一种地表沉陷类别预计方法技术

本发明专利技术提供一种地表沉陷类别预计方法，包括：收集钻孔周围松散层的力学参数和各个岩层结构的力学参数；根据松散层拱理论，判定松散层拱是否可以形成以及形成后的稳定性；通过对上覆岩层发挥的控制作用判别关键层的位置；当松散层中无法形成松散层拱结构时，判断关键层为远场关键层还是近场关键层；当关键层破断形成砌体梁时且Δ＞Δ

【技术实现步骤摘要】
一种地表沉陷类别预计方法


[0001]本专利技术涉及矿山开采地表沉陷
，尤其涉及一种地表沉陷 类别预计方法。

技术介绍

[0002]煤矿开采过程中，上覆岩层内部的移动变形是引起地表沉陷的主要因素， 地表沉陷是开采过程中覆岩运动由下往上传递到地表的最终反映。因煤炭开采 产生的地表沉陷，使地层稳定受损，威胁到地表的安全，并破坏了生态环境， 限制了经济发展，危害了社会和谐，让城市近郊沉陷地成为社会经济发展、城 市扩展以及基础建设的用地瓶颈。
[0003]已有研究表明，煤炭开采后采场上覆岩层运动受控于采动覆岩承 载结构，松散层中的承载结构为松散层拱，基岩中的承载结构为关键 层。当关键层初次破断时，地表的最大下沉值和最大下沉速度尚未达 到最大值，随着松散层拱周期性失稳逐渐增大；当松散层拱完全失稳 破坏后，地表最大下沉速度逐渐减小。然而我国地质构造条件较为复 杂，地表沉陷种类繁多，如：地表均匀下沉盆地、地表倾向台阶裂缝、 地表走向斑裂和地表塌陷坑等。现有研究地表沉陷的方法有沉陷预计 和地表沉陷观测等方法，沉陷预计运用概率积分法，就地表将出现的 移动和变形规律进行预计，包括地表下沉值，地表下沉范围及地表下 沉占总面积的百分比，但无法对地表沉陷特征进行超前判别；而地表 沉陷观测需在开采区域上方地表设置地表岩移观测站定量监测地面 的移动变形，获得地表移动变形参数，最大下沉点以及地面的累计下 沉量，对地表沉陷进行实时监控，但无法对地表沉陷进行超前预计。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种地表 沉陷类别预计方法。
[0005]一种地表沉陷类别预计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一，收集钻孔周围松散层的力学参数和各个岩层结构的力学 参数；
[0007]步骤二，根据松散层拱理论，判定松散层拱是否可以形成以及形 成后的稳定性；
[0008]步骤三，根据关键层理论，通过对上覆岩层发挥的控制作用判别 关键层的位置；
[0009]步骤四，当松散层中无法形成松散层拱结构时，根据关键层理论， 判断关键层为远场关键层还是近场关键层；当关键层破断形成砌体梁 时，进入步骤五；
[0010]步骤五，当关键层破断形成砌体梁时，且Δ＞Δ
T
时，则砌体梁会 发生滑落失稳；其中，Δ为工作面回采后关键层与垮落的直接顶的间 距，Δ
T
为砌体梁保持自身稳定的临界回转量；
[0011]步骤六，当上覆岩层中关键层和松散层拱同时存在，且上覆岩层 中关键层和松散层拱保持稳定时，则地表会产生均匀下沉盆地；
[0012]当上覆岩层中只有近场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中近场 关键层破断后，则地表会产生倾向台阶裂缝；
[0013]当上覆岩层中只存在远场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中远 场关键层破断后，则地表会产生走向斑裂；
[0014]当关键层破断后的砌体梁和松散层拱同时失稳时，则地表会产生 塌陷坑。
[0015]进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，其特征在于，步 骤一中，所述松散层的力学参数包括：松散层的容重、厚度、矢高、 内聚力、内摩擦角、侧压系数、基岩破断角、煤层顶界面与关键层底 界面间的距离；
[0016]所述各个岩层的力学参数包括：各个岩层的容重、关键层的厚度、 破断距、关键层的抗拉强度、所受载荷、直接顶的碎胀系数、直接顶 的垮落高度，煤层的厚度和埋深、基岩中各个岩层厚度及岩性。
[0017]进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，在煤炭开采区域 地表施工地面钻孔取芯保存，并绘制钻孔综合柱状图；根据钻孔综合 柱状图，确定煤炭开采区域开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度和基 岩中各岩层厚度及岩性；
[0018]通过对松散层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数测试，从 而得到松散层容重、内摩擦角和内聚力；
[0019]通过对基岩中各个岩层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数 测试，从而得到基岩中各个岩层的容重、弹性模量和各个岩层的抗拉 强度；直接顶的碎胀系数由基岩中岩石力学性质和岩层的破坏形式确 定；
[0020]在煤层开采区域，通过井下水压致裂地应力测量装置，确定松散 层的侧压系数；
[0021]利用关键层判别软件KSPB，基于松散层和基岩力学的特性，在 钻孔综合柱状图进行关键层的判别，从而得到关键层的厚度、位置、 破断距、所受载荷、关键层的抗拉强度、关键层底界面与煤层顶界面 间的距离；
[0022]利用钻孔测井分析仪，在工作面巷道顶板上方打钻孔，通过窥视 结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断演化图，得出基岩破断角。
[0023]进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤二中， 以松散层拱左侧拱基为原点，拱基所在直线为X轴，X轴向右为正 方向，垂直于拱基所在直线的直线为Y轴，Y轴向上为正方向建立 松散层拱二维力学模型；
[0024]根据该模型计算使松散层拱形成及稳定的松散层临界厚度：
[0025][0026]式中：L
arch
、H
arch
、δ
arch
为松散层拱的跨度、矢高和厚度；γ、α 为基岩容重和破断角；C、为松散层的内聚力和内摩擦角；λ为侧压 系数；Σh为主关键层底界面与煤层顶界面间的距离；h0为松散层拱 上覆松散层厚度；H
C
为松散层临界厚度；
[0027]根据松散层拱的形成及稳定条件：当Σh＞H
C
时，松散层中能形 成松散层拱；当松
散层拱稳定时，据此推出煤矿开采参数中的工作面 临界宽度L
M
。
[0028]进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤三中， 由下式判别关键层的强度准则和刚度准则：
[0029][0030]式中：q1|
n+1
、q1|
n
为第n+1和n层岩层对第1层岩层的载荷；l
n+1
、 l
n
为第n+1和n层岩层的破断距；
[0031]借助关键层判别位置软件KSPB对工作面的关键层进行判别，推 断出关键层在柱状图中的位置，从而判定关键层在工作面上覆岩层中 的位置。
[0032]进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤四中， 当开采区域地质条件确定存在关键层，无法形成松散层拱时，根据远 近场关键层划分依据，将工作面上覆关键层划分为远场关键层和近场 关键层；
[0033]由下式确定a和b：
[0034][0035]式中，a为工作面长度；b为关键层倾向悬露长度；l
m
关键层极 限跨距；
[0036]根据关键层破断规律：3l
m
>b>1.414l
m
，来压步距l
m
<a<1.414l
m
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地表沉陷类别预计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，收集钻孔周围松散层的力学参数和各个岩层结构的力学参数；步骤二，根据松散层拱理论，判定松散层拱是否可以形成以及形成后的稳定性；步骤三，根据关键层理论，通过对上覆岩层发挥的控制作用判别关键层的位置；步骤四，当松散层中无法形成松散层拱结构时，根据关键层理论，判断关键层为远场关键层还是近场关键层；当关键层破断形成砌体梁时，进入步骤五；步骤五，当关键层破断形成砌体梁且Δ＞Δ
T
时，则砌体梁会发生滑落失稳；其中，Δ为工作面回采后关键层与垮落的直接顶的间距，Δ
T
为砌体梁保持自身稳定的临界回转量；步骤六，当上覆岩层中关键层和松散层拱同时存在，且上覆岩层中关键层和松散层拱保持稳定时，则地表会产生均匀下沉盆地；当上覆岩层中只有近场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中近场关键层破断后，则地表会产生倾向台阶裂缝；当上覆岩层中只存在远场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中远场关键层破断后，则地表会产生走向斑裂；当关键层和松散层拱同时破断消失时，若砌体梁发生滑落失稳，则地表会产生塌陷坑。2.根据权利要求1所述的地表沉陷类别预计方法，其特征在于，步骤一中，所述松散层的力学参数包括：松散层的容重、厚度、矢高、内聚力、内摩擦角、侧压系数、基岩破断角、煤层顶界面与关键层底界面间的距离；所述各个岩层的力学参数包括：各个岩层的容重、关键层的厚度、破断距、关键层的抗拉强度、所受载荷、直接顶的碎胀系数、直接顶的垮落高度，煤层的厚度和埋深、基岩中各个岩层厚度及岩性。3.根据权利要求2所述的地表沉陷类别预计方法，其特征在于，在煤炭开采区域地表施工地面钻孔取芯保存，并绘制钻孔综合柱状图；根据钻孔综合柱状图，确定煤炭开采区域开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度和基岩中各岩层厚度及岩性；通过对松散层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数测试，从而得到松散层容重、内摩擦角和内聚力；通过对基岩中各个岩层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数测试，从而得到基岩中各个岩层的容重、弹性模量和各个岩层的抗拉强度；直接顶的碎胀系数由基岩中岩石力学性质和岩层的破坏形式确定；在煤层开采区域，通过井下水压致裂地应力测量装置，确定松散层的侧压系数；利用关键层判别软件KSPB，基于松散层和基岩力学的特性，在钻孔综合柱状图进行关键层的判别，从而得到关键层的厚度、位置、破断距、所受载荷、关键层的抗拉强度、关键层底界面与煤层顶界面间的距离；利用钻孔测井分析仪，在工作面巷道顶板上方打钻孔，通过窥视结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断演化图，得出基岩破断角。4.根据权利要求1所述的地表沉陷类别预计方法，其特征在于，所述步骤二中，以松散层拱左侧拱基为原点，拱基所在直线为X轴，X轴向右为正方向，垂直于拱基所在直线的直线为Y轴，Y轴向上为正方向建立松散层拱二维力学模型；根据该模型计算使松散层拱形成及稳定的松散层临界厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪锋，颉泽琦，陈绍杰，祝伟豪，尹大伟，陈同，刘洪洋，江宁，宋乘光，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：