厚坚硬岩层赋存矿井工作面开采地表移动-震动预测方法

本发明涉及采矿工程和动力灾害防治交叉，具体地说涉及一种厚坚硬岩层赋存矿井工作面开采地表移动-震动预测方法。

背景技术：

1、煤层上覆岩层赋存有坚硬、厚度较大的硬厚岩层是生产矿井较常见的一种开采地质条件，约占到总矿井数的30%。关键岩层的断裂运动极易诱发高能量的矿震及其次生动力灾害，从而造成地表强烈震感和工作面的强冲击（突出），造成严重的煤矿动力灾害。由于厚坚硬岩层本身具有强度高、厚度大、影响范围广、节理裂隙不发育以及与煤层距离大等特征，在采场范围内容易形成大面积坚硬悬顶结构，短期内不易自然垮落。

2、现有采矿、力学等相关领域未见有效的高位厚坚硬岩层控制、弱化和处理技术，矿震预测和预警成为了“抗震-减灾”的主要手段。随着此类矿井开采深度加深、开采强度加大以及采场周围环境复杂化，矿震及其诱发的次生灾害成为影响矿井安全高效开采的重大难题之一，传统矿震预测和预警手段难以满足其准确性需求。

技术实现思路

1、本发明提供的一种更加科学准确的厚坚硬岩层赋存矿井工作面开采地表移动-震动预测方法，可至少解决上述技术问题之一。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种厚坚硬岩层赋存矿井工作面开采地表移动-震动预测方法，包括以下步骤：

4、s1、针对采场上覆高位厚坚硬岩断裂进行机理分析，推导应力场分布，建立弹性力学模型；

5、s2、基于弹性力学模型以及采场上覆多层岩层对顶板岩层的荷载影响，分析多层岩层之间的运动特征和荷载极限；

6、s3、根据岩层运动特征和荷载极限，分析常规深梁结构破断过程中顶板岩层受力特征，建立顶板岩层初次破断前的岩梁模型，并确定顶板岩层初次破断的极限跨距；

7、s4、基于能量守恒定律，分析顶板岩层破断前后的弹性能积聚与释放规律，引入弯曲弹性性能能量占比机制，计算顶板岩层初次及周期破断释放的弹性性能，估算矿震能量；

8、s5、基于矿震能量衰减特征，确定能量转化系数，将矿震能量折算为当量tnt炸药量，引入爆破震动研究机制，计算地表质点震动速度，用以量化矿震烈度及对地面建筑的损伤程度；

9、s6、针对顶板岩层破断后形成的“移动圈”和“震动圈”，进行概念界定和定量确定。

10、进一步地，所述s1中，采场周围的“时-空”破裂事件主要来自覆岩空间岩层破断运动，且高位岩层运动主要源自下位岩层断裂造成水平应力上升进而造成的持力结构突变失稳；

11、设高位厚坚硬岩层岩体的初始拉应力为

σ0，突变产生的附加应力为

σa，岩层或岩梁破断的极限抗拉强度为[

σ]，则应力突变造成高位坚硬岩层断裂机理简化成：

12、

σ0+

σa>[

σ]（1）

13、基于矿山压力理论，弹性岩梁失稳前的应力和应变均增加缓慢，厚坚硬岩层的厚度大于煤层的开采厚度，弯曲挠度小于煤层的开采厚度，故厚坚硬岩层的弯曲挠度小于自身厚度，即坚硬顶板岩层在破断前为小弹性变形，因此在假设上覆岩载荷在顶板岩层变形过程中不发生明显变化的前提下，失稳前的岩梁能够转化为均布荷载作用下两端固支梁的弹性力学模型。

14、进一步地，所述s2中，矿井工作面上方存在多层厚坚硬岩层，覆盖整个采区范围，多层厚坚硬岩层的运动及荷载机理影响顶板岩层运动力学模型建立以及能量释放规律研究，基于采矿学中岩梁所承受载荷法，分析多层厚坚硬岩层协同运动特征，考虑上覆

n层岩层对厚坚硬岩层影响的荷载(

qn)1表示为：

15、（2）

16、其中，

hi表示上覆第i层岩层的厚度，

ei表示上覆第

i层岩层的弹性模量，

γi表示上覆第

i层岩层的容重，

i为

n层岩层的索引；

17、基于式（2）计算并比较第

n+1层时是否满足(

qn+1)1<(

qn)1，如果是则说明第

n+1层岩层不再对厚坚硬岩层，即第1层岩层产生载荷，从而确定岩层的承受荷载。

18、进一步地，所述s3中，考虑到顶板岩层坚硬且厚度大的力学条件，顶板岩层受力特征区别于常规长梁结构，初次断裂位置承受相邻岩块的挤压作用，假定忽略梁支承端垫层的作用，建立常规深梁结构破断过程中顶板岩层受力特征模型，得到简化后的固支岩梁模型，基于该固支岩梁模型分析坚硬顶板岩层初次断裂前的极限跨距；

19、令矿井工作面方向为单位宽度，接近平面应变问题，基于圣维南原理，得到两端嵌固梁应力函数为：

20、（3）

21、其中，表示应力函数，

x和

y分别表示水平和竖直方向的长度，

a、

b、

c、

d、

p、

f、

s、

q和

k分别表示待定系数；

22、应力函数应满足拉普拉斯微分方程，考虑固支岩梁模型边界条件后，得到厚坚硬岩层在体积力作用下的应力场分布的解析解表达式为：

23、（4）

24、其中，表示固支岩梁在水平方向拉应力，表示固支岩梁在竖直方向拉应力，表示固支岩梁在剪应力，

γ为岩层的容重，

h为岩层的厚度，

l为岩层极限跨距的一半；

25、根据岩石的强度特征，存在：抗拉强度

σ＜抗剪强度

τ＜抗压强度

r，故顶板岩层的主要破坏形式为拉伸破坏，结合材料力学两端固支岩梁弯矩分布特点，随跨度的增加，在岩梁两端嵌固上方位置，即

x=±

l，

y=-

h/2处，负弯矩最大而被最先拉断，因此，计算得到该位置处的拉应力

σ1，即当

x=±

l，

y=-

h/2时的拉应力为：

26、（5）

27、当厚坚硬岩层最大拉应力达到抗拉强度时，产生破断裂隙，根据岩石力学最大拉应力强度理论，顶板岩层不发生断裂的安全跨度满足条件为：

28、（6）

29、其中，[

σ]为厚坚硬岩层的极限抗拉强度；

30、由此得到极限破断跨距

ls计算式为：

31、（7）

32、基于式（7）计算并比较各层岩层的极限破断跨度。

33、进一步地，所述s4中，岩层或岩梁在弯曲、断裂以及运动过程中发生复杂的能量转化，根据能量守恒定律，厚坚硬岩层断裂失稳释放的能量为：

34、

uo=

ui-

up-

uc（8）

35、其中，

uo为厚坚硬岩层破断失稳释放出的能量，

ui为厚坚硬岩层弹性变形过程中积聚的能量，

up为厚坚硬岩层变形过程中岩体消耗的能量，

uc断裂后仍具有的残余应变量；

36、将初次断裂时的顶板岩层视为研究对象，对其进行受力及能量守恒分析，该顶板岩层中，

ui能量包括上部岩层附加载荷对其做的功和断裂下沉时自重做的功，

up能量包括自身发生塑性变形消耗的能量、运动过程中由于客观节理发生剪切和摩擦消耗的能量，故式（8）表示为：

37、

uo=

uq

+ug

－us

－uj

－uc（9）

38、其中，

uq为上部岩层附加载荷对顶板岩层做的功，

ug为断裂时自重对顶板岩层做的功，

us为顶板岩层发生塑性变形消耗的能量，

uj为顶板岩层客观节理的能量消耗；

39、引入弯曲弹性性能能量占比机制，顶板岩层初次及周期破断所释放的弹性能由体弹性能

uv、形变弹性能

ut和顶板弯曲弹性能

uw组成，表达式为：

40、

uo=

uv+

ut+

uw（10）

41、（11）

42、（12）

43、（13）

44、其中，

μ为岩层岩体泊松比，

e为岩层弹性模量，

γ为岩层容重，

h为岩层的埋深，

g为岩层剪切弹性模量，

m为岩层弯矩

，θ为岩层弯曲下沉的角度；

45、由此计算顶板岩层初次及周期破断释放的弹性性能，其中：

46、针对初次破断弯曲弹性能，得到：

47、（14）

48、针对周期破断弯曲弹性能，得到：

49、（15）

50、式中，

q为顶板岩层自重和上覆岩层附加载荷的单位长度折算载荷，

i为顶板岩层的断面惯性矩，

ls为顶板岩层的极限破断跨距；

51、结合式（14）和式（15）知，弯曲弹性能

uw与顶板岩层的极限破断跨距5次方成正比，

ls越大，积聚的能量越多，因而工程上能够满足式（16）约等式条件：

52、

uo≈

uw（16）。

53、进一步地，所述s5中，矿震对周围岩体产生震动扰动，矿震震动波从震源点向各个方向传播，距震源越远则震感越弱，震动波能够看作为平面波，根据震动波传播衰减规律，波的能量的相对减小与波所经过的路程成线性关系，则d

u在路程d

x上能量的变化为：

54、（17）

55、其中，

u为矿震震动能量，

k为介质对能量的吸收系数；

56、两边积分，式（17）转换为：

57、

ur

=uo

e-kx（18）

58、其中，

ur表示弹性能释放转化为震动冲击的矿震震动能量，

uo为厚坚硬岩层破断失稳释放出的震源能量；

59、令

η=

e-kx，式（18）转换为：

60、

ur≈

ηuo（19）

61、其中，

η为能量转化系数；

62、引入萨道夫斯基经验公式预测震动最大速度：

63、（20）

64、其中，

v为质点峰值震动速度，

q为炸药单响总起爆药量，

r为震源中心与地面设施之间空间距离，

a为质点震动衰减指数；

65、两边取对数，式（20）转换为：

66、（21）

67、即在双对数坐标上，因变量和自变量呈线性关系，是在=0时的截距，

a为此直线的斜率；

68、引入变量、和，令、以及，将式（21）转换为一元线性回归方程：

69、（22）

70、采用相当质量单质tnt炸药爆炸估算震动效应，建立矿震能量和折算成的当量tnt炸药量之间关系为：

71、

ur=

qqv（23）

72、其中，

qv为tnt炸药的能量和质量之间存在常量系数。

73、进一步地，所述s6中，随着工作面回采和采空区悬露面积增加，上覆厚坚硬岩层最发生破断运动，于开采区域地表形成“移动圈”和“震动圈”，其中，“移动圈”由开采区域地表周围岩层沉降形成，形似椭圆形，“震动圈”由厚坚硬岩层断裂诱发矿震传递到地表形成，形似圆形；

74、厚坚硬岩层断裂后，地表“移动圈”和“震动圈”影响范围计算表达式为：

75、（24）

76、其中，

dz和

ds分别为地表“移动圈”倾向宽度和走向宽度，

lz和

l′s分别为工作面宽度和推采距离，

h为煤层埋深，

hl为厚坚硬岩层距离地表垂直高度，

α为岩层移动角度，

r为震源中心与地面设施之间空间距离，

rl为震源中心与地面设施之间水平距离。

77、本发明的有益效果体现在：

78、1、通过覆岩空间结构规律，建立了高位厚坚硬岩层两端固支的弹性岩梁力学模型，采用平面应变求解方法和圣维南原理，推导出硬厚岩层应力场分布解析式，得出硬厚岩层破断跨度的计算式，根据岩层（石）抗拉强度

σ＜抗剪强度

τ＜抗压强度

r特征，提出了高位厚坚硬岩层拉伸破坏的极限跨距计算方法。

79、2、分析高位厚坚硬岩层失稳运动后能量积聚和释放的基本形式，推导坚硬顶板岩层初次断裂以及周期断裂积聚的弹性能量和转化矿震的能量估算方法。

80、3、根据地震学和爆破学计算震源周围岩体质点震动的方法，将矿震能量折合成当量的tnt质量的炸药，运用爆破学计算质点震动速度的方法评价矿震烈度和对外界损伤程度。

81、4、结合地表岩移规律和矿震传播规律，探讨了开采扰动诱发关键厚坚硬岩层断裂运动，引起地表“移动”和“震动”的规律以及简单计算方法。