一种地表沉陷类别预计方法

1.本发明涉及矿山开采地表沉陷技术领域，尤其涉及一种地表沉陷 类别预计方法。


背景技术：

2.煤矿开采过程中，上覆岩层内部的移动变形是引起地表沉陷的主要因素， 地表沉陷是开采过程中覆岩运动由下往上传递到地表的最终反映。因煤炭开采 产生的地表沉陷，使地层稳定受损，威胁到地表的安全，并破坏了生态环境， 限制了经济发展，危害了社会和谐，让城市近郊沉陷地成为社会经济发展、城 市扩展以及基础建设的用地瓶颈。
3.已有研究表明，煤炭开采后采场上覆岩层运动受控于采动覆岩承 载结构，松散层中的承载结构为松散层拱，基岩中的承载结构为关键 层。当关键层初次破断时，地表的最大下沉值和最大下沉速度尚未达 到最大值，随着松散层拱周期性失稳逐渐增大；当松散层拱完全失稳 破坏后，地表最大下沉速度逐渐减小。然而我国地质构造条件较为复 杂，地表沉陷种类繁多，如：地表均匀下沉盆地、地表倾向台阶裂缝、 地表走向斑裂和地表塌陷坑等。现有研究地表沉陷的方法有沉陷预计 和地表沉陷观测等方法，沉陷预计运用概率积分法，就地表将出现的 移动和变形规律进行预计，包括地表下沉值，地表下沉范围及地表下 沉占总面积的百分比，但无法对地表沉陷特征进行超前判别；而地表 沉陷观测需在开采区域上方地表设置地表岩移观测站定量监测地面 的移动变形，获得地表移动变形参数，最大下沉点以及地面的累计下 沉量，对地表沉陷进行实时监控，但无法对地表沉陷进行超前预计。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种地表 沉陷类别预计方法。
5.一种地表沉陷类别预计方法，包括以下步骤：
6.步骤一，收集钻孔周围松散层的力学参数和各个岩层结构的力学 参数；
7.步骤二，根据松散层拱理论，判定松散层拱是否可以形成以及形 成后的稳定性；
8.步骤三，根据关键层理论，通过对上覆岩层发挥的控制作用判别 关键层的位置；
9.步骤四，当松散层中无法形成松散层拱结构时，根据关键层理论， 判断关键层为远场关键层还是近场关键层；当关键层破断形成砌体梁 时，进入步骤五；
10.步骤五，当关键层破断形成砌体梁时，且δ＞δ
t
时，则砌体梁会 发生滑落失稳；其中，δ为工作面回采后关键层与垮落的直接顶的间 距，δ
t
为砌体梁保持自身稳定的临界回转量；
11.步骤六，当上覆岩层中关键层和松散层拱同时存在，且上覆岩层 中关键层和松散层拱保持稳定时，则地表会产生均匀下沉盆地；
12.当上覆岩层中只有近场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中近场 关键层破断后，则地表会产生倾向台阶裂缝；
13.当上覆岩层中只存在远场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中远 场关键层破断后，则地表会产生走向斑裂；
14.当关键层破断后的砌体梁和松散层拱同时失稳时，则地表会产生 塌陷坑。
15.进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，其特征在于，步 骤一中，所述松散层的力学参数包括：松散层的容重、厚度、矢高、 内聚力、内摩擦角、侧压系数、基岩破断角、煤层顶界面与关键层底 界面间的距离；
16.所述各个岩层的力学参数包括：各个岩层的容重、关键层的厚度、 破断距、关键层的抗拉强度、所受载荷、直接顶的碎胀系数、直接顶 的垮落高度，煤层的厚度和埋深、基岩中各个岩层厚度及岩性。
17.进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，在煤炭开采区域 地表施工地面钻孔取芯保存，并绘制钻孔综合柱状图；根据钻孔综合 柱状图，确定煤炭开采区域开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度和基 岩中各岩层厚度及岩性；
18.通过对松散层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数测试，从 而得到松散层容重、内摩擦角和内聚力；
19.通过对基岩中各个岩层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数 测试，从而得到基岩中各个岩层的容重、弹性模量和各个岩层的抗拉 强度；直接顶的碎胀系数由基岩中岩石力学性质和岩层的破坏形式确 定；
20.在煤层开采区域，通过井下水压致裂地应力测量装置，确定松散 层的侧压系数；
21.利用关键层判别软件kspb，基于松散层和基岩力学的特性，在 钻孔综合柱状图进行关键层的判别，从而得到关键层的厚度、位置、 破断距、所受载荷、关键层的抗拉强度、关键层底界面与煤层顶界面 间的距离；
22.利用钻孔测井分析仪，在工作面巷道顶板上方打钻孔，通过窥视 结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断演化图，得出基岩破断角。
23.进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤二中， 以松散层拱左侧拱基为原点，拱基所在直线为x轴，x轴向右为正 方向，垂直于拱基所在直线的直线为y轴，y轴向上为正方向建立 松散层拱二维力学模型；
24.根据该模型计算使松散层拱形成及稳定的松散层临界厚度：
[0025][0026]
式中：l
arch
、h
arch
、δ
arch
为松散层拱的跨度、矢高和厚度；γ、α 为基岩容重和破断角；c、为松散层的内聚力和内摩擦角；λ为侧压 系数；σh为主关键层底界面与煤层顶界面间的距离；h0为松散层拱 上覆松散层厚度；hc为松散层临界厚度；
[0027]
根据松散层拱的形成及稳定条件：当σh＞hc时，松散层中能形 成松散层拱；当松
散层拱稳定时，据此推出煤矿开采参数中的工作面 临界宽度lm。
[0028]
进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤三中， 由下式判别关键层的强度准则和刚度准则：
[0029][0030]
式中：q1|
n 1
、q1|n为第n 1和n层岩层对第1层岩层的载荷；l
n 1
、 ln为第n 1和n层岩层的破断距；
[0031]
借助关键层判别位置软件kspb对工作面的关键层进行判别，推 断出关键层在柱状图中的位置，从而判定关键层在工作面上覆岩层中 的位置。
[0032]
进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤四中， 当开采区域地质条件确定存在关键层，无法形成松散层拱时，根据远 近场关键层划分依据，将工作面上覆关键层划分为远场关键层和近场 关键层；
[0033]
由下式确定a和b：
[0034][0035]
式中，a为工作面长度；b为关键层倾向悬露长度；lm关键层极 限跨距；
[0036]
根据关键层破断规律：3lm》b》1.414lm，来压步距lm《a《1.414lm， 此时关键层“竖o-x”破断，关键层为近场关键层；lm《b《1.414lm，来 压步距a》1.414lm》b，此时关键层“横o-x”破断，关键层为远场关键 层。据此推出工作面上覆关键层为近场关键层或远场关键层。
[0037]
进一步地，如上所述的地表沉陷类别预计方法，所述步骤五中， 由下式确定δ和δ
t
：
[0038][0039]
式中：mb为工作面临界采高；k
p
为直接顶的碎胀系数；σhi为直 接顶的垮落高度；σc为关键层的抗压强度；h
ks
、q
ks
、l
ks
为关键层的 厚度、载荷和破断距。
[0040]
有益效果：
[0041]
本发明为了预计地表沉陷类型，确定了松散层拱的形成条件并进 行稳定性判别，确定了关键层稳定性判别及临界采高，确定了关键层 为远场关键层或近场关键层。在不同地质条件下，采动覆岩承载结构 的组成存在多样性，故需要一种通过采动覆岩承载结构特征预计地表 沉陷类型，并且根据得出的地表沉陷类型针对不同情况提出防治措施， 预测
地表沉陷各项参数，减少或杜绝开采损害带来的损失，对矿山开 采中实现经济发展、财产安全、保护环境等方面的协调发展有着一定 的指导意义。
附图说明
[0042]
图1为本发明地表沉陷类别预计方法流程图；
[0043]
图2为本发明地表沉陷类别预计方法原理图；
[0044]
图3为松散层拱结构二维力学模型图；
[0045]
图4为地表下沉曲线图；
[0046]
图5为地表均匀下沉盆地现场图；
[0047]
图6为钻孔柱状图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明 中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实 施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
如图1、图2所示，本发明提供的方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤一，收集钻孔周围松散层的力学参数和各个岩层结构的力学 参数；
[0051]
步骤二，根据松散层拱理论，判定松散层拱是否可以形成以及形 成后的稳定性；
[0052]
步骤三，根据关键层理论，通过对上覆岩层发挥的控制作用判别 关键层的位置；
[0053]
步骤四，当松散层中无法形成松散层拱结构时，根据关键层理论， 判断关键层为远场关键层还是近场关键层；当关键层破断形成砌体梁 时，进入步骤五；
[0054]
步骤五，当关键层破断形成砌体梁时，且δ＞δ
t
时，则砌体梁会 发生滑落失稳；其中，δ为工作面回采后关键层与垮落的直接顶的间 距，δ
t
为砌体梁保持自身稳定的临界回转量；
[0055]
步骤六，当上覆岩层中关键层和松散层拱同时存在，且上覆岩层 中关键层和松散层拱保持稳定时，则地表会产生均匀下沉盆地；
[0056]
当上覆岩层中只有近场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中近场 关键层破断后，则地表会产生倾向台阶裂缝；
[0057]
当上覆岩层中只存在远场关键层而无松散层拱，且上覆岩层中远 场关键层破断后，则地表会产生走向斑裂；
[0058]
当关键层和松散层拱同时破断消失时，若砌体梁发生滑落失稳， 则地表会产生塌陷坑。
[0059]
进一步，所述步骤一中，所述力学参数为松散层的容重、厚度、 矢高、内聚力、内摩擦角、侧压系数、基岩破断角、煤层顶界面与关 键层底界面间的距离；所述各个岩层的力学参数具体为：各个岩层的 容重、关键层的厚度、破断距、抗拉强度、所受载荷和直接顶的碎胀 系数和垮落高度，煤层的厚度、埋深和基岩中各个岩层厚度及岩性。 直接顶的垮落高度一般为1.67～2.17倍的采高；
[0060]
进一步，所述步骤一中，具体步骤如下：
[0061]
在煤炭开采区域地表施工地面钻孔取芯保存，并绘制钻孔综合柱 状图；根据钻孔综合柱状图，确定煤炭开采区域开采煤层的厚度、埋 深、松散层厚度和基岩中各岩层厚度及岩性；
[0062]
通过对松散层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数测试，从 而得到松散层容重、内摩擦角和内聚力；
[0063]
通过对基岩中各个岩层进行取芯，获得的试样进行物理力学参数 测试，从而得到基岩中各个岩层的容重、弹性模量和各个岩层的抗拉 强度；直接顶的碎胀系数由基岩中岩石力学性质和岩层的破坏形式确 定。
[0064]
在煤层开采区域，通过井下水压致裂地应力测量装置，确定松散 层的侧压系数；
[0065]
利用关键层判别软件kspb，基于松散层和基岩力学的特性，在 钻孔综合柱状图进行关键层的判别，从而得到关键层的厚度、位置、 破断距、所受载荷、关键层的抗拉强度、煤层顶界面与关键层底界面 间的距离；
[0066]
利用钻孔测井分析仪，在工作面巷道顶板上方打钻孔，通过窥视 结果中钻孔的深度，绘制出窥视钻孔破断演化图，得出基岩破断角。
[0067]
进一步，所述步骤二中，当开采区域地质条件确定后，松散层拱 的形成主要由松散层厚度决定，故松散层拱形成时计算得到的松散层 厚度即为松散层临界厚度hc，松散层拱稳定时计算得到的工作面采 宽为临界采宽lm。
[0068]
进一步，所述步骤二中，具体过程如下：
[0069]
图3为松散层拱二维力学模型图，该松散层拱二维力学模型的 建立方式方式为：以松散层拱左侧拱基为原点，拱基所在直线为x 轴，x轴向右为正方向，垂直于拱基所在直线的直线为y轴，y轴 向上为正方向建立松散层拱二维力学模型。
[0070]
计算使松散层拱形成及稳定的松散层临界厚度：
[0071][0072]
式中：l
arch
、h
arch
、δ
arch
为松散层拱的跨度、矢高和厚度；γ、α 为基岩容重和破断角；c、为松散层的内聚力和内摩擦角；λ为侧压 系数；σh为主关键层底界面与煤层顶界面间的距离；h0为松散层拱 上覆松散层厚度；hc为松散层临界厚度。
[0073]
进一步，所述步骤二中，根据松散层拱的形成及稳定条件：当钻 孔收集的工作面上覆松散层厚度参数σh大于松散层拱形成时的临界 厚度hc时，松散层中能形成松散层拱；当松散层拱稳定时，据此推 出煤矿开采参数中的工作面临界宽度lm。
[0074]
进一步，所述步骤三中，当确定了工作面钻孔柱状及柱状中不同 岩层的强度参数后，根据变形特征中的刚度条件和强度条件式，借助 关键层判别位置软件kspb对工作面的关键层位置进行判别。
[0075]
进一步，所述步骤三中，具体步骤如下：
[0076]
由下式判别关键层的强度准则和刚度准则：
[0077][0078]
式中：q1|
n 1
、q1|n为第n 1和n层岩层对第1层岩层的载荷；l
n 1
、 ln为第n 1和n层岩层的破断距。
[0079]
借助关键层判别位置软件kspb对工作面的关键层进行判别，推 断出关键层在柱状图中的位置，从而判定关键层在工作面上覆岩层中 的位置。
[0080]
进一步，所述步骤四中，当开采区域地质条件确定存在关键层， 无法形成松散层拱时，根据远近场关键层划分依据，将工作面上覆关 键层划分为远场关键层和近场关键层。
[0081]
进一步，所述步骤四中，具体过程如下：
[0082]
由下式确定a和b：
[0083][0084]
式中，a为工作面长度；b为关键层倾向悬露长度；lm关键层极 限跨距。
[0085]
根据关键层破断规律：3lm》b》1.414lm，来压步距lm《a《1.414lm， 此时关键层“竖o-x”破断，关键层为近场关键层；lm《b《1.414lm，来 压步距a》1.414lm》b，此时关键层“横o-x”破断，关键层为远场关键 层。据此推出工作面上覆关键层为近场关键层或远场关键层。
[0086]
进一步，所述步骤五中，当开采区域地质条件确定后，工作面采 高决定了砌体梁的稳定，故关键层中砌体梁稳定时计算得到的工作面 采高即为工作面临界采高mb，从而判断砌体梁的稳定性。
[0087]
进一步，所述步骤五中，具体步骤如下：
[0088]
由下式确定δ和δ
t
：
[0089][0090]
式中：mb为工作面临界采高；k
p
为直接顶的碎胀系数；σhi为直 接顶的垮落高度；σc为关键层的抗压强度；h
ks
、q
ks
、l
ks
为关键层的 厚度、载荷和破断距；
[0091]
根据关键层中砌体梁稳定性条件δ＜δ
t
，推出当工作面的实际采 高m小于mb时，砌体梁稳定。
[0092]
将工作面临界采高mb与工作面实际采高m相比，即可判定工作 面上覆砌体梁的稳定性。
[0093]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0094]
山东某矿的松散层厚度为165.4～282.3m，平均为223.9m，基岩 厚度为35.45～85.15m，平均为60.3m。现以该矿3#煤层的6304首采 工作面钻孔提供的地质资料为基础，判定6304工作面在开采过程中 地表沉陷形式，具体步骤如下：
[0095]
a.在3#煤层的首采工作面所在区域地表施工地面上钻孔取芯保 存，并绘制钻孔综合柱状图，通过钻孔综合柱状图(具体见图6)， 确定首采工作面所开采的3#煤层埋深319.14m，厚度平均3.40m，松 散层厚度223.9m，基岩中个岩层厚度以及岩性；
[0096]
b.对松散层取芯试样物理力学参数测试，获得松散层容重为 20.25kn/m3，内摩擦角为7.5
°
，内聚力为1mpa；
[0097]
c.对基岩中各个岩层进行取芯，对其试样进行物理力学参数测试， 得到基岩中各个岩层的抗压强度和容重，基于钻孔柱状图可知，基岩 中的岩性主要为泥岩、细砂岩和粉砂岩，强度相对较低，据此直接顶 的碎胀系数取1.25；
[0098]
d.根据基岩中各个岩层容重和松散层容重计算覆岩的平均容重 为20.45kn/m3；
[0099]
e.在煤矿开采区通过煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测 量装置进行地应力测试，确定侧压系数为0.7；
[0100]
f.根据关键层判别软件kspb(国家计算机软件著作权编号为 2008sr34419)，基于松散层和基岩力学特性，根据钻孔综合柱状图 进行关键层判别，确定主关键层的埋深为282.30m，厚度为10m，抗 压强度为37mpa，所受荷载为7mpa，破断距为24.96m，关键层底界 面与煤层顶界面间的距离为33.82m；
[0101]
g.钻孔窥视采用钻孔测井分析仪，在轨道顺槽顶板上方打钻孔， 通过窥视结果钻孔的深度，绘制窥视钻孔破断位置演化图，获得基岩 破断角为75
°
。
[0102]
将松散层拱参数(具体见表1)代入公式(1)求得工作面临界 宽度为97m，将关键层中砌体梁参数(具体见表2)代入公式(3) 得到工作面临界采高为3.49m。由于6304工作面上方覆岩既有松散 层又有关键层，因此不需要对关键层远近场进行判别。
[0103]
根据本发明的发明内容，6304工作面上覆岩层既有松散层拱又 有关键层且松散层拱和关键层均能保持稳定，因此预计的沉陷类型为 地表均匀下沉盆地。为了现场监测地表沉陷规律，在6304工作面上 方布置两条观测线a和观测线b。经现场观测，观测线a累计最大 下沉2579mm，观测线b累计最大下沉2597mm(图4)，地表沉陷 表现为均匀下沉盆地(图5)。综上，当受采动影响时，地表移动只 会产生均匀下沉盆地，发明内容比较符合工程实践结果。
[0104]
表1承载结构参数
[0105][0106]
表2关键层中砌体梁参数
[0107][0108]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。