一种覆岩导水裂缝带高度的确定方法

摘要

本发明公开了一种覆岩导水裂缝带高度的确定方法，包括步骤：一、根据采煤工作面上覆各岩层的层厚、容重、弹性模量和抗拉强度，判断采煤工作面上覆各岩层中是否存在主关键层和/或亚关键层，并确定主关键层和/或亚关键层的位置；二、根据基载比与基采比初步判断主关键层在覆岩“三带”中的位置，初步判定覆岩导水裂缝带的高度范围；三、分三种情况计算采煤工作面上覆各岩层的总拉伸变形量，并比较采煤工作面上覆各岩层的总拉伸变形量与采煤工作面上覆岩层的极限拉伸变形量，判断采煤工作面上覆各岩层是否发生了破断；四、分三种情况确定覆岩导水裂缝带的高度。本发明方法步骤简单，简化了确定覆岩导水裂缝带高度的方法，能够获得较为精确的结果。

主权项

一种覆岩导水裂缝带高度的确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、根据采煤工作面上覆各岩层的层厚、容重、弹性模量和抗拉强度，判断采煤工作面上覆各岩层中是否存在主关键层和/或亚关键层，并确定主关键层和/或亚关键层的位置；步骤二、根据基载比J_z与基采比J_c初步判断主关键层在覆岩“三带”中的位置，初步判定覆岩导水裂缝带的高度范围；具体方法如下：当J_z＜J_z0且J_c＜J_c1时，主关键层位于“冒落带”，此时覆岩导水裂缝带的高度等于煤层的埋深，即确定出了覆岩导水裂缝带的高度；当J_z＜J_z0且J_c1＜J_c＜J_c2时，主关键层位于“裂缝带”，此时覆岩导水裂缝带的高度大于主关键层与煤层的距离，执行步骤三；当J_z>J_z0且J_c<J_c2时，主关键层位于“裂缝带”，此时覆岩导水裂缝带的高度大于主关键层与煤层的距离，执行步骤三；当J_z＜J_z0且J_c>J_c2时，主关键层位于“弯曲下沉带”，此时覆岩导水裂缝带的高度大于主关键层与煤层的距离，执行步骤三；当J_z>J_z0且J_c>J_c2时，主关键层位于“弯曲下沉带”，覆岩导水裂缝带的高度小于或等于主关键层与煤层的距离，执行步骤三；其中，H_基岩为基岩厚度，H_载荷层为载荷层厚度；m为煤层采高；J_z0为基载比的临界值，J_c1为基采比的下临界值，J_c2为基采比的上临界值；步骤三、分三种情况计算采煤工作面上覆各岩层的总拉伸变形量，并比较采煤工作面上覆各岩层的总拉伸变形量与采煤工作面上覆岩层的极限拉伸变形量[ε]，判断采煤工作面上覆各岩层是否发生了破断；具体方法为：情况一、当主关键层位于“裂缝带”时，此时采煤工作面开采尺寸大于等于主关键层的极限破断距，主关键层破断，覆岩导水裂缝带的高度大于主关键层的高度，根据公式依次从下往上计算主关键层及其以上各岩层的总拉伸变形量ε，每计算一层，就比较一次ε与[ε]，当ε<[ε]时，判定为岩层未发生破断，当ε≥[ε]时，判定为岩层发生了破断，直到计算到相邻的两层岩层，下一层发生了破断，而上一层未发生破断后停止计算；情况二、当主关键层位于“弯曲下沉带”时，此时采煤工作面开采尺寸小于等于主关键层的极限破断距，主关键层未破断，覆岩导水裂缝带的高度小于主关键层的高度，当此时同时满足采煤工作面开采尺寸大于亚关键层的极限破断距时，亚关键层破断，覆岩导水裂缝带的高度介于亚关键层高度和主关键层高度之间，根据公式依次从下往上计算亚关键层及其以上各岩层的总拉伸变形量ε，每计算一层，就比较一次ε与[ε]，当ε<[ε]时，判定为岩层未发生破断，当ε≥[ε]时，判定为岩层发生了破断，直到计算到相邻的两层岩层，下一层发生了破断，而上一层未发生破断后停止计算；情况三、当主关键层位于“弯曲下沉带”时，此时采煤工作面开采尺寸小于等于主关键层的极限破断距，主关键层未破断，覆岩导水裂缝带的高度小于主关键层的高度，当此时同时满足采煤工作面开采尺寸小于亚关键层的极限破断距时，亚关键层未破断，覆岩导水裂缝带的高度小于亚关键层的高度，根据公式依次从上往下计算亚关键层及其以下各岩层的总拉伸变形量ε，每计算一层，就比较一次ε与[ε]，当ε<[ε]时，判定为岩层未发生破断，当ε≥[ε]时，判定为岩层发生了破断，直到计算到相邻的两层岩层，上一层发生了破断，而下一层未发生破断后停止计算；以上三种情况中，L₀为岩层弯曲变形前的直线段长度且H为岩层与煤层的垂直距离，β为岩层的移动角；L₁为岩层弯曲变形后的曲线段弧长且l_a和l_b的计算方法为：对采煤工作面上覆岩层下沉盆地的内边缘曲线和外边缘曲线分别采用两段椭圆曲线进行描述，两段椭圆曲线的短轴长度均为l_a，且l_a＝mη；两段椭圆曲线的长轴长度均为l_b，且η为导水裂缝带发育高度达到最大时采煤工作面上覆岩层的下沉系数，且η＝(m‑H(k_s‑1)cosa)/m，m为煤层采高，k_s为覆岩的残余碎胀系数，a为煤层倾角；步骤四、分三种情况确定覆岩导水裂缝带的高度，具体方法为：情况一、当主关键层位于“裂缝带”，且经步骤三判定主关键层上覆岩层第r层岩层破断而第r+1层岩层未破断时，覆岩导水裂缝带高度H_f等于第r+1层岩层与煤层的距离H_r+1；其中，r的取值为自然数；情况二、当主关键层位于“弯曲下沉带”，且采煤工作面开采尺寸大于亚关键层的极限破断距而小于主关键层的极限破断距，且经步骤三判定从亚关键层往上数第g层岩层破断而第g+1层岩层未破断时，覆岩导水裂缝带高度H_f等于第g+1层岩层与煤层的距离H_g+1；其中，g的取值为自然数；情况三、当主关键层位于“弯曲下沉带”，且采煤工作面开采尺寸小于亚关键层的极限破断距，且经步骤三判定从亚关键层往下数第j层岩层破断而第j+1层岩层未破断时，覆岩导水裂缝带高度H_f等于第j+1层岩层与煤层的距离H_j+1；其中，j的取值为自然数；步骤一中根据采煤工作面上覆各岩层的层厚、容重、弹性模量和抗拉强度，判断采煤工作面上覆各岩层中是否存在主关键层和/或亚关键层，并确定主关键层和/或亚关键层的位置的具体过程为：步骤101、根据公式(q_n+1)₁<(q_n)₁判断采煤工作面上覆各岩层中是否存在坚硬岩层，当公式(q_n+1)₁<(q_n)₁成立时，判定第n+1层岩层为坚硬岩层，并将第n+1层岩层作为第1层岩层，重新根据公式(q_n+1)₁<(q_n)₁判断第n+1层岩层的上覆各岩层中是否存在坚硬岩层，重复以上过程，直至确定出采煤工作面上覆各岩层中的所有坚硬岩层位置，并将确定出的坚硬岩层自下而上依次编号为1、2、…、w；其中，(q_n+1)₁为从采煤工作面上覆第n+1层岩层往下看时第1层岩层所受的载荷，且${\left(q_{n+1}\right)}_1=\frac{E_1{h}_1^3({\gamma }_1{h}_1+{\gamma }_2{h}_2+...+{\gamma }_{n+1}{h}_{n+1})}{E_1{h}_1^3+E_2{h}_2^3+...+E_{n+1}{h}_{n+1}^3};$(q_n)₁为从采煤工作面上覆第n层岩层往下看时第1层岩层所受的载荷，且n、n+1为从煤层以上的第1层岩层从下往上数的岩层编号，且n的取值为自然数；E₁、E₂、…、E_n+1分别为第1、2、…、n+1层岩层的弹性模量，h₁、h₂、…、h_n+1分别为第1、2、…、n+1层岩层的厚度，γ₁、γ₂、…、γ_n+1分别为第1、2、…、n+1层岩层的容重；w的取值为自然数；步骤102、根据公式计算步骤101中确定出的各坚硬岩层中第k层坚硬岩层的破断距L_k，并根据公式计算步骤101中确定出的各坚硬岩层中第k+1层坚硬岩层的破断距L_k+1；其中，h_k、h_k+1分别为第k、k+1层坚硬岩层的厚度，σ_k、σ_k+1分别为第k、k+1层坚硬岩层的抗拉强度，q_k为第k层坚硬岩层与k+1层坚硬岩层之间所夹的岩层施加给第k层坚硬岩层的载荷且E_k为第k层坚硬岩层的弹性模量，h_x为第k层坚硬岩层与k+1层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第x层岩层的厚度，γ_x为第k层坚硬岩层与k+1层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第x层岩层的容重，E_x为第k层坚硬岩层与k+1层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第x层岩层的弹性模量，s为第k层坚硬岩层与k+1层坚硬岩层之间所夹的岩层的层数，且s的取值为自然数，x为1～s的自然数；q_k+1为第k+1层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层施加给第k+1层坚硬岩层的载荷且E_k+1为第k+1层坚硬岩层的弹性模量，h_y为第k+1层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+1层坚硬岩层往上数第y层岩层的厚度，γ_y为第k+1层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+1层坚硬岩层往上数第y层岩层的容重，E_y为第k+1层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+1层坚硬岩层往上数第y层岩层的弹性模量，s′为第k+1层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层的层数，且s′的取值为自然数，y为1～s′的自然数；步骤103、判断L_k<L_k+1是否成立，当L_k<L_k+1成立时，判定第k层坚硬岩层为主关键层，否则，当L_k<L_k+1不成立时，根据公式计算步骤101中确定出的各坚硬岩层中第k层坚硬岩层的破断距L′_k，并根据公式计算步骤101中确定出的各坚硬岩层中第k+2层坚硬岩层的破断距L_k+2，然后判断L_k<L_k+2是否成立，当L_k<L_k+2成立时，判定第k层坚硬岩层为主关键层，否则，当L_k<L_k+2不成立时，判定第k层坚硬岩层为亚关键层；其中，h_k+2为第k+2层坚硬岩层的厚度，σ_k+2为第k+2层坚硬岩层的抗拉强度，q′_k为第k层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层施加给第k层坚硬岩层的载荷且h_λ为第k层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第λ层岩层的厚度，γ_λ为第k层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第λ层岩层的容重，E_λ为第k层坚硬岩层与k+2层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k层坚硬岩层往上数第λ层岩层的弹性模量，λ为1～(s+s′+1)的自然数；q_k+2为第k+2层坚硬岩层与k+3层坚硬岩层之间所夹的岩层施加给第k+2层坚硬岩层的载荷且E_k+2为第k+2层坚硬岩层的弹性模量，h_z为第k+2层坚硬岩层与k+3层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+2层坚硬岩层往上数第z层岩层的厚度，γ_z为第k+2层坚硬岩层与k+3层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+2层坚硬岩层往上数第z层岩层的容重，E_z为第k+2层坚硬岩层与k+3层坚硬岩层之间所夹的岩层中从第k+2层坚硬岩层往上数第z层岩层的弹性模量，s″为第k+2层坚硬岩层与k+3层坚硬岩层之间所夹的岩层的层数，且s″的取值为自然数，z为1～s″的自然数；重复步骤102和步骤103，直至判断完各坚硬岩层是否为主关键层或亚关键层，当将坚硬岩层判定为主关键层和/或亚关键层时，即确定了主关键层和/或亚关键层的位置。