一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法

1.本发明属于矿业工程领域中矿山开采沉陷预计、覆岩离层注浆减沉与岩层控制领域，具体地涉及一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法。


背景技术：

2.充填开采是控制覆岩与地表沉陷、减小土地及生态环境破坏的有效手段，是实现矿区绿色可持续发展的重要途径。充填开采包括采空区充填和覆岩离层注浆充填两种类型。采空区充填又可细分为水砂充填、矸石自溜充填、高水材料充填、固体密实充填等，尽管采空区充填可以达到很好的控制覆岩与地表移动效果，但也存在充填系统与生产系统并行、工艺复杂、成本高等缺点。而覆岩离层注浆则是通过地面钻孔作为充填通道，以电厂粉煤灰、矿渣等为充填材料，该充填系统与生产系统分离，互不干扰，当注浆层位选择准确、注浆时机把握及时，也会取得良好的覆岩移动控制效果。覆岩离层注浆的难点在于离层层位和离层量的确定。目前的确定方法大多利用岩层控制的关键层理论，通过复杂的力学计算，确定离层层位，但还难以定量确定离层量；此外也有通过有限元、边界元、离散元、快速拉格朗日分析等数值模拟方法进行计算判定，由于边界条件的限制、物理力学参数选择的不确定性，往往需要有一定的工程经验、反复调试，模拟计算结果不尽人意。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法。本发明可方便地计算出上覆岩层的离层量和离层层位，为覆岩离层注浆减沉设计和实施提供简洁的判断依据。
4.本发明是实力提出一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法，包括：
5.计算开采工作面每个岩层的采动下沉值；
6.从表土层下第一个岩层开始，将每个岩层的采动下沉值与该岩层上位岩层的采动下沉值作差，得到每个岩层的覆岩离层量；
7.按照所述离层量从大到小的顺序对各岩层进行排序，将序列中所述离层量的最大值对应的岩层作为当前岩层；
8.对所述当前岩层进行判定，以确定覆岩离层注浆的岩层位置；
9.其中，对于从地表向下的第j层岩层，所述采动下沉值计算表达式如下：
[0010][0011]
式中，xo为开采工作面地表设定的参照点po的坐标，点po的下沉值为wo(xo)；点po在向采空区移动方向上对应的第j层岩层的覆岩点坐标为覆岩点的下沉值为
b为开采工作面宽度；δ0为覆岩与地表移动的综合边界角；hi为从地表开始向下的第i层的岩层厚度，i＝1,2,
…
,n，n为岩层总数；当i＝1时，h1代表表土层厚度；为开采深度；表示从地表向下至第j层岩层底界面的累积深度，j＝0,1,2,3,
…
,n；当j＝0时，h0＝0。
[0012]
在本发明的一个具体实施例中，对所述当前岩层进行判定，以确定覆岩离层注浆的岩层位置，包括：
[0013]
若所述当前岩层的底界面距离开采层顶板底部的高度小于导水裂缝带的高度值，则所述当前岩层的离层为无效离层，从所述序列中剔除所述当前岩层；从更新后的序列中选出离层量最大值对应的岩层作为新的当前岩层，然后重新对所述当前岩层进行判定；
[0014]
若所述当前岩层的底界面距离开采层顶板底部的高度大于等于所述导水裂缝带的高度值，则所述当前岩层的离层为有效离层，将所述离层作为覆岩离层注浆层位；
[0015]
若所述序列遍历完毕后，所有岩层的离层均为无效离层，则所述开采工作面无法进行覆岩离层注浆。
[0016]
在本发明的一个具体实施例中，所述导水裂缝带的高度值计算表达式如下：
[0017][0018]
式中，h
导
为导水裂缝带高度，∑m为累积开采厚度；
[0019]
将h
导
的上限值作为最终的导水裂缝带的高度值。
[0020]
本发明的特点及有益效果在于：
[0021]
本发明提出的一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法，该方法计算涉及的参数少，仅与工作面宽度、开采深度、岩层厚度、岩层埋藏深度、覆岩与地表移动的综合边界角有关，不涉及各岩层的物理力学特性，且能反映采动程度的影响；计算过程简便。可以方便地计算出各岩层的下沉，利用相邻岩层的非一致性下沉，可以得到离层量；通过剔除无效离层，可以得到有效的封闭离层和层位，为离层注浆减沉提供技术判据。
附图说明
[0022]
图1为本发明实施例中一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法的整体流程图。
具体实施方式
[0023]
本发明提出一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法，下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0024]
本发明提出一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：
[0025]
1)根据开采工作面的地质采矿条件，计算各岩层的采动下沉值；
[0026]
其中，对于从地表向下的第j层岩层，其下沉值计算表达式如下：
[0027][0028]
式中，以地表下沉盆地中心为坐标原点，开采工作面地表任一点po的坐标为xo，将点po作为参照点，点po下沉值记为wo(xo)；地表点po在向采空区移动方向上对应的第j层岩层的覆岩点的坐标为覆岩点的下沉值记为需要说明的是，本发明计算时每个岩层都是参照某个地表点po进行计算，但不同埋深岩层上对应的覆岩点坐标不同，即同一个地表点po，对于n个岩层，则有n个ps点，每个岩层的ps点坐标不同。
[0029]
b为开采工作面宽度，单位为米；δ0为覆岩与地表移动的综合边界角，单位为度；hi为从地表开始向下的第i层的岩层厚度，i＝1,2,
…
,n，n为岩层总数；当i＝1时，h1代表表土层厚度，单位为米；为开采深度，单位为米,为一定值；表示从地表向下至第j层岩层底界面的累积深度(该深度也是从地表向下至第j 1层岩层顶界面的累积深度)，j＝0,1,2,3,
…
,n；当j＝0时，h0＝0，代表的计算深度是地表；当j＝1时，＝0，代表的计算深度是地表；当j＝1时，代表的计算深度是第1层岩层即表土层的底界面(也是第2层岩层的顶界面)累积深度，单位为米；当j＝n时，等于开采深度，单位为米，代表从地表向下至第n层岩层底部界面(即开采层的顶板底部，本实施例为开采煤层)的累积深度。
[0030]
2)利用步骤1)的结果，计算各岩层的覆岩离层量。
[0031]
由于同一岩层具有整体性，下沉相同；而不同层位岩层的下沉则具有不一致性。从表土层下第一个岩层开始，将该岩层的下沉值减去该岩层的上位岩层的下沉值，即为该岩层的覆岩离层量，其中上位岩层为位于该岩层上方的相邻岩层。
[0032]
3)按照离层量从大到小的顺序对各岩层进行排序，将序列中离层量最大值对应的岩层作为当前岩层；
[0033]
4)通过对当前岩层进行判定，确定覆岩离层注浆的岩层位置。
[0034]
具体方法为：
[0035]
4-1)按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的经验公式计算导水裂缝带高度，对于坚硬覆岩表达式如下：
[0036][0037]
式中，h
导
为导水裂缝带高度，单位为米；∑m为累积开采厚度，单位为米。
[0038]
4-2)判定：
[0039]
若当前岩层的底界面距离开采层顶板底部的高度小于导水裂缝带高度值(本实施例采用利用式(2)计算得到的上限值作为导水裂缝带高度值)，则当前岩层的离层为无效离层，从步骤3)得到的序列中剔除该岩层，从更新后的序列中选出离层量最大值对应的岩层作为新的当前岩层，然后重新返回步骤3-4)；
[0040]
若当前岩层的底界面距离开采层顶板底部的高度大于等于导水裂缝带高度，则当
前岩层的离层为有效离层，将该离层作为覆岩离层注浆层位。
[0041]
若序列遍历完毕后，所有当前岩层的离层均为无效离层，则该工作面无法进行覆岩离层注浆。
[0042]
下面结合一个具体实施例对本发明方法进一步详细说明如下。
[0043]
本发明一个具体实施例中，开采工作面宽80米，走向达到充分采动，开采深度200米，宽深比为0.4；开采厚度2米，覆岩与地表移动的综合边界角δ0＝65
°
。上覆岩层的岩性自地表到顶板如表1第2列所示，以砂岩、粉砂岩为主，单向抗拉强度为55mpa，属坚硬岩层；各岩层厚度如表1第3列所示，累积深度如表1第4列所示。
[0044]
本实施例提出一种基于等效下沉的采动覆岩离层计算方法，包括以下步骤：
[0045]
1)根据开采工作面的地质采矿条件，计算各岩层的采动下沉值；
[0046]
本实施例中，煤层开采后，采动下沉自顶板向上覆岩层传递，顶板以垮落形式冒落堆积于采空区，顶板下沉为2000毫米，等于煤层开采厚度。
[0047]
利用式(1)计算各岩层的下沉值，结果见表1中的第5列。
[0048]
2)利用步骤1)的结果，计算各岩层的覆岩离层量。
[0049]
由于不同层位层的下沉不一致性，从表土层下第一个岩层开始，下位岩层的下沉值减去其上位岩层的下沉值，即为下位岩层的覆岩离层量，本实施例中各岩层的覆岩离层量结果见表1中的第6列。
[0050]
3)按照离层量从大到小的顺序对各岩层进行排序，将序列中离层量最大值对应的下位岩层作为当前岩层；
[0051]
由表1第6列可知，经过排序后，离层量最大值对应第39层页岩层，其上位岩层为第38层粉砂岩层，第38层粉砂岩层与第39层页岩层间将产生138毫米的离层；离层量第二最大值对应第26层泥岩层，其上位岩层为第25层砂岩层，第25层砂岩层与第26层泥岩层间将产生125毫米的离层。
[0052]
4)通过对当前岩层进行判定，确定覆岩离层注浆的岩层位置。
[0053]
具体方法为：
[0054]
4-1)按照式(2)计算导水裂缝带高度；本实施例中，计算可得导水裂缝带高度为45.45
±
8.9米，则导水裂缝带高度的上限值为54.35米。
[0055]
4-2)判定：
[0056]
根据表1，将第39层页岩层作为当前岩层时，第39层页岩层的底界面距离煤层顶板底部高度为200-182＝18米，小于导水裂缝带高度的上限值，表明第39层页岩层位于该裂缝带内，第38层粉砂岩层与第39层页岩层间无法形成封闭的充填空间，故不予考虑、应剔除。
[0057]
将第26层泥岩层作为当前岩层时，第26层泥岩层的底界面距离煤层顶板底部高度为200-134＝66米，大于导水裂缝带高度的上限值，可选择第25层砂岩层和第26层泥岩层间的125毫米离层作为覆岩离层注浆层位。
[0058]
表1本发明一个具体实施例中采动覆岩离层的参数表
[0059]
[0060]