一种采动覆岩突水离层带层位识别方法技术

本申请涉及一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，包括：步骤S1、识别突水离层带积水离层；步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。本申请实现了采动覆岩突水离层带层位的准确识别。了采动覆岩突水离层带层位的准确识别。了采动覆岩突水离层带层位的准确识别。

【技术实现步骤摘要】
一种采动覆岩突水离层带层位识别方法


[0001]本申请属于矿井水害防治
，具体而言涉及一种采动覆岩突水离层带层位识别方法。

技术介绍

[0002]矿区/工作面开采过程中，由于上覆岩层不均匀沉降，在含水层附近发育封闭的离层空间并形成离层积水体。一旦隔水层破断，在积水离层和矿区/工作面之间形成突水通道，引发离层突水，造成不同程度的财产损失甚至人员伤亡。近年来，随着我国煤炭开采中心转移到西部鄂尔多斯盆地，侏罗纪煤炭大采高综采条件下离层突水频发，突水期间，部分煤矿工作面突水期间伴随矿山压力显现，支架大面积来压，甚至出现煤壁切顶，支架压死，严重影响生产进度。
[0003]将能产生积水并会诱发突涌水的离层空间、离层空间上位岩层以及离层空间下位隔水层可以统称为“采动覆岩“突水离层带
””
(简称：“突水离层带”)。“突水离层带”需要满足三个基本条件：一是有上位岩层和下位隔水层的组合结构，采动过程上位岩层和下位软岩隔水层不均匀沉降，形成离层空间；二是下位隔水层在弯曲变形过程中并未发育导通的裂隙，仍保持一定隔水层，故而在上位岩层和下位隔水层之间可以形成暂时封闭的离层，为离层积水提供空间；三是闭合的离层空间恰好位于充水含水层的附近，储存在含水层的地下水持续汇集到封闭的离层空间中，形成离层积水体，即离层突水的直接水源。采动作用下，“突水离层带”的裂隙结构演化是确定回采期间是否发生强矿压和离层突水的关键。而监测分析“突水离层带”的裂隙结构演化的前提是可以识别出上位岩层和下位隔水层的具体层位，在明确上位岩层和下位隔水层空间赋存规律的基础上，为后续物理数值模拟、现场监测和理论分析提供基础。
[0004]现有煤矿开采过程中，确定下位隔水层常用以下两种方法：
[0005]第一种方法：根据钻孔揭露地层的岩性、岩组主观划分。一般认为，下位隔水层为泥岩和页岩等致密隔水岩层，一般将位于含水层下方或相邻含水层之间起到隔水作用的岩层划分为隔水层。这种方法仅抓住隔水层的基本概念，一方面位于含水层下方或相邻含水层之间的岩层岩性差异较大，通过岩性判定隔水层具有很多的主观性，不同地质工作者对相同地质条件的覆岩隔水层的判定结果差异较大，另一方面，这种方法没有考虑采动作用下岩层协调变形破断，无法识别出对顶板离层突水具有直接作用的下位隔水层。
[0006]第二种方法：根据导水裂隙带划分。首先通过规范公式或实测裂采比预测工作面导水裂隙带高度，将导水裂隙带以上，含水层以下的组合岩层划分为下位隔水层(又称“保护层”)。这种方法试图通过考虑采动作用下岩层协调变形破断来识别出下位隔水层。然而，一方面导水裂隙带高度难以预测，另一方面回采期间导水裂隙带随工作面推进逐渐向上发育，充分采动后导水裂隙带可能会发育至含水层。因此仅通过导水裂隙带和含水层关系难以确定出下位隔水层的具体层位。
[0007]综上分析，目前现有技术中尚没有一种方法可以准确识别“突水离层带”的具体层
位，导致矿区/工作面开采之前对离层水和强矿压的预报和防治具有一定盲目性，无法有效保障开采安全性。

技术实现思路

[0008]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。
[0009]本专利技术的目的是这样实现的：
[0010]一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，包括：
[0011]步骤S1、识别突水离层带积水离层；
[0012]步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。
[0013]进一步地，所述步骤S1包括：
[0014]步骤S11、初步识别采动覆岩可积水离层的位置；
[0015]步骤S12、基于所述离层的位置，并结合水文地质条件，找出致灾含水层所在层位，将与致灾含水层相邻的可积水离层作为突水离层带积水离层。
[0016]进一步地，步骤S11中，按照下式对上覆岩层可积水离层位置进行初步判别：
[0017][0018]M
‑
∑(K
i
‑
1)h
i
＞0；
[0019]其中，E
i
、h
i
、γ
i
分别为第i层岩层的弹性模量、厚度和重度，单位分别为GPa、m和KN/m3，i＝1,2...n；M为开采煤层总厚度，m；h
i
为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度，m；K
i
为碎胀系数。
[0020]同时满足以上两式的煤层上覆岩层中发育采动覆岩可积水离层。
[0021]进一步地，所述步骤S2中，组合岩层采用层面分割，由n种材料组成n层组合岩层，n层组合岩层的轴向应力表示为：
[0022][0023]式中，σ
xi
为第i层岩层的轴向应力，MPa；ξ为比例系数；y为纵坐标，以组合岩层的中性面为零点，向下为正；Λ
i
为岩层i弹性模量，GPa；h
i
为第i层岩层厚度，m；h0为中性面距底面的距离，m；i＝1,2,3...n。
[0024]进一步地，所述组合岩层的中性面距底面的距离h0为：
[0025][0026]式中，h0为组合岩层的中性面距底面的距离，m；Λ
i
为岩层i弹性模量，MPa；h
i
为第i层岩层厚度；m；i＝1,2,3
…
,m,...n。
[0027]进一步地，步骤S2中，层面发生滑移的判断别原则为：当采动覆岩层内某层位剪应力首次超过节理面的剪切强度时，层面发生滑移，形成滑移面。
[0028]进一步地，所述采动覆岩层任意层面的最大剪切力为：
[0029][0030]组合岩层的滑移面剪切强度为：
[0031][0032]式中，[τ]为节理面剪切强度，MPa；为岩层摩擦角，
°
；JRC和JCS分别为节理粗糙系数和节理抗压强度，MPa；γ
i
为第i层岩层的重度，KN/m3；Λ
i
为岩层i弹性模量，GPa；h
i
为第i层岩层厚度，m；i＝1,2,3...n。
[0033]与现有技术相比，本专利技术提供的采动覆岩突水离层带层位识别方法，抓住决定离层突水孕灾和致灾的关键层位(“突水离层带”)，基于“突水离层带”基本条件，使用组合梁理论、多层岩梁滑移模型和岩体节理强度理论，提出识别“突水离层带”赋存层位(积水离层和下位隔水层底界面)的计算方法，实现了采动覆岩突水离层带层位的准确识别，为建立采动覆岩顶板离层水害的工程地质概化模型奠定基础。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，包括：步骤S1、识别突水离层带积水离层；步骤S2、基于所述突水离层带可积水离层的位置，在可积水离层到煤层顶板之间的岩层划分为由上向下的多个组合岩层，将最上方不包含滑移面的组合岩层确定为下位隔水层。2.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S11、初步识别采动覆岩可积水离层的位置；步骤S12、基于所述离层的位置，并结合水文地质条件，找出致灾含水层所在层位，将与致灾含水层相邻的可积水离层作为突水离层带积水离层。3.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，步骤S11中，按照下式对上覆岩层可积水离层位置进行初步判别：M
‑
∑(K
i
‑
1)h
i
＞0；其中，E
i
、h
i
、γ
i
分别为第i层岩层的弹性模量、厚度和重度，单位分别为GPa、m和KN/m3，i＝1,2...n；M为开采煤层总厚度，m；h
i
为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度，m；K
i
为碎胀系数。同时满足以上两式的煤层上覆岩层中发育采动覆岩可积水离层。4.根据权利要求1所述的采动覆岩突水离层带层位识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，组合岩层采用层面分割，由n种材料组成n层组合岩层，n层组合岩层的轴向应力表...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔伟，刘梦楠，陈维池，程香港，谢俊霞，刘英杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：