基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法技术

本发明专利技术属于煤矿充填开采岩层控制领域，具体涉及一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，该方法首先判断坚硬岩层的位置，其次获得坚硬岩层的临界载荷与极限位移，再获得坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷，通过比较临界载荷与坚硬岩层上覆载荷、极限位移与坚硬岩层下方自由空间高度，判断断裂带是否发育；该方法中涉及的各项基础参数，均可以在工作面开采设计完成之后，根据地质资料、实验室试验等方法获得，本发明专利技术能够为充填开采过程中采取覆岩破坏的防治措施提供理论和数据依据，降低充填开采工作面覆岩破坏引发的灾害，本发明专利技术对充填开采覆岩活动规律的分析具有广泛的实用性。

【技术实现步骤摘要】
基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法
本专利技术属于煤矿充填开采岩层控制领域，具体涉及一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法。
技术介绍
覆岩活动是由地下煤层开采引起的；当煤层被开采后，地下原岩应力的平衡遭到破坏，这时岩层开始出现移动变形现象，此现象将不断的向上传递，直至达到新的平衡状态；一直以来，岩层控制领域的各种相关理论层出不穷，如：前苏联的许普鲁特及阿威尔辛等提出顶板“拱”型结构的说法；波兰学者李特维尼申等应用颗粒体力学建立了岩层与地表下沉预计的随机介质理论法；我国学者刘长友对全采全充条件下，充填体的压缩率对上覆关键层活动的影响规律进行了研究，得出充填工作面上覆岩层垂直应力分布规律与常规工作面相同，但充填体内垂直应力的大小与充填体压缩率、上覆岩层有无坚硬岩层等因素有关的结论等等。以上相关理论在一定程度上解决了部分岩层控制领域的问题。但是之前的理论对充填开采条件下覆岩断裂带的发育程度和停止发育位置不能给出系统完善的分析方法和数据支撑，制约着充填开采条件下覆岩破坏灾害的防治。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，以达到为充填开采过程中如何采取覆岩破坏的防治措施提供理论和数据依据，降低充填开采工作面覆岩破坏所引发灾害的目的。一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，该方法包括以下步骤：步骤1、由矿井内顶层向地表方向，逐层确定坚硬岩层的位置；步骤2、根据板壳理论确定每个坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和对应极限位移；步骤3、确定每个坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷；步骤4、由矿井内顶层向地表方向，依次判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂时，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤5；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤5、判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂后，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤6；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤6、返回执行步骤4，对上一层坚硬岩层断裂情况进行判断。步骤2所述的坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和对应极限位移，其中，顶板处于初次断裂时的临界载荷根据剪切刚度、坚硬岩层的抗弯刚度和工作面斜长获得；顶板处于初次断裂时的极限位移根据工作面向前推进的距离、剪切刚度、坚硬岩层的抗弯刚度和工作面斜长获得；顶板处于初次断裂后的临界载荷根据影响系数、剪切刚度、坚硬岩层板的抗弯刚度和工作面斜长获得，顶板处于初次断裂后的极限位移根据工作面向前推进的距离、工作面斜长获得和影响系数获得。步骤3所述的坚硬岩层下方自由空间高度，根据采高、岩层厚度和下位岩层的残余碎涨系数获得。步骤3所述的坚硬岩层上覆载荷，根据岩层容重、岩层厚度、坚硬岩层上方到最近的坚硬岩层之间岩层的层数、工作面向前推进的距离和工作面斜长获得。所述的顶板处于初次断裂时的临界载荷O1，计算公式为：其中，L表示工作面斜长，D表示坚硬岩层的抗弯刚度，v表示泊松比；H表示坚硬岩层的厚度；E表示坚硬岩层弹性模量；C表示剪切刚度，C＝GH，G表示剪切模量；所述的顶板处于初次断裂时的极限位移w1，计算公式为：其中，x表示工作面向前推进的距离；所述的顶板处于初次断裂后的临界载荷Q2，计算公式为：其中，k表示影响系数，所述的顶板处于初次断裂后的极限位移w2，计算公式为：所述的坚硬岩层下方自由空间高度，计算公式如下：其中，Z表示坚硬岩层下方自由空间高度；M表示采高；hj表示第j岩层厚度；λj表示第j层岩石的残余碎涨系数，j＝1，...，i-1，i表示目标岩层。所述的坚硬岩层上覆载荷，计算公式如下：其中，Q表示坚硬岩层上覆载荷，γi表示第i层岩层容重；hi表示第i层岩层厚度；t表示坚硬岩层上方到最近的坚硬岩层之间岩层的层数，x表示工作面向前推进的距离，L表示工作面斜长，i表示目标岩层。本专利技术优点：本专利技术提出一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，该方法中涉及的各项基础参数，均可以在工作面开采设计完成之后，根据地质资料、实验室试验等方法获得，本专利技术能够为充填开采过程中采取覆岩破坏的防治措施提供理论和数据依据，降低充填开采工作面覆岩破坏引发的灾害，本专利技术对充填开采覆岩活动规律的分析具有广泛的实用性。附图说明图1为本专利技术一种实施例的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法流程图；图2为本专利技术一种实施例的工作面推进到40.3m时1号孔观测结果示意图，其中，图(a)为推进40.3m时1号钻孔深度4.9m示意图，图(b)为推进40.3m时1号钻孔深度8.2m示意图；图3为本专利技术一种实施例的工作面推进到45.6m时1号孔观测结果示意图，其中，图(a)为推进45.6m时1号钻孔深度13.5m示意图，图(b)为推进45.6m时1号钻孔深度16.4m示意图；图4为本专利技术一种实施例的工作面推进到67.2m时2号孔观测结果示意图，其中，图(a)为推进67.2m时2号钻孔深度5.3m示意图，图(b)为推进67.2m时2号钻孔深度7.4m示意图；图5为本专利技术一种实施例的工作面推进到72.2m时2号孔观测结果示意图，其中，图(a)为推进72.2m时2号钻孔深度13.8m示意图，图(b)为推进72.2m时2号钻孔深度15.1m示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术一种实施例做进一步说明。本专利技术实施例中，基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，方法流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤1、由矿井内顶层向地表方向，逐层确定坚硬岩层的位置；坚硬岩层指变形挠度小于其下部岩层，不与下部岩层协调变形的岩层，假设第一层岩层为坚硬岩层，其上至第n层岩层与之协调变形，而第n+1层岩层不与之协调变形，那么第n+1层岩层就是视为第二层坚硬岩层，应用组合梁理论得出第一层坚硬岩层的上覆载荷为：其中，q1(x)|m表示考虑到第m层岩层对第一层硬岩岩层形成的载荷；hi表示第i层岩层的厚度，Vi表示容重，Ei表示弹性模量；考虑到第m+1层岩层对第一层岩层形成的载荷同理；如果第m+1层岩层为坚硬岩层时满足：q1(x)|m＞q1(x)|m+1(8)将式(7)代入式(8)可以得出：当判别坚硬岩层时，从第一层逐次向上计算，当满足是式(5)时停止计算，此时第m+1层岩层为坚硬岩层；再从第m+1层上方的岩层按照同样的方法判断坚硬岩层，直至最后一个岩层。本专利技术实施例中，以红阳四矿为例进行说明，红阳四矿13号煤煤层赋存条件良好，1326工作面处于工业广场之下，所以1326工作面采用似膏体充填开采；充填材料实验室测得的最大压缩率为3.65％，工作面设计采高1.4m，架后顶底板移近量为0.05m，平均未接顶高度为0.317m，等效采高为0.41m，工作面长121m。工作面顶板岩层分布和岩石力学参数，如表1所示：表1岩层分布及力学参数本专利技术实施例中，由工作面上方的岩层分布和岩石力学参数，应用坚硬岩层判断方法得出坚硬岩层分别为序号13的中粒砂岩J1，序号9的细粒砂岩J2和序号4的细粒砂岩J3；步骤2、根据板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、由矿井内顶层向地表方向，逐层确定坚硬岩层的位置；步骤2、根据板壳理论确定每个坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和对应极限位移；步骤3、确定每个坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷；步骤4、由矿井内顶层向地表方向，依次判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂时，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤5；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤5、判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂后，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤6；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤6、返回执行步骤4，对上一层坚硬岩层断裂情况进行判断。

【技术特征摘要】
1.一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、由矿井内顶层向地表方向，逐层确定坚硬岩层的位置；步骤2、根据板壳理论确定每个坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和对应极限位移；步骤3、确定每个坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷；步骤4、由矿井内顶层向地表方向，依次判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂时，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤5；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤5、判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂后，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤6；否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；步骤6、返回执行步骤4，对上一层坚硬岩层断裂情况进行判断。2.根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，步骤2所述的坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和对应极限位移，其中，顶板处于初次断裂时的临界载荷根据剪切刚度、夹层板的抗变刚度和工作面斜长获得；顶板处于初次断裂时的极限位移根据工作面向前推进的距离、剪切刚度、夹层板的抗变刚度和工作面斜长获得；顶板处于初次断裂后的临界载荷根据影响系数、剪切刚度、夹层板的抗变刚度和工作面斜长获得，顶板处于初次断裂后的极限位移根据工作面向前推进的距离、工作面斜长获得和影响系数获得。3.根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，步骤3所述的坚硬岩层下方自由空间高度，根据采高、岩层厚度和下位岩层的残余碎涨系数获得。4.根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，步骤3所述的坚硬岩层上覆载荷，根据岩层容重、岩层厚度、坚硬岩层上方到最近的坚硬岩层之间岩层的层数、工作面向前推进的距离和工作面斜长获得。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳国，秦洪岩，王猛，高仙，朱洪涛，李洋，范楠，牛德林，陈波，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21