专利技术涉及防治矿井突水领域,尤其涉及一种基于覆岩结构特征的侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法。
技术介绍
我国煤炭资源开采重心已逐步转移到西北部生态环境脆弱的干旱半干旱地区。随着西北煤炭开采规模的不断扩大,开采对水资源的破坏和影响,产生井下突水灾害及其诱发的地表生态环境问题,已严重影响区域经济可持续发展甚至社会稳定。因此,准确预计导水裂缝带发育高度,对西北部侏罗系煤层安全开采和生态环境保护意义重大。目前煤层开采导水裂缝带发育高度预计,实际工程中主要采用《煤矿防治水规定》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》等基于东部石炭-二叠开采实测值总结的经验计算公式;也有采用现场实测、数值或物理模拟等方法综合研究确定。尽管导水裂缝带发育规律研究取得了多方面的进展,但至今尚缺乏基于侏罗系煤层覆岩结构特征的导水裂缝带高度预测理论。由于侏罗系煤层和石炭-二叠系煤层的开采裂采比即导水裂缝带高度与煤层厚度之比存在明显差异,因此规程中的经验公式在侏罗系煤层开采中的不适用性,不能按规程中的方法确定导水裂缝带高度,所以,针对西北侏罗系煤层开采导致的导水裂缝带发育高度进行理论预计,目前还缺乏适宜性研究;由此可见,现有技术有待于进一步改进和提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种导水裂缝带发育高度预计方法,旨在有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度的预测精度,为矿井防治水决策提供理论参考依据。本专利技术所采用的技术方案为:本专利技术提供了一种导水裂缝带发育高度预计方法,包括以下步骤,S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测,获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相关物理力学参数;S2.基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面开采实践的认识,构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数;S3.将覆岩结构特征相关参数代入上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数,计算各上覆岩岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度;S4.进行导水裂缝带发育高度判断。优选地,在步骤S1中,获取覆岩岩层结构特征过程为:通过野外观测对比西部侏罗系煤层与东部石炭-二叠系煤层覆岩结构差异性。优选地,在步骤S1中,覆岩结构特征相关物理力学参数,包括上覆板状岩层厚度h、上覆板状岩层埋藏深度H、上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层走向长度a、上覆板状岩层走向宽度b、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt、上覆板状岩层煤层采高M、上覆板状岩层碎胀系数k。优选地,上覆板状岩层厚度h、埋藏深度H和煤层采高M主要通过钻孔取芯编录获取;上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt和上覆板状岩层碎胀系数k通过钻孔获得的岩芯做室内试验获得;上覆板状岩层走向长度a和宽度b通过采煤工作面应力降低区走向长度和宽度确定。优选地,在步骤S2中,采空区上覆板状岩层第l层挠度函数计算公式如下:式中:ωl为上覆板状岩层第l层挠度,al为上覆板状岩层第l层走向长度,m;bl为上覆板状岩层第l层走向宽度,m;γl为上覆板状岩层第l层容重,kN/m3;Hl为上覆板状岩层第l层埋藏深度,m;Dl为上覆板状岩层第l层弯曲刚度,hl为上覆板状岩层第l层厚度,m;μl为上覆板状岩层第l层泊松比;El为上覆板状岩层第l层弹性模量,MPa。优选地,在步骤S2中,板状岩层的挠度函数达到最大值并不代表岩层破断,需进一步计算板状岩层的极限挠度。优选地,板状岩层极限挠度的计算方法如下:设第j层板状岩层极限尺寸为[aj]max和[bj]max,极限尺寸[aj]max、[bj]max取决于自身岩石的物理力学性质、厚度、所受载荷等因素,其破坏条件是当岩石的最大拉应力值大于其极限抗拉强度时,即σt>[σt]时,板状岩层在其中心位置发生断裂,此时的岩板尺寸[aj]max、[bj]max为极限尺寸,如下式:式中:kj为上覆板状岩层第j层的形状系数,kj=0.00302(aj/bj)3-0.03567(aj/bj)2+0.13953(aj/bj)-0.05859;[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度,m;[bj]max为上覆板状岩层第j层的极限宽度,m;aj为上覆板状岩层第j层走向长度m;bj为上覆板状岩层第j层走向宽度;[σt]j为上覆板状岩层第j层极限抗拉强度,MPa;hj为上覆板状岩层第j层厚度,m;qj为上覆板状岩层第j层受到的载荷,MPa;结合上覆板状岩层挠度函数,得出上覆板状岩层第j层极限挠度函数如下式:式中:[ω]j为上覆板状岩层第j层极限挠度;[aj]max为上覆板状岩层第j层走向极限长度,m;[bj]max为上覆板状岩层第j层走向极限宽度,m;γj为上覆板状岩层第j层容重,kN/m3;Hj为上覆板状岩层第j层埋藏深度,m;Dj为上覆板状岩层第j层弯曲刚度,hj为上覆板状岩层第j层厚度,m;μj为上覆板状岩层第j层泊松比;Ej为上覆板状岩层第j层弹性模量,MPa。优选地,在步骤S2中,自由空间是煤层开采后形成的,将由上覆板状岩层的碎胀特性来填充。且只有导水裂缝带的岩层发生碎胀,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函数,如下式所示:式中:Si为上覆板状岩层第i层自由空间高度;M为上覆板状岩层煤层采高;hj为上覆板状岩层第j层岩层厚度;kj为上覆板状岩层第j层碎胀系数,其中,1≤i<j≤n。优选地,在步骤S4中,对导水裂缝带发育高度判断,步骤如下:S41.若上覆板状岩层极限挠度小于其下部自由空间高度,则裂缝继续发育,重复步骤S3;S42.若上覆板状岩层极限挠度大于其下部自由空间高度,则裂缝停止发育,输出该岩层厚度数值并将所有输出数值进行求和累加,作为煤层导水裂缝带发育高度。优选地,以上任一所述的导水裂缝带发育高度预计方法适用于中国西部地区的基于覆岩结构特征的侏罗系煤层。与现有技术相比,本申请的技术效果:本专利技术克服现有技术的不足,提供了一种基于覆岩结构特征的侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法,本专利技术通过对侏罗系煤层地质条件进行精细探测,获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相关物理力学参数;通过对基于覆岩结构特征和西部大型走向长壁工作面开采实践的认识,构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数;通过代入覆岩结构特征相关参数,计算上覆各岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度;最后进行导水裂缝带发育高度判断。该方法依据明确,实施简单易行,能够有效提高中国西部侏罗系煤层开采导水裂缝带发育高度的预测精度,为矿井防治水决策提供理论参考。本专利技术中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明图1是本专利技术中煤层开采导水裂缝带发育高度理论预计方法的步骤流程图;图2a是本专利技术中侏罗系煤层覆岩典型整体状结构示意图;图2b是本专利技术中石炭二叠系煤层覆岩典型块状结构示意图;图3是本专利技术中工作面前后支承压力分布及覆岩构成示意图;图4a是本专利技术中岩层薄板力学模型俯视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,包括以下步骤,S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测,获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相关物理力学参数;S2.基于覆岩结构特征,构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数;S3.将覆岩结构特征相关参数代入上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数,计算各上覆岩岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度;S4.进行导水裂缝带发育高度判断。

【技术特征摘要】
1.一种导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,包括以下步骤,S1.对侏罗系煤层地质条件进行精细探测,获取覆岩岩层结构特征及覆岩岩层结构的相关物理力学参数;S2.基于覆岩结构特征,构建上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数;S3.将覆岩结构特征相关参数代入上覆板状岩层挠度函数和自由空间高度函数,计算各上覆岩岩层的极限挠度和相对应板状岩层下部自由空间高度;S4.进行导水裂缝带发育高度判断。2.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,在步骤S1中,所述获取覆岩岩层结构特征过程为:通过野外观测对比西部侏罗系煤层与东部石炭-二叠系煤层覆岩结构差异性。3.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,在步骤S1中,所述覆岩结构特征相关物理力学参数,包括上覆板状岩层厚度h、上覆板状岩层埋藏深度H、上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层走向长度a、上覆板状岩层走向宽度b、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt、上覆板状岩层煤层采高M、上覆板状岩层碎胀系数k。4.根据权利要求3所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,上覆板状岩层厚度h、埋藏深度H和煤层采高M主要通过钻孔取芯编录获取;上覆板状岩层泊松比μ、上覆板状岩层容重γ、上覆板状岩层拉应力σt和上覆板状岩层碎胀系数k通过钻孔获得的岩芯做室内试验获得;上覆板状岩层走向长度a和宽度b通过采煤工作面应力降低区走向长度和宽度确定。5.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,在步骤S2中,采空区上覆板状岩层第l层挠度函数计算公式如下:式中:ωl为上覆板状岩层第l层挠度,al为上覆板状岩层第l层走向长度,m;bl为上覆板状岩层第l层走向宽度,m;γl为上覆板状岩层第l层容重,kN/m3;Hl为上覆板状岩层第l层埋藏深度,m;Dl为上覆板状岩层第l层弯曲刚度,hl为上覆板状岩层第l层厚度,m;μl为上覆板状岩层第l层泊松比;El为上覆板状岩层第l层弹性模量,MPa。6.如权利要求1所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于,在步骤S2中,所述板状岩层的挠度函数达到最大值并不代表岩层破断,需进一步计算板状岩层层的极限挠度。7.如权利要求6所述的导水裂缝带发育高度预计方法,其特征在于:所述板状岩层层极限挠度的计算方法如下:设第j层板状岩层极限尺寸为[aj]max和[bj]max,极限尺寸[aj]max、[bj]max取...

【专利技术属性】
技术研发人员:李文平刘士亮王启庆杨志胡彦博
申请(专利权)人:中国矿业大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1