一种底板隔水岩层稳定性计算方法技术

一种底板隔水岩层稳定性计算方法，S1：若煤岩层底板岩性相近，将岩煤开采层至承压开采层之间的部分简化为一种底板岩性结构的底板岩层，若煤岩层底板岩性存在明显的上下分层结构，将岩煤开采层至承压开采层之间的部分简化为两种底板岩性结构的底板岩层，建立力学模型，进行受力分析；S2：引入弹塑性破坏理论进行分析；S3：选取微分单元，建立微分平衡方程；S4：解微分方程，推导底板岩层能承受的最大极限水压力值或最小隔水岩层厚度安全阈值；S5：根据实际问题，判断隔水层厚度是否安全。该方法能推导出底板隔水岩层厚度安全阈值和最大极限水压力值，可科学合理的判断底板整体安全性，为高承压水体上开采煤岩层提供安全保障和理论指导。论指导。论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种底板隔水岩层稳定性计算方法


[0001]本专利技术属于岩土灾害
，具体涉及一种底板隔水岩层稳定性计算方法。

技术介绍

[0002]煤炭的发展在经济建设中有着举足轻重的地位，其在国民经济和人民生活中的起着中坚力量的作用。现阶段，很多煤炭均分布于地下水层附近，很多煤炭资源受到水害的严重威胁。近些年，煤岩层底板突水事故时有发生，以灰岩承压水带来的煤岩层底板突水隐患尤为突出，合理科学的提前排查底板突水隐患、降低甚至消除底板突水威胁就显得极为重要。
[0003]在现有技术中，对底板隔水层稳定性方面在以往并没有系统性的理论求解方法，同时，对底板隔水岩层安全的评价方法均未兼顾底板采动破坏深度与承压水导升高度双重影响，且现有的方法未求得最小隔水层厚度和最大极限水压力值。另外，现阶段，现场实际判断底板安全性依然参考突水系数法进行，突水系数法是采用统计归纳法所得到经验结果，针对具体的某一个煤矿或采面底板稳定性安全评价没有现成的理论求解方法，缺乏理论支撑，且没有考虑底板岩石力学性质，无系统性的理论求解方法，在实际操作过程中，无法给工程实践人员带来科学的指导。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种底板隔水岩层稳定性计算方法，该方法能推导得出底板隔水岩层厚度安全阈值和最大极限水压力值，可科学合理的判断底板整体安全性，为高承压水体上开采煤岩层提供安全保障和理论指导。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种底板隔水岩层稳定性计算方法，若煤岩层底板岩性相近，则执行步骤一；若煤岩层底板岩性存在明显的上下两层分层结构，则执行步骤二；
[0006]步骤一：以单一岩性结构底板隔水岩层进行稳定性分析，具体方法如下：
[0007]S1：建立力学模型，进行受力分析；具体方法如下：
[0008]S10：将岩煤开采层至承压开采层之间的部分简化为一种底板岩性结构的底板岩层，再将一种底板岩性结构的由上到下依次分为底板采动裂隙层、有效隔水层和底板承压水导升裂隙层；
[0009]S11：根据公式(1)计算底板的有效隔水层高度h1；
[0010]h1＝H1‑
h0‑
c
ꢀꢀꢀ
(1)；
[0011]式中，H1为底板岩层的厚度，单位m；h0为底板采动裂隙层高度；c为底板承压水导升裂隙层高度；
[0012]S12：根据公式(2)计算底板承压水导升裂隙层顶部的等效水压力q2；根据公式(3)计算采空区冒落矸石的等效荷载q1；
[0013]q2＝q0‑
(h1+h0)
·
γ1ꢀꢀꢀ
(2)
[0014][0015]式中，q0为高承压水实际作用的水压力；γ1为底板岩层的等效重度，单位KN/m3；L为采空区沿走向长度；γ为采空区冒落矸石的等效重度，单位KN/m3；
[0016]S2：引入弹塑性破坏理论进行分析；具体方法如下：
[0017]S20：将有效隔水层和底板采动裂隙层简化成理想的线性弹塑性体，并使有效隔水层的变形满足公式(4)，使底板采动裂隙层的变形满足公式(5)；
[0018]σ
x
＝k
·
σ
y
+σ
n
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0019][0020]式中，σ
x
为底板岩层中微单元体在x方向的水平应力，单位MPa；σ
y
为底板岩层中微单元体在y方向的垂直应力，单位MPa；σ
n
为底板岩层单轴抗压强度，单位MPa，或者通过实测获得；c
n
为底板岩层的粘聚力，单位MPa；为底板岩层的内摩擦角，单位
°
；
[0021]为底板岩层残余强度，单位MPa，或者通过实测获得；为底板岩层的残余粘聚力，单位MPa；为底板岩层的残余内摩擦角，单位
°
；当底板岩层在弹性和残余阶段的内摩擦角不变时，即则有k
*
＝k；
[0022]S3：选取微分单元，建立微分平衡方程；具体方法如下：
[0023]从底板隔离层中选取一段厚度为dy的微单元体，以水平方向为x轴、垂直向下为y轴建立底板岩层微单元体进行受力分析，其中dσ
y
、dσ
x
分别为微单元体在垂直和水平方向的主应力；使微单元体在y方向上的应力平衡方程满足公式(6)；并根据公式(7)计算微单元体与两侧岩层接触面上的摩擦阻力τ；根据公式(6)建立y方向应力平衡方程得到公式(8)；
[0024]∑F＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0025]τ＝f
·
σ
x
+C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)；
[0026]σ
y
·
L+2τ
·
dy
‑
(σ
y
+dσσ
y
)
·
L＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(8)；
[0027]式中，C为微单元体与两侧岩层接触面上的粘聚力，单位MPa，当微单元体处于底板采动裂隙层h0时，当微单元体处于有效隔水层h1时，C＝c
n
；f为微单元体与两侧岩层接触面上的摩擦系数，当微单元体处于底板采动裂隙层h0时该参数为f
*
，当微单元体处于有效隔水层h1时为f，
[0028]S4：解微分方程，推导底板岩层所能承受的最大极限水压力值或最小隔水岩层厚度安全阈值；
[0029]当微单元体处于底板采动裂隙层时，按如下方法进行求解：
[0030]S41：联立公式(6)、公式(7)和公式(8)获得公式(9)，并求解公式(9)得到公式(10)；
[0031][0032][0033]式中，为未知量；
[0034]S42：先使y＝0时，得到公式(11)；并联立公式(3)和公式(11)得到公式(12)；再推导出公式(13)；
[0035][0036][0037][0038]S42：使y＝h0，得到公式(14)；
[0039][0040]当微单元体处于有效隔水层时，按如下方法进行求解：
[0041]S43：联立公式(5)、公式(7)和公式(8)获得公式(15)，并求解公式(15)得到公式(16)；
[0042][0043][0044]式中，C1为未知量；
[0045]S44：先使y＝h0+h1，得到公式(17)；并联立公式(2)和公式(17)得到公式(18)；再联立公式(16)和公式(18)得到(19)；
[0046][0047][0048][0049]S45：使y＝h0，得到公式(20)；在y＝h0交界面处，公式(20)等于公式(14)，进而得到公式(21)，再求解公式(21)得到公式(22)；
[0050][0051][0052][0053]S5：根据实际问题，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种底板隔水岩层稳定性计算方法，其特征在于；若煤岩层底板岩性相近，则执行步骤一；若煤岩层底板岩性存在明显的上下两层分层结构，则执行步骤二；步骤一：以单一岩性结构底板隔水岩层进行稳定性分析，具体方法如下：S1：建立力学模型，进行受力分析；具体方法如下：S10：将岩煤开采层至承压开采层之间的部分简化为一种底板岩性结构的底板岩层，再将一种底板岩性结构的由上到下依次分为底板采动裂隙层、有效隔水层和底板承压水导升裂隙层；S11：根据公式(1)计算底板的有效隔水层高度h1；h1＝H1‑
h0‑
c
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；式中，H1为底板岩层的厚度，单位m；h0为底板采动裂隙层高度；c为底板承压水导升裂隙层高度；S12：根据公式(2)计算底板承压水导升裂隙层顶部的等效水压力q2；根据公式(3)计算采空区冒落矸石的等效荷载q1；q2＝q0‑
(h1+h0)
·
γ1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；式中，q0为高承压水实际作用的水压力；γ1为底板岩层的等效重度，单位KN/m3；L为采空区沿走向长度；γ为采空区冒落矸石的等效重度，单位KN/m3；S2：引入弹塑性破坏理论进行分析；具体方法如下：S20：将有效隔水层和底板采动裂隙层简化成理想的线性弹塑性体，并使有效隔水层的变形满足公式(4)，使底板采动裂隙层的变形满足公式(5)；σ
x
＝k
·
σ
y
+σ
n
ꢀꢀꢀꢀ
(4)；式中，σ
x
为底板岩层中微单元体在x方向的水平应力，单位MPa；σ
y
为底板岩层中微单元体在y方向的垂直应力，单位MPa；σ
n
为底板岩层单轴抗压强度，单位MPa，或者通过实测获得；c
n
为底板岩层的粘聚力，单位MPa；为底板岩层的内摩擦角，单位
°
；；为底板岩层残余强度，单位MPa，或者通过实测获得；为底板岩层的残余粘聚力，单位MPa；为底板岩层的残余内摩擦角，单位
°
；当底板岩层在弹性和残余阶段的内摩擦角不变时，即则有k
*
＝k；S3：选取微分单元，建立微分平衡方程；具体方法如下：从底板隔离层中选取一段厚度为dy的微单元体，以水平方向为x轴、垂直向下为y轴建立底板岩层微单元体进行受力分析，其中dσ
y
、dσ
x
分别为微单元体在垂直和水平方向的主应
力；使微单元体在y方向上的应力平衡方程满足公式(6)；并根据公式(7)计算微单元体与两侧岩层接触面上的摩擦阻力τ；根据公式(6)建立y方向应力平衡方程得到公式(8)；∑F＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；τ＝f
·
σ
x
+C
ꢀꢀꢀꢀ
(7)；σ
y
·
L+2τ
·
dy
‑
(σ
y
+dσ
y
)
·
L＝0
ꢀꢀ
(8)；式中，C为微单元体与两侧岩层接触面上的粘聚力，单位MPa，当微单元体处于底板采动裂隙层h0时，当微单元体处于有效隔水层h1时，C＝c
n
；f为微单元体与两侧岩层接触面上的摩擦系数，当微单元体处于底板采动裂隙层h0时该参数为f
*
，当微单元体处于有效隔水层h1时为f，S4：解微分方程，推导底板岩层所能承受的最大极限水压力值或最小隔水岩层厚度安全阈值；当微单元体处于底板采动裂隙层时，按如下方法进行求解：S41：联立公式(6)、公式(7)和公式(8)获得公式(9)，并求解公式(9)得到公式(10)；解公式(9)得到公式(10)；式中，为未知量；S42：先使y＝0时，得到公式(11)；并联立公式(3)和公式(11)得到公式(12)；再推导出公式(13)；公式(13)；公式(13)；S42：使y＝h0，得到公式(14)；当微单元体处于有效隔水层时，按如下方法进行求解：S43：联立公式(5)、公式(7)和公式(8)获得公式(15)，并求解公式(15)得到公式(16)；
式中，C1为未知量；S44：先使y＝h0+h1，得到公式(17)；并联立公式(2)和公式(17)得到公式(18)；再联立公式(16)和公式(18)得到(19)；式(16)和公式(18)得到(19)；式(16)和公式(18)得到(19)；S45：使y＝h0，得到公式(20)；在y＝h0交界面处，公式(20)等于公式(14)，进而得到公式(21)，再求解公式(21)得到公式(22)；(21)，再求解公式(21)得到公式(22)；(21)，再求解公式(21)得到公式(22)；S5：根据实际问题，判断隔水层厚度是否安全，具体过程如下：当底板隔水岩层厚度H1已知时，通过公式(22)给出底板岩层所能承受的极限水压力值，实际水压力Q与q0存在公式(23)中的关系：当底板隔水岩层受水压力值已知时，对公式(22)求解得到底板岩层最小厚度值H
min
，底板岩层实际厚度值H1与最小厚度值H
min
存在公式(24)中的关系：
步骤二：以双岩性结构底板隔水岩层进行稳定性分析，具体方法如下：A1：建立力学模型，进行受力分析；具体方法如下：A10：将岩煤开采层至承压开采层之间的部分简化为两种底板岩性结构的底板岩层，再将两种底板岩性结构的底板岩层由上到下分别记为底板隔水岩层A和底板隔水岩层B，并将底板隔水岩层A由上到下依次分为底板采动裂隙层和上部有效隔水层，将底板隔水岩层B由上到下依次分为下部有效隔水层和承压水导升裂隙层，其中上部有效隔水层和下部有效隔水层形成总有效隔水层；A11：根据公式(25)计算底板的总有效隔水层高度；h2+h3＝H2‑
h0‑
c
ꢀꢀ
(25)；式中，H2为底板岩层的总厚度，单位m，当底板隔水层实际厚度确定来求解承压水压力最大值时，H2＝H
实
；h0为底板采动裂隙层高度；c为底板承压水导升裂隙层高度；A12：根据公式(26)计算承压水导升裂隙层顶部的等效水压力q3；根据公式(27)计算采空区冒落矸石的等效荷载q1；q3＝q0‑
(h2+h0)
·
γ2‑
h3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，段中会，李远谋，刘朝阳，马丽，王峰，杨增平，杨宇轩，丁学松，纪丙楠，周永根，高帅，吕伟，张壮，王伟东，翟彦妮，
申请(专利权)人：陕西省煤田地质有限公司陕西陕煤澄合矿业有限公司陕西昂西智慧矿业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：