【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤层开采，尤其是涉及一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法。
技术介绍
1、采动裂缝是煤炭开采过程中不可回避的难题，同时其作为漏风、溃水溃沙灾害的主导因素成为复合矿井灾害发生的先导条件。矿井回采导致承载关键层破断，对上覆载荷层控制能力削弱，促使采动裂缝充分演化。采动裂缝的形成一方面受开采参数影响，另一方面由关键层赋存条件控制。关键层破断特征及形成的承载结构，决定了采动裂缝的形态。采动裂缝是关键层破断形式的体现，关键层破断是采动裂缝形成的先决条件，两者存在极强的因果关系。由此可见，对采动裂缝的研究，应是关键层破断结构和采动裂缝综合分析的过程。
2、由断裂力学可知，物体形成的裂缝形态共3类，分别为张开型(ⅰ型)、滑开型(ⅱ型)和撕开型(ⅲ型)，对应于采动裂缝为拉伸型采动裂缝和剪切型采动裂缝，撕开型在开采过程中出现概率较少。工作面回采覆岩破断特征可分为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，针对典型浅埋煤层开采未见弯曲下沉带。对于裂缝的分布形态，通过对工作面回采结束后，地表或其剖面图形成整体裂缝形状进行定义，提出了诸如o形圈、高位环形裂隙体和椭抛带等相关理论。在以上研究基础上，众多学者形成不同的研究方向对裂缝演化特征展开了研究，并形成诸如三下规程中提及的经验公式预计法和关键层理论判别法等研究裂缝的发育高度。同时，为了更全面的开展开采参数对裂隙演化特征的影响，通过对采高、采深和工作面长度等展开了相应研究，得到了裂缝演化特征的主要影响因素。在现场生产过程中，采动裂缝并非完全是劣势因素，对于瓦斯抽采方面准确的确定裂缝高
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，通过对矿井工作面开采采动裂缝的演化特征的研究，提出了符合现场实际生产条件的采动裂缝计算模型，并将微观和宏观裂缝研究方法相结合，提高了力学模型计算结果的科学性，得出了采动裂缝贯通的判别式，提高了采动裂缝在矿井实际生产中的指导作用。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，包括以下步骤：
3、步骤s1：根据相似模拟实验，将采动裂缝分为ⅰ-ⅰ型采动裂缝和ⅰ-ⅱ型采动裂缝，所述ⅰ-ⅰ型采动裂缝包括上行ⅰ型采动裂缝和下行ⅰ型采动裂缝，所述ⅰ-ⅱ型采动裂缝包括上行ⅱ型采动裂缝和下行ⅰ型采动裂缝；
4、步骤s2：根据采动裂缝扩展方向的应力关系，确定岩层整体破断角βz；
5、步骤s3：通过对采动裂缝内的单元体进行分析，可确定单元体的应力关系并建立采动作用下下行ⅰ型采动裂缝发育深度计算模型hc；
6、步骤s4：根据步骤s2中所述岩层整体破断角βz、步骤s3中所述单元体的应力关系与ⅰ型裂缝尖端应力强度应子，建立上行ⅰ型采动裂缝演化高度计算模型hst；
7、步骤s5：根据步骤s2中所述岩层整体破断角βz、步骤s3中所述单元体的应力关系与ⅱ型裂缝尖端应力强度应子，建立上行ⅱ型采动裂缝演化高度计算模型hsr；
8、步骤s6：根据所述下行ⅰ型采动裂缝发育深度、上行ⅰ型采动裂缝发育高度和上行ⅱ型采动裂缝发育高度，建立采动裂缝贯通判定模型。
9、优选的，步骤s2中所述岩层包括关键层、上覆岩层和直接顶。
10、优选的，步骤s2中所述采动裂缝扩展方向包括水平主应力扩展方向和垂直主应力扩展方向，所述水平主应力扩展方向为最大主应力扩展方向，所述垂直主应力扩展方向为最小主应力扩展方向。
11、优选的，步骤s1中所述采动裂缝的动态活化过程包括产生、扩展、闭合、再产生、再闭合五个阶段，对所述采动裂缝演化的动态活化过程发生的工作面推进位置和时间统计分析，可近似得到采动裂缝周期与回采距离计算模型，由公式表示为：
12、
13、式中：n为二次活化采动裂缝至逆时针回转关键块的破断次数；lg为关键块平均破断长度；v为工作面平均推进速度。
14、优选的，步骤s2中所述岩层整体破断角βz为：
15、
16、式中：m为直接顶第j层岩层层数；hj为直接顶第j层厚度；βj为直接顶第j层岩层破断角；n为覆岩关键层层数；hk为覆岩第k层关键层厚度；βk为覆岩第k层关键层整体破断角。
17、优选的，步骤s3中所述采动裂缝内的单元体为可忽略自身载荷和地形影响的单元体，所述单元体的应力关系可用公式表示为：
18、
19、式中：σz为单元体在深度为hd时垂直主应力；σx为单元体在深度为hd时单元体左右面的水平主应力；σy为单元体在深度为hd时单元体前后面的水平主应力；μ为泊松比；γ为单元体容重。
20、本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
21、1、本专利技术通过对矿井工作面采动裂缝的演化特征的研究，提出了符合现场实际生产条件的采动裂缝计算模型，并将微观和宏观裂缝研究方法相结合，提高了力学模型计算结果的科学性，得出了采动裂缝贯通的判别式，提高了采动裂缝在矿井实际生产中的指导作用。
22、2、本专利技术以关键层对上覆岩层的控制作用为基础，结合关键层破断后形成的力学结构入手，通过分析不同力学结构得到上覆岩层和土层形成的不同破坏形态，基于断裂力学提出了ⅰ-ⅰ型和ⅰ-ⅱ型两种采动裂缝，建立了两种裂缝的力学计算模型。
23、3、本专利技术通过将矿井工作面开采采动裂缝演化规律和相似模拟实验手段相结合，得到宏观裂缝形成过程和演化分布规律，提高了采动裂缝演化的准确性。
24、下面通过附图和实施例，对本专利技术做进一步的详细描述。
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1.一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤S2中所述岩层包括关键层、上覆岩层和直接顶。
3.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤S2中所述采动裂缝扩展方向包括水平主应力扩展方向和垂直主应力扩展方向，所述水平主应力扩展方向为最大主应力扩展方向，所述垂直主应力扩展方向为最小主应力扩展方向。
4.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤S1中所述采动裂缝的动态活化过程包括产生、扩展、闭合、再产生、再闭合五个阶段，对所述采动裂缝演化的动态活化过程发生的工作面推进位置和时间统计分析，可近似得到采动裂缝周期与回采距离计算模型，由公式表示为：
5.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤S2中所述岩层整体破断角βZ为：
6.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化
...【技术特征摘要】
1.一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤s2中所述岩层包括关键层、上覆岩层和直接顶。
3.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计算方法，其特征在于：步骤s2中所述采动裂缝扩展方向包括水平主应力扩展方向和垂直主应力扩展方向，所述水平主应力扩展方向为最大主应力扩展方向，所述垂直主应力扩展方向为最小主应力扩展方向。
4.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层开采关键层采动裂缝演化模型计...
【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，何义峰，刘辉，孙建平，罗鹏坤，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
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