基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法

1.本发明涉及煤矿地表沉陷控制技术领域，特别是基于相似模拟的巨厚砾岩层 离层量的计算方法。


背景技术：

2.综放开采是我国特厚煤层高产高效主要采煤方法之一。煤层上覆的巨厚砾岩 层、巨厚火成岩、厚层坚硬岩层具有厚度大、整体性好、距煤层远等特点。自开 切眼开始，随着综放面推进度的不断增加，当煤层上方第1亚关键层断裂后，作 为随动层的上覆软弱岩层随同下沉后；之后第2亚关键层出现离层，如此往上发 展，直至主关键层(砾岩层)出现离层、失稳垮落、地表下沉。在巨厚砾岩层断 裂失稳前，底部离层空间达到最大。对综放开采上覆巨厚砾岩层离层量进行计算， 可为巨厚砾岩层下煤层开采的灾害预测及离层注浆等控制技术提供依据。
3.综放工作面回采过后，高位巨厚砾岩层出现大范围悬顶，当巨厚砾岩层下综 放面推进度超过砾岩层极限跨距以后，砾岩层突然失稳垮落，垮落形成的震动场 与综放面前方移动应力场叠加，在综放面前方煤岩体或回采巷道围岩中出现高应 力区或者应力异常区，造成工作面前方或回采巷道围岩出现大能量微震事件(矿 震)，甚至引起冲击地压事故。因此研究厚煤层开采上覆巨厚砾岩层的离层演化 规律，特别是离层量计算方法，对于地面离层注浆减沉、水力压裂、松动爆破等 技术措施的实施，有效地减少地表下沉量特别是在控制巨厚砾岩层断裂失稳诱发 井下综放面出现冲击地压灾害方面得到广泛应用。
4.目前特厚煤层开采后上覆巨厚砾岩层离层量和离层规律的研究，主要采用现 场观测、数值计算、相似材料模拟试验和理论分析等方法和技术。但目前关于巨 厚砾岩层离层量的计算，还没有形成成熟、实用的理论计算体系。
5.在地面或者井下施工观测孔，利用“钻孔取芯法”、“钻孔摄像”等现场观测方 法进行时，得到煤层开采过程中砾岩层离层的实际值，研究结论是数值计算和理 论分析的基础；但现场工程量巨大，费事费力且受到现场生产过程影响较大，有 时甚至得不到满意的结论。
6.针对巨厚砾岩层的断裂步距，目前采用板理论、梁理论及关键层理论进行了 大量理论研究。但综放开采上覆岩层离层量的影响因素多，计算公式复杂多变， 难以通过单一的弹性、塑性和大变形等岩体工程的理论计算方法实现，特别是特 厚煤层上覆巨厚砾岩层离层量，目前没有专门的理论计算公式。
7.中国专利文献cn109635357a记载了一种考虑采动岩体碎胀性的覆岩离层 动态位置预测方法，通过考虑岩体碎胀性引起的不同层位离层力学模型的差异性， 对于冒落带最大发育高度之下的离层，将离层上下位岩组均简化为两端固支梁模 型进行分析计算；而对于冒落带最大发育高度之上的离层，本发明将离层上位岩 组简化为两端固支梁、将离层下位岩组简化为文克尔弹性地基梁进行分析计算， 相较传统方法，本发明选取的力学模型更为合理；本发明还给出了不同层位离层 消失的判据，还可以用于顶板离层动态发育位置的
预测，因此可以更加精确的预 测工作面进尺对应的覆岩离层发育位置，以更好服务于岩层移动及相关次生灾害 的基础研究和防治工作。但是该方法只能对离层动态发育位置的预测，并没有专 门的理论计算公式，不能研究离层量在不同时刻的发育状况，同时也没有砾岩层 初次垮落和周期垮落垮落体的形状特征，不利于对后期灾害的预测预测进行进一 步评估，使用存在缺陷，需要改进。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是提供基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方 法，解决综放开采上覆岩层离层量的影响因素多，计算公式复杂多变，难以通过 单一的弹性、塑性和大变形等岩体工程的理论计算方法实现，没有专门的理论计 算公式的问题。
9.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于相似模拟的砾岩层 离层量的计算方法，包括以下步骤：
10.s1、制作平面应力相似模拟试验模型；
11.s2、进行巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验；
12.s3、建立巨厚砾岩层离层量计算力学模型；
13.s4、根据力学模型建立巨厚砾岩层离层量计算公式；
14.通过以上步骤计算出砾岩层离层量。
15.优选方案中，在步骤s1中，制作平面应力相似模拟试验模型的步骤为：
16.s11、根据综放面综合柱状图和巨厚砾岩层等厚线图，按照相似配比制作平 面应力相似模拟模型；
17.s12、平面应力相似模拟模型底部设置固支边，平面应力相似模拟模型两侧 设置简支边，平面应力相似模拟模型顶部设置液压千斤顶施加垂直应力；
18.s13、在相似模型的正面，在巨厚砾岩层底部、中部和顶部，依次布置a观 测线、b观测线、c观测线、d观测线，并在煤层上覆、巨厚砾岩层下伏岩层布 置数条其他观测线；
19.s14、在a观测线、b观测线、c观测线、d观测线和其他观测线上设置多 个观测点。
20.优选方案中，在步骤s11中，巨厚砾岩层间包括平行不整合接触软弱夹层， 软弱夹层将砾岩层分为上位砾岩层和下位砾岩层，根据砾岩层结构和砾岩层厚度 发育特征，利用surfer软件绘出井田砾岩层等厚线图
21.优选方案中，s11中制作平面应力相似模拟模型的煤岩层材料为砂子、碳酸 钙和石膏，硼砂作为缓凝剂，滑石粉模拟层理面，云母模拟层面。
22.优选方案中，s2中进行巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验，对煤层进行 开采，利用全站仪测定各观测站的观测点的水平和垂直位移坐标。
23.优选方案中，根据巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验，得出砾岩层离层量 和离层区间长度分别与综放面推进度关系，得出砾岩层离层速率和离层区间变化 率分别与综放面推进度之间的关系，得出巨厚砾岩层初次垮落和周期垮落垮落体 的形状特征。
24.优选方案中，离层速率计算公式为：离层区间变化率计算公式为：
25.式中，vh为离层速率，hi为离层阶段末期的离层量；h0为离层阶段初期的离层量； li为离层阶段末期的推进度；l0为离层阶段初期的推进度；v
l
为离层区间变化率； si为离层阶段末期的离层区间长度；s0为离层阶段初期的离层区间长度。
26.优选方案中，根据巨厚砾岩层下综放面相似模拟试验结果，结合“关键层
”ꢀ
和“厚板”理论计算，根据巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采 巨厚砾岩层离层和断裂力学模型。
27.优选方案中，砾岩层离层计算力学模型从下到上依次为：综放面割煤层、综 放面放煤层、多个岩层、以及砾岩层。
28.优选方案中，巨厚砾岩层离层量计算公式为：
[0029][0030]
式中，s为煤层上覆砾岩层最大离层量；m0为综放面割煤高度；m1为综放面放 煤高度；η为顶煤放出率，70％≤η≤90％；km为顶煤残余碎胀系数， 1.04≤km≤1.06；hi为煤层上覆第i层岩层厚度；ki为煤层上覆第i层岩层的残 余碎胀系数；wo为砾岩层初次断裂时最大挠度。
[0031]
本发明提供了基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，本发明根据综放面 地质采矿条件，基于平面应力相似模拟试验结果，采用“关键层”和“厚板”理论计 算，研究综放开采巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采巨厚砾 岩层离层和断裂力学模型，推出了离层量计算公式。引用了“离层速率”和“离层 区间变化率”，用来定量表示砾岩层离层演化规律，并对离层阶段进行变形分区。 通过模拟试验得到了巨厚砾岩层初次垮落和周期垮落垮落体的形状特征。下位砾 岩层初次垮落和周期垮落均为整层垮落，初次垮落体为“正梯形”断面的四棱柱 体，周期垮落体为“似平行四边形”断面的四棱柱。理论计算了巨厚砾岩层垮落 体垮落失稳对下部综放面煤岩体的冲击，说明了震动场对下部综放面矿震的影响。 研究结论对于综放面安全生产和冲击地压灾害的预防具有一定的理论和现场指 导意义。进一步的，研究成果对于我国厚层坚硬岩层地质条件下煤矿开采地面隧 道工程、水库坝基及高速公路地基的稳定性和安全性评估，以及金属矿山岩爆动 力灾害的预测预防等具有重要的理论价值和实践指导意义。
附图说明
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0033]
图1是本发明相似模型和煤层顶底板岩层正视图；
[0034]
图2是本发明砾岩层离层与工作面推进度线性关系图；
[0035]
图3是本发明砾岩层离层计算力学模型示意图。
[0036]
图中：砾岩层1；上位砾岩层101；下位砾岩层102；岩层2；综放面割煤层 3；综放面放煤层4；a观测线5；b观测线6；c观测线7；d观测线8；其他观 测线9。
具体实施方式
[0037]
实施例1：
[0038]
基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，包括以下步骤：
[0039]
s1、制作平面应力相似模拟试验模型；
[0040]
s2、进行巨厚砾岩层1下综放开采相似模拟试验；
[0041]
s3、建立巨厚砾岩层1离层量计算力学模型；
[0042]
s4、根据力学模型建立巨厚砾岩层1离层量计算公式；
[0043]
通过以上步骤计算出砾岩层1离层量。
[0044]
优选方案中，在步骤s1中，制作平面应力相似模拟试验模型的步骤为：
[0045]
s11、根据综放面综合柱状图和巨厚砾岩层1等厚线图，按照相似配比制作 平面应力相似模拟模型；
[0046]
s12、平面应力相似模拟模型底部设置固支边，平面应力相似模拟模型两侧 设置简支边，平面应力相似模拟模型顶部设置液压千斤顶施加垂直应力；
[0047]
s13、在相似模型的正面，在巨厚砾岩层1底部、中部和顶部，依次布置a 观测线5、b观测线6、c观测线7、d观测线8，并在煤层上覆、巨厚砾岩层1 下伏岩层2布置数条其他观测线9；
[0048]
s14、在a观测线5、b观测线6、c观测线7、d观测线8和其他观测线9 上设置多个观测点。
[0049]
优选方案中，在步骤s11中，巨厚砾岩层间包括平行不整合接触软弱夹层， 软弱夹层将砾岩层分为上位砾岩层101和下位砾岩层102，根据砾岩层结构和砾 岩层厚度发育特征，利用surfer软件绘出井田砾岩层等厚线图。
[0050]
优选方案中，s11中制作平面应力相似模拟模型的煤岩层材料为砂子、碳酸 钙和石膏，硼砂作为缓凝剂，滑石粉模拟层理面，云母模拟层面。
[0051]
优选方案中，s2中进行巨厚砾岩层1下综放开采相似模拟试验，对煤层进 行开采，利用全站仪测定各观测站的观测点的水平和垂直位移坐标。
[0052]
优选方案中，根据巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验，得出砾岩层离层量 和离层区间长度分别与综放面推进度关系，得出砾岩层离层速率和离层区间变化 率分别与综放面推进度之间的关系，得出巨厚砾岩层初次垮落和周期垮落垮落体 的形状特征。
[0053]
通过模拟试验得到了巨厚砾岩层初次垮落和周期垮落垮落体的形状特征。下 位砾岩层初次垮落和周期垮落均为整层垮落，初次垮落体为“正梯形”断面的四棱 柱体，周期垮落体为“似平行四边形”断面的四棱柱。理论计算了巨厚砾岩层垮落 体垮落失稳对下部综放面煤岩体的冲击，说明了震动场对下部综放面矿震的影响。
[0054]
研究不同垮落阶段砾岩层垮落失稳对综放面的冲击影响。下位砾岩层初次垮 落和周期垮落失稳对工作面的冲击影响均明显高于上位砾岩层的初次垮落，前者 与后者相差一个1～2个数量级。下位砾岩层发生初次垮落失稳时，对工作面冲击 影响最严重，震动应力波传递至综放面煤岩体时的能量达到1.8
×
105j，容易诱发 煤岩体产生一次大能量的微震事件，因此下位砾岩层垮落失稳诱发工作面发生冲 击地压的危险性最高
[0055]
优选方案中，离层速率计算公式为：
[0056]
离层区间变化率计算公式为：
[0057]
式中，vh为离层速率，hi为离层阶段末期的离层量；h0为离层阶段初期的离 层量；
li为离层阶段末期的推进度；l0为离层阶段初期的推进度；v
l
为离层 区间变化率；si为离层阶段末期的离层区间长度；s0为离层阶段初期的离层 区间长度。
[0058]
引用了“离层速率”和“离层区间变化率”2个新术语，用来定量表示砾岩层离 层演化规律，并对离层阶段进行变形分区。
[0059]
优选方案中，根据巨厚砾岩层下综放面相似模拟试验结果，结合“关键层
”ꢀ
和“厚板”理论计算，根据巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采 巨厚砾岩层离层和断裂力学模型。
[0060]
优选方案中，砾岩层离层计算力学模型从下到上依次为：综放面割煤层3、 综放面放煤层4、多个岩层2、以及砾岩层1。
[0061]
优选方案中，巨厚砾岩层离层量计算公式为：
[0062][0063]
式中，s为煤层上覆砾岩层最大离层量；m0为综放面割煤高度；m1为综放面放 煤高度；η为顶煤放出率，70％≤η≤90％；km为顶煤残余碎胀系数， 1.04≤km≤1.06；hi为煤层上覆第i层岩层厚度；ki为煤层上覆第i层岩层的残 余碎胀系数；wo为砾岩层初次断裂时最大挠度。
[0064]
实施例2：
[0065]
结合实施例1进一步说明：
[0066]
某煤矿13230综放工作面属于走向长壁综放工作面。综放面走向长度971m， 倾向长度196m，回风平巷长度1088m，运输平巷长度1087m。13230综放面回 采2-3煤层，煤层厚度9.3～10.9m，平均厚度10.5m，煤层倾角9
°
～13
°
，平均倾 角11
°
，属于“三软”缓倾斜特厚煤层。工作面直接底为黑灰色泥岩，老底为细 粒砂岩，直接顶为泥岩与砂质泥岩互层，老顶为细粒砂岩层。
[0067]
距13230综放面2-3煤层顶板约220m，存在一层厚度335m的巨厚砾岩层。 砾岩层1与地表之间为较薄的第四系黄土层，厚度约7.85m。因此，综放工作面 开采时，上位巨厚砾岩层1下沉移动可以表示地表的下沉移动。
[0068]
相似模拟试验：
[0069]
模型几何相似常数c
l
＝250，容重相似常数c
γ
＝0.56；强度相似常数c
σ
＝0.017； 时间相似常数c
t
＝15.8；泊松比相似常数c
μ
＝1。相似模拟出煤层底板岩层、2-3煤层、 上覆岩层，直到巨厚砾岩层1，模型的长度
×
宽度
×
高度分别为 4000mm
×
300mm
×
2072mm。
[0070]
按照相似比，相似模型煤岩层采用砂子、碳酸钙和石膏进行制作。硼砂作为 缓凝剂。滑石粉模拟层理面，云母模拟层面。模型按照设计相似配比分层制作， 各岩层充分压密、压实。模型制作完成1～2后拆除前后模板，模型自然干燥6～10 天以后，在下位砾岩层102和上位砾岩层101底部和顶部，依次布置a、b、c、 d四条位移观测线。自开切眼开始，随着煤层的开采待煤岩层稳定以后，利用全 站仪测定观测线各测点的水平和垂直位移坐标。相似模型和观测线及其观测点布 置如图3所示。
[0071]
相似模拟试验结果：
[0072]
综放工作面回采期间，砾岩层1离层量和离层区间长度与综放面推进度有关， 如表1和图3所示。根据砾岩层1离层演化特征，将离层演化全过程划分为四个 阶段即：孕育阶
段、加速阶段、缓慢扩展阶段和稳定阶段。
[0073]
13230综放面砾岩层离层速率、离层区间变化率与综放面推进度之间的关系 如表1所示。
[0074]
表1不同离层阶段的离层参数
[0075][0076]
离层演化全过程划分为四个阶段即：孕育阶段、加速阶段、缓慢扩展阶 段和稳定阶段。得出孕育阶段、加速阶段、缓慢扩展阶段和稳定阶段分别与 离层速率、离层区间变化率之间的关系。
[0077]
巨厚砾岩层离层计算：
[0078]
将13230综放面地质采矿条件、上覆岩层和巨厚砾岩层变形移动有关参数， 代入煤层上覆砾岩层离层量s计算公式，计算出砾岩层最大离层量s：
[0079][0080]
所以巨厚砾岩层垮落时，下位砾岩层最大离层量为4.70m，该值与相似模拟 试验得出的离层量4.7～5.0m基本一致。
[0081]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申 请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明 的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术 特征的等同替换方案为保护范围，即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的 保护范围之内。

技术特征：
1.基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法，其特征包括以下步骤：s1、制作平面应力相似模拟试验模型；s2、进行巨厚砾岩层(1)下综放开采相似模拟试验；s3、建立巨厚砾岩层(1)离层量计算力学模型；s4、根据力学模型建立巨厚砾岩层(1)离层量计算公式；通过以上步骤计算出砾岩层(1)离层量。2.根据权利要求1所述的基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法，其特征是：在步骤s1中，制作平面应力相似模拟试验模型的步骤为：s11、根据综放面综合柱状图和巨厚砾岩层(1)等厚线图，按照相似配比制作平面应力相似模拟模型；s12、平面应力相似模拟模型底部设置固支边，平面应力相似模拟模型两侧设置简支边，平面应力相似模拟模型顶部设置液压千斤顶施加垂直应力；s13、在相似模型的正面，在巨厚砾岩层(1)底部、中部和顶部，依次布置a观测线(5)、b观测线(6)、c观测线(7)、d观测线(8)，并在煤层上覆、巨厚砾岩层(1)下伏岩层(2)布置数条其他观测线(9)；s14、在a观测线(5)、b观测线(6)、c观测线(7)、d观测线(8)和其他观测线(9)上设置多个观测点。3.根据权利要求2所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：在步骤s11中，巨厚砾岩层间包括平行不整合接触软弱夹层，软弱夹层将砾岩层分为上位砾岩层(101)和下位砾岩层(102)，根据砾岩层结构和砾岩层厚度发育特征，利用surfer软件绘出井田砾岩层等厚线图。4.根据权利要求2所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：s11中制作平面应力相似模拟模型的煤岩层材料为砂子、碳酸钙和石膏，硼砂作为缓凝剂，滑石粉模拟层理面，云母模拟层面。5.根据权利要求1所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：s2中进行巨厚砾岩层(1)下综放开采相似模拟试验，对煤层进行开采，利用全站仪测定各观测站的观测点的水平和垂直位移坐标。6.根据权利要求5所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：根据巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验，得出砾岩层离层量和离层区间长度分别与综放面推进度关系，得出砾岩层离层速率和离层区间变化率分别与综放面推进度之间的关系，得出巨厚砾岩层初次垮落和周期垮落垮落体的形状特征。7.根据权利要求6所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：离层速率计算公式为：离层区间变化率计算公式为：式中，v
k
为离层速率，h
i
为离层阶段末期的离层量；h0为离层阶段初期的离层量；l
i
为离层阶段末期的推进度；l0为离层阶段初期的推进度；v
l
为离层区间变化率；s
i
为离层阶段末期的离层区间长度；s0为离层阶段初期的离层区间长度。
8.根据权利要求1所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：根据巨厚砾岩层下综放面相似模拟试验结果，结合“关键层”和“厚板”理论计算，根据巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采巨厚砾岩层离层和断裂力学模型。9.根据权利要求1所述的基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方法，其特征是：砾岩层离层计算力学模型从下到上依次为：综放面割煤层(3)、综放面放煤层(4)、多个岩层(2)、以及砾岩层(1)。10.根据权利要求1所述的基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法，其特征是：巨厚砾岩层(1)离层量计算公式为：式中，s为煤层上覆砾岩层最大离层量；m0为综放面割煤高度；m1为综放面放煤高度；η为顶煤放出率，70％≤η≤90％；k
m
为顶煤残余碎胀系数，1.04≤k
m
≤1.06；h
i
为煤层上覆第i层岩层厚度；k
i
为煤层上覆第i层岩层的残余碎胀系数；w
o
为砾岩层初次断裂时最大挠度。

技术总结
本发明提供基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法，包括以下步骤：S1、制作平面应力相似模拟试验模型；S2、进行巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验；S3、建立巨厚砾岩层离层量计算力学模型；S4、根据力学模型建立巨厚砾岩层离层量计算公式；通过以上步骤计算出巨厚砾岩层离层量。基于相似模拟试验结果和现场观测，采用“关键层”和“厚板”理论计算，研究综放开采巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采巨厚砾岩层离层和断裂力学模型，推出了离层量计算式。研究结论对巨厚砾岩层下综放开采时地面减沉和井下冲击地压预测防治具有重要的指导意义。有重要的指导意义。有重要的指导意义。


技术研发人员：翟俨伟 翟新献 赵晓凡 钱红亮 肖同强 杨岁寒 刘勤裕
受保护的技术使用者：河南理工大学 河南大有能源股份有限公司耿村煤矿
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/3/7