一种采动地裂缝预测方法技术

本发明专利技术公开一种采动地裂缝预测方法，包括：获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构；确定开采地区的开采因素；根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。本发明专利技术给出了拱梁结构稳定性判据，提高对矿区地表裂缝排查的准确性以便进行及时的灾害防治。

【技术实现步骤摘要】
一种采动地裂缝预测方法
本专利技术涉及煤矿开采相关
，特别是一种采动地裂缝预测方法。
技术介绍
浅埋厚松散层薄基岩下煤层开采过程中，地表厚松散层(主要为砂土层)垮落重量并非瞬间全部作用于老顶关键块，存在“松散层拱”承载结构。松散层拱结构对上覆岩土层发挥承载作用，进而影响着地表裂缝的发育及分布规律。目前，针对煤炭开采地表裂缝位置预测的研究较多，但是考虑松散层拱承载作用的研究却很少。一部分现有技术虽然建立了松散层拱条件下关键块稳定性力学模型，揭示了松散层拱对采动覆岩稳定性的影响规律，但并未研究松散层拱结构承载作用对地表裂缝的影响。另一部分现有技术等通过建立厚砂土层拱梁结构力学模型，得出了拱梁内的应力分量，但缺乏实际可操作性，并未明确松散层拱结构的形态方程。
技术实现思路
基于此，有必要针对现有技术无法进行厚松散层薄基岩条件下采动地裂缝预测的技术问题，提供一种采动地裂缝预测方法。本专利技术提供一种采动地裂缝预测方法，包括：获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩土介质特性；确定开采地区的开采因素；根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。进一步地，所述岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深。进一步地，所述岩土介质特性包括松散层容重γ、松散层内摩擦角φ、松散层内聚力C、松散层砂土密度ρ。更进一步地，所述开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1)Lp。再进一步地，所述松散层拱承载结构跨度ln为：ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα，式中，∑M为基岩层厚度，α为基岩层破断角。再进一步地，所述松散层拱承载结构拱高hn为：其中，hn+Hn＝∑H；式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，∑H为松散层厚度。再进一步地，所述松散层拱梁结构上边界最大拉应力为：进一步地，所述岩土介质特性还包括：松散层极限抗拉强度。更进一步地，所述根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，具体包括：若松散层拱梁结构上边界最大拉应力<松散层极限抗拉强度[σ]，则拱梁结构稳定；若松散层拱梁结构上边界最大拉应力≥松散层极限抗拉强度[σ]，则拱梁结构失稳破断。再进一步地，还包括：若判断地表首条裂缝形成，则判断随着工作面的推进，薄基岩老顶出现周期性破断，形成台阶岩梁结构，同时煤壁上方地表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂缝。本专利技术提供一种浅埋厚松散层薄基岩条件下采动地裂缝预测方法，可以提供厚松散层薄基岩条件下松散层拱承载结构的形态方程和破断演化过程，给出了拱梁结构稳定性判据，给出了松散层拱承载作用影响下首条采动地裂缝发育机理与预测方法，提高对矿区地表裂缝排查的准确性以便进行及时的灾害防治。附图说明图1为本专利技术一种采动地裂缝预测方法的工作流程图；图2为本专利技术最佳实施例一种厚松散层条件下采动地裂缝预测方法的工作流程图；图3为采动松散层承载结构示意图；图4为松散层拱梁结构示意图；图5为拱梁跨度与推进距离示意图；图6为拱梁破坏与地表裂缝示意图；图7为地表各点非均匀沉陷和移动变形，引起开挖边界上方向外出现地表裂缝示意图；图8为松散层拱梁结构受力分析示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细的说明。如图1所示为本专利技术一种采动地裂缝预测方法的工作流程图，包括：步骤S101，获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩土介质特性；步骤S102，确定开采地区的开采因素；步骤S103，根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；步骤S104，根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；步骤S105，根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。具体来说，步骤S101对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构；在其中一个实施例中，岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深(包括基岩层和松散层)，岩土介质特性包括松散层容重γ、内摩擦角φ、内聚力C、密度ρ、极限抗拉强度[σ]。步骤S102，确定开采地区的开采因素。在其中一个实施例中，开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1)Lp。步骤S103，根据步骤S101所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤S102中所获得的开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度ln、拱高hn。在其中一个实施例中，所述松散层拱承载结构跨度ln为：ln＝Lf+(n-1)Lp-2∑M·cotα，式中，∑M为基岩层厚度，α为基岩层破断角。在其中一个实施例中，所述松散层拱承载结构拱高hn为：其中，hn+Hn＝∑H；式中，Hn为工作面来压时松散层拱上覆填土层厚度，∑H为松散层厚度。步骤S104根据步骤S103所获得的松散层拱承载结构跨度ln、拱高hn，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力在其中一个实施例中，所述松散层拱梁结构上边界最大拉应力为：步骤S105，根据松散层极限抗拉强度[σ]与步骤S104所获得的松散层拱梁结构最大拉应力对松散层拱梁结构稳定性进行判定。若拱梁失稳，则地表首条裂缝形成。在其中一个实施例中，所述根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，具体包括：若松散层拱梁结构上边界最大拉应力<松散层极限抗拉强度[σ]，则拱梁结构稳定；若松散层拱梁结构上边界最大拉应力≥松散层极限抗拉强度[σ]，则拱梁结构失稳破断。在地表首条裂缝形成后，随着薄基岩老顶周期性破断，煤壁上方地表砂土受拉周期性产生竖直向下贯通裂缝。周期性裂缝地表动态裂缝间距预测。因此，在其中一个实施例中，预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采动地裂缝预测方法，其特征在于，包括：/n获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩土介质特性；/n确定开采地区的开采因素；/n根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；/n根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；/n根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种采动地裂缝预测方法，其特征在于，包括：
获取开采地区岩层产状尺度信息和岩土介质特性，得出开采地区的原岩初始结构，所述原岩初始结构包括所述岩层产状尺度信息和所述岩土介质特性；
确定开采地区的开采因素；
根据开采地区的原岩初始结构和开采因素分析开采扰动对松散层的影响，确定每次来压时松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高；
根据所获得的松散层拱承载结构跨度和松散层拱承载结构拱高，确定松散层拱梁结构上边界最大拉应力；
根据松散层极限抗拉强度与松散层拱梁结构上边界最大拉应力，对松散层拱梁结构稳定性进行判定，若拱梁结构失稳破裂，则判断地表首条裂缝形成。


2.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述岩层产状尺度包括岩土层的厚度和埋深。


3.根据权利要求1所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述岩土介质特性包括松散层容重γ、松散层内摩擦角φ、松散层内聚力C、松散层砂土密度ρ。


4.根据权利要求3所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述开采因素包括煤层工作面基岩破断角α、推进距离L、初次来压步距Lf、周期来压步距Lp，来压次数n，其中，L＝Lf+(n-1)Lp。


5.根据权利要求4所述的采动地裂缝预测方法，其特征在于，所述松...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊哲，郭洋楠，潘金，杨英明，
申请(专利权)人：神华神东煤炭集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61