【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种采空区覆岩有效抽采层位识别方法，属于煤矿瓦斯治理领域。
技术介绍
1、瓦斯灾害是制约煤矿回采工作面安全高效开采的主要因素之一。现阶段回采工作面主要的瓦斯治理方法是本煤层预抽和采空区瓦斯治理。其中，工作面采空区的瓦斯治理主要有以下几种方法：第一，工作面顶板中布置高、低位高抽巷；第二，工作面在回风巷进行沿空留巷配合高位高抽巷或者回风巷施工的高位钻孔；第三，工作面顶板中布置低位高抽巷配合回风巷中布置高位钻孔。这三种采空区瓦斯治理方法都需要选择合适的覆岩裂隙带有效抽采层位，然后再布置高抽巷或者高位钻孔，从而使高位抽采工程的效果达到最好。
2、娄金福等在公开的论文(娄金福.采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制[j].采矿与安全工程学报,2021,38(4):678-686.)中提到：关键层的判别直接根据“许家林,钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[j].中国矿业大学学报”中提到的方法进行计算得到，该方法计算复杂，按固支梁求解得到的各硬岩层的破断距与实际存在误差。张基伟在公开的文献(张基伟.王家山矿急倾斜煤层长壁开采覆岩破断机制及强矿压控制方法[j].岩石力学与工程学报,2018,37(7):1776.)中，以王家山煤矿工程地质条件与强矿压显现特征为背景，利用室内试验、理论分析、数值试验和现场观测等综合研究手段，研究了急倾斜煤层开采覆岩初次、周期顶板破断机制，但没有详细确定有效抽采层位的上下边界。王婉洁等在公开的论文(王婉洁,高富强.工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究[j].采矿与岩层
3、综上，现有的技术中大都采用数值模拟、钻孔窥视、相似模拟以及现场抽采试验等方法确定裂隙带发育的丰富区，但是无法详细的确定抽采有效层位的上下边界及标志性岩层，因此在应用过程中存在一定的难度。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种采空区覆岩有效抽采层位识别方法，通过定量说明有效抽采层位上、下边界的位置及标志性岩层，将高抽巷或者高位钻孔布置在有效抽采层位中，有利于提高高位抽采工程的抽采效果和工程的利用率。
2、本专利技术提供了一种采空区覆岩有效抽采层位识别方法，包括以下步骤：
3、(1)对工作面顶板各岩层进行岩石力学参数测定；
4、(2)根据顶板岩层的岩石力学参数，识别顶板岩层的关键层，并确定关键层的位置；
5、(3)建立采空区覆岩有效抽采层位的数学模型，得出有效抽采层位的下边界为垮落带之上的第一层关键层，上边界为采空区覆岩10倍采高之下的第一层关键层，其中，有效抽采层位包含下边界岩层，不包含上边界岩层。
6、采空区冒落带之上的第一层关键层对其上岩层起到承载控制作用，并将裂隙带与冒落带进行隔离，成为裂隙带有效抽采层位的下边界岩层。根据现场观测及抽采经验发现采空区顶板超过10倍采高时，由于关键层的承载控制作用，其上岩层纵向裂隙发育较少，更多产生横向离层，成为裂隙带有效抽采层位的上边界岩层。
7、进一步地，工作面顶板各岩层的岩石力学参数，包括厚度、体积力、弹性模量、抗拉强度。
8、进一步地，在识别顶板岩层的关键层中，首先，要根据岩层柱状图中顶板岩性和分布高度进行初步分析；然后，将顶板模型视为两边固支的板式模型，根据岩层的受力载荷和破断距判断关键层的位置，第n+1层岩层为关键层，如公式(1)所示：
9、
10、式中：
11、q为岩层的受力载荷，kpa；(qn)1表示的意思是：有些矿井存在上下两个煤层同时开采以及同一煤层多个采煤工作面的情况，那么“1”可以用来区分不同开采煤层或者工作面，如果只有一个地点那么这个“1”可以去掉，如果有多个，可以用“1、2、3、……”来进行区分不同的位置；(qn)1表示地点“1”处采空区往上n个岩层位置的岩层受力载荷；l为岩层的破断距，m；
12、n表示岩层数；
13、此处是用来判断关键层的，就是说，如果采空区往上第n层岩层为关键层，那么第n层岩层的受力载荷要比n+1岩层的大，而l表示破断距，因为第n层为关键层更“结实、牢固”，第n层岩层的破断距要比n+1的小，更不容易断裂。
14、
15、
16、式中：
17、i表示1……n中的第i个岩层；n表示第n个岩层；
18、γ为上覆岩层的体积力，kn·m-3；γi代表第i个岩层的上覆岩层的体积力；
19、h为上覆岩层的平均厚度，m；hi代表第i个岩层的上覆岩层的平均厚度；
20、e为上覆岩层的弹性模量，mpa；ei代表第i个岩层的上覆岩层的弹性模量；
21、rt为上覆岩层的抗拉强度，mpa。rtn表示第n层岩层的rt，即第n层岩层的上覆岩层的抗拉强度；
22、ln表示第n层岩层的破断距。
23、将上面测定的岩石力学参数代入公式(1)，得到计算公式(2)：
24、
25、式中：
26、γ为上覆岩层的体积力，kn·m-3；
27、h为上覆岩层的平均厚度，m；
28、e为上覆岩层的弹性模量，mpa；
29、rt为上覆岩层的抗拉强度，mpa。
30、进一步地，建立采空区覆岩有效抽采层位的数学模型，包括采空区覆岩有效抽采层的下边界岩层为垮落带之上的第一层关键层，有效抽采层的上边界岩层为采空区覆岩10倍采高之下的第一层关键层；其中，有效抽采层位包含下边界岩层，不包含上边界岩层，采空区覆岩裂隙带有效抽采层hz为：
31、
32、
33、式中：
34、gi为垮落带之上的第一层关键层；
35、gj为采空区覆岩10倍采高之下的第一层关键层；
36、m为煤层采高，m；
37、k为顶板岩层的碎胀系数。
38、裂隙带有效抽采层hz的推导过程如下：
39、裂隙带有效抽采层的下边界岩层为冒落带之上的第一层关键层gi，裂隙带有效抽采层的上边界岩层为10倍采高之下的第一层关键层gj。
40、
41本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于：采空区冒落带之上的第一层关键层对其上岩层起到承载控制作用，并将裂隙带与冒落带进行隔离，成为裂隙带有效抽采层位的下边界岩层；根据现场观测及抽采经验发现采空区顶板超过10倍采高时，由于关键层的承载控制作用，其上岩层纵向裂隙发育较少，更多产生横向离层，成为裂隙带有效抽采层位的上边界岩层。
3.根据权利要求1所述的采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于：工作面顶板各岩层的岩石力学参数，包括厚度、体积力、弹性模量、抗拉强度。
4.根据权利要求1所述的采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于：建立采空区覆岩有效抽采层位的数学模型，包括采空区覆岩有效抽采层的下边界岩层为垮落带之上的第一层关键层，有效抽采层的上边界岩层为采空区覆岩10倍采高之下的第一层关键层；其中，有效抽采层位包含下边界岩层，不包含上边界岩层，采空区覆岩裂隙带有效抽采层Hz为：
【技术特征摘要】
1.一种采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的采空区覆岩有效抽采层位识别方法，其特征在于：采空区冒落带之上的第一层关键层对其上岩层起到承载控制作用，并将裂隙带与冒落带进行隔离，成为裂隙带有效抽采层位的下边界岩层；根据现场观测及抽采经验发现采空区顶板超过10倍采高时，由于关键层的承载控制作用，其上岩层纵向裂隙发育较少，更多产生横向离层，成为裂隙带有效抽采层位的上边界岩层。
3.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙永康，皇甫振杰，张晓东，王军，李文璞，陈现辉，崔少鹏，祝冠军，谢星星，张佳林，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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