面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性判定方法与流程

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种基于扰动载荷下面接触块体梁回转变形失稳为判据的复合残采区上行开采可行性的定量判定方法。

背景技术：

残煤复采是涉及煤炭开发方向甚至国家能源安全的一个重大问题。煤层群为特征的残煤储量占全部储量的45％，残采区上行开采是残煤复采的重要内容。

当前，残采区上行开采的可行性研究及判定方法主要借鉴煤层群上行开采的比值判别法、数理统计法、“三带”判别法、围岩平衡法。比值判别法的判定标准是采动影响倍数，反映层间距与下煤层采厚两个参数，该方法在国内外都有广泛应用，但是采动影响倍数的范围为6-20，差别很大。

数理统计法研究了现有开采实例，认为上、下煤层的采高与层间距满足如下关系即可进行上行开采。计算公式如下：

h＞1.14m²+4.14+m

“三带”判别法考虑了冒落带岩石的碎胀性，基于工程类比的“三带法”中，其统计公式的适用条件为采厚小于3m的坚硬、中硬、软岩顶板条件。前苏联和波兰的学者也得出了考虑碎胀系数和下煤层厚度的上行开采可行性判定公式。

围岩平衡法进一步考虑了平衡岩层的厚度，认为平衡围岩之上的煤层即可进行上行开采，给出了围岩平衡高度的计算公式为：hp＝m/(k1-1)+hp，k1、m和hp分别为碎胀系数、下煤层采厚和平衡岩层厚度。该方法进一步考虑到上煤层底板岩层结构的稳定性，但是并没有给出平衡岩层的稳定条件和定量判定方法。

上述方法为上行开采以及残采区上行开采的研究和工程实践提供了重要指导，但是上述方法是半定量的、经验性的。对于控制岩层坚硬的条件，下部工作面开采其控制岩层结构会形成面接触块体梁半拱岩层结构，这是非常重要的。而上述方法没有考虑岩层结构的作用，更重要的是没有考虑上部扰动载荷的作用。实际上，上部扰动载荷是造成面接触块体梁回转变形最重要的原因。因此，有必要考虑扰动载荷对岩层结构导致的残煤开采的影响。考虑上部煤层开采扰动以及上部存在采空区和遗留煤柱等存在各种载荷的情况下，从“岩层结构稳定性”的角度研究上部煤层开采可行性判定。这为残采区上行残煤安全开采提供理论依据，对于准确判断残采区上行开采，提高开采安全和经济性具有重要意义，同时在当前煤炭行业不景气的情况下，可以进一步提高残采区上行残煤资源回收率，提高煤炭企业的经济效益，煤炭行业可持续按发展具有重大作用。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种基于扰动载荷下面接触块体梁回转变形失稳为判据的复合残采区上行开采可行性的定量判定方法。所要解决的技术问题为现有残采区上行开采可行性方法是经验方法不能定量判定且没有考虑扰动载荷的影响的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性的判定方法，包括以下步骤：

s1、根据矿井地质资料和开采资料，通过下煤层采高及其与上部残煤之间的层间距关系初步判断上部残煤位置，若上部残煤位置位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤s2，否则直接判定为不可开采；

s2、通过钻探的方法，得到残煤开采区域顶底板岩层的岩层组成、岩层结构及岩层物理力学参数情况；

s3、根据残采区原下部煤层开采工作面的矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度hi、容重γi、弹性模量ei，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；

s4、计算控制岩层破断距lk，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；计算支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷qa的值；

s5、对扰动载荷作用下，复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱岩层结构是否发生回转变形失稳进行分析判定，判定条件为：

式中，表示岩层的实际摩擦系数，j表示扰动载荷长度b的分布系数，j＝b/lk；ηe表示综合环境影响因子，取值通过室内实验室实验获得；qk表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；df为载荷系数，df＝qa/qk，其中qa表示支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷；α表示块体破断角的余角；β表示块体偏转角；n表示结构块体总数；lt表示底板面接触块体梁半拱岩层结构承受的水平推力的力臂长度，fk表示关键接触面的摩擦系数的参数；f＝m1-nqklk²cosα·((n-1)+dfj)[cos(α+β)+fksin(α+β)]，m1表示载荷qk与qa的力矩之和；若满足上述判定条件，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生面接触块体梁结构回转变形失稳，可以进行开采，若不满足，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构会发生面接触块体梁结构回转变形失稳，不能进行开采。

所述步骤s4中，控制岩层破断距lk的计算公式为：

上式中，hk表示控制岩层厚度，rtk表示控制岩层抗拉强度，qk表示原作用于控制岩层所形成的底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；

支承压力在经过传播衰减之后作用于控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷大小qa的计算公式为：

上式中，γ表示上覆岩层的容重，h表示上覆岩层的厚度，x0表示待采残煤工作面支承压力的宽度、l0表示支承压力的长度、ki表示载荷集中系数，z表示控制岩层的深度。

所述步骤s3中，确定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层位置的公式为：

若满足上式，则该岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构，若不满足，则该岩层不是控制岩层，不能形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明的判定方法适用于控制岩层坚硬且裂隙发育，形成的面接触块体梁半拱岩层结构；

(2)本发明的判定方法可以避免经验性方法误差较大的情况，提高可采性判定准确度，提高开采安全性。

(2)为残采区上行残煤安全开采提供理论依据，提高残采区上行残煤资源回收率，提高煤炭企业的经济效益。

附图说明

图1为本发明提出的一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性的判定方法的流程图；

图2为本发明扰动载荷作用下复合残采区面接触块体梁半拱岩层结构模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例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的一部分实施例，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。

如图1所示，本发明提出了一种面接触块体梁结构的复合残采区上行开采可行性的判定方法，包括以下步骤：

s1、根据矿井地质资料和开采资料，通过下煤层采高及其与上部残煤之间的层间距关系初步判断上部残煤位置，若上部残煤位置位于下煤层开采的冒落带之上则进行步骤s2，否则直接判定为不可开采。

s2、通过钻探的方法，得到残煤开采区域顶底板岩层的岩层组成、岩层结构及岩层物理力学参数情况。

s3、根据残采区原下部煤层开采工作面的矿压观测资料和残煤开采区域顶底板岩层的岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度hi、容重γi、弹性模量ei，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式，判定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置；

其中，确定可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层位置的公式为：

其中，m表示岩层的标号，若某一岩层满足式(1)，说明该岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构，若不满足，则说明该岩层不是控制岩层，不能形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

s4、计算控制岩层破断距lk，即待采残煤底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度；上部工作面在开采时会产生支撑压力，计算支承压力在经过传播衰减之后作用于控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷qa的大小。

其中，控制岩层破断距lk的计算公式为：

式(2)中，hk表示控制岩层厚度，rtk表示控制岩层抗拉强度，qk表示原作用于控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷值。

上部工作面开采产生时会形成支撑压力，支承压力在经过传播衰减之后作用于控制岩层所成底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷qa的计算公式为：

式(3)中，γ表示上覆岩层的容重，h表示上覆岩层的厚度，x0表示待采残煤工作面支承压力的宽度、l0表示支承压力的长度、ki表示载荷集中系数，z表示控制岩层的深度。

s5、对扰动载荷作用下，复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱结构是否发生回转变形失稳进行分析判定。

如图2所示，复合残采区残煤开采工作面支承压力作用于该结构上的载荷化为一段可移动均布载荷，即扰动载荷，最终建立扰动载荷作用下的底板面接触块体梁半拱结构模型。

如图2所示，ti和ri(i＝1,2,3……n+1)分别为作用于接触面的法向力和切向力。qi(i＝1,2,3……n+1)为作用块体上的均布载荷，包含块度的重力。考虑到工作面支承压力的影响范围要远大于该结构的尺寸关系，将扰动载荷简化为均布荷载qa。如图2所示，扰动载荷qa对该结构的作用长度为b。h和li分别为块体的高度和长度，块体的高度h与控制层厚度hk相等，α为破断角的余角，β为块体偏转角。δj为相邻块垂直下沉量。

对该结构进行受力分析。根据受力平衡和力矩平衡(∑ma＝0和∑mo＝0)可得复合残采区底板面接触块体梁半拱岩层结构的平衡方程：

式中，mq、mqa、mt分别为qi、qa和tn+1对前拱脚a1的力矩。

式中，aa＝tanα+tanβ。

式中，用来表示附加应力与块体的关系，m≤i≤n，m＝(1,2,3……n)。

补充方程为：

式中，fk是关键接触面的摩擦系数。

根据公式(4a)～(4e)，考虑到同一工作面的基本顶岩梁性质接近，可以近似的认为li＝lk，qi＝qk，av＝0.5(hk-lksinθ1)，可得复合残采区底板面接触块体梁半拱岩层结构的解：

式中，m1＝mq+mqa，

当载荷系数和载荷分布系数增大到一定程度时，水平推力会随之增大。当水平推力增大到一定程度时，块体转角处会最先被压碎，造成块体失稳，可以称之为回转变形失稳。进一步综合考虑环境的影响，则不发生回转变形失稳的条件为：

tn+1≤aηcηeσc(4g)

式中，tn+1为图2所示最右侧水平推力；a是单位宽度模型上块体接触面积；ηc为端角挤压因子，ηc取0.3；考虑环境对抗压强度的弱化影响，ηe定义为综合环境影响因子。

将(4e)式带入(4g)式进行推导可得：

式(4)中，式中，aa＝tanα+tanβ，ba＝cosα[cos(α+β)+fksin(α+β)]，α表示块体破断角的余角；β表示块体偏转角；df为载荷系数，df＝qa/qk，其中qa表示支承压力在经过传播衰减之后作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的扰动载荷，qk表示原作用于底板面接触块体梁半拱岩层结构上的载荷；j表示扰动载荷长度b的分布系数，j＝b/lk；n表示结构块体总数；m表示扰动载荷作用的块体数；i表示块体的块度，i＝hk/lk；δj表示相邻块体垂直下沉量，ηc为端角挤压因子，取值0.3；考虑环境对抗压强度的弱化影响，ηe定义为综合环境影响因子，其取值可以通过室内实验室实验获得；σc表示岩层结构单轴抗压强度；

因此，式(4)即为复合残采区上行开采底板面接触块体梁半拱结构是否发生回转变形失稳的判定条件，也就是说，若满足上述式(4)，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生面接触块体梁结构回转变形失稳，可以进行开采，若不满足，则判定底板面接触块体梁半拱岩层结构会发生面接触块体梁结构回转变形失稳，不能进行开采。

下面结合某煤矿的具体实例来说明本发明的定量判定方法。

(1)通过对某煤矿地质资料和采矿资料的研究发现，下部9号、10号、11号煤层厚度分别为1.22m、1.76m和4.70m，开采总厚平均约为7.68m。根据理论计算，9、10号煤层合并开采后，冒落带最大高度为13.76—17.2m，导水裂隙带最大高度为61.06m。9号、10号、11号煤层同时采空后，煤层顶板冒落带高度和导水裂隙带高度：分别为23.4m和93.3m。9号煤层到7号煤层的平均间距为24.4m。表明7号煤层位于9、10号煤层开采后的冒落带上方，但在导水裂隙带的范围内。因此，初步判断7号煤层存在开采的可能性。

(2)通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得该煤矿残煤开采区域顶底板岩层的组成、岩层结构及岩层物理力学参数，如表1和表2所示。

表1各煤层参数及层间距煤层

表2下部煤层顶底板岩层岩石力学参数

(3)结合表1和表2，利用组合梁理论和层间岩层控制层的判定公式(1)，确定7号煤层形成底板面接触块体梁半拱岩层结构的控制岩层的位置。经计算发现，m＝3时，判定公式(1)的计算结果为：

从以上计算可以知道，下部9、10号煤层合并开采后，上部5.0m厚k2石灰岩层是控制岩层，可以形成底板面接触块体梁半拱岩层结构。

(4)根据计算公式(2)得到，7号煤层底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度为：

即k2石灰岩所成底板面接触块体梁半拱岩层结构的长度为10.2m。该岩层结构的块度为i＝hk/lk＝0.49。

根据公式(3)计算得到，支承压力传递作用到底板面接触块体梁半拱岩层结构的载荷为：

(5)利用式(4)判定底板面接触块体梁半拱岩层结构是否发生回转变形失稳，进而判断复合残采区上行开采的可行性。

作用于上部5.0m厚k2石灰岩岩层结构上的扰动载荷系数df＝qa/qk＝1.98。对式(4)左右两侧分别进行计算。计算可得左式＝2.14，右式＝4.44，左式＜右式，式(4)满足，因此底板面接触块体梁岩层结构不发生回转变形失稳。

综上，扰动载荷作用下，该煤矿7号残煤底板k2石灰岩所成底板面接触块体梁半拱岩层结构不会发生回转变形失稳，因此，判定为可采。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。