一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法与流程

本发明属于煤矿开采技术领域，尤其涉及特厚煤层矿井开采的一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法。

背景技术：

坚硬岩层具有强度高、厚度大、整体性强等特征，因而不易失稳。当工作面上方存在坚硬岩层时，来压步距可达上百米，特别是覆岩中存在多层坚硬岩层时，矿压显现问题将更为复杂，其失稳时可造成顶板大面积来压，将引起井下风暴，严重时可诱发瓦斯、水等次生灾害，威胁井下人员安全。针对这类矿井，实现较为准确的矿压分级预测是矿压防治、岩层控制的基础，有利于矿井安全高效生产，因此，本发明提供一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法实现较为准确的矿压分级预测。

技术实现要素：

为了应对坚硬岩层覆岩失稳所带来力的矿井灾害，提高矿井安全高效生产，本发明提供一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法。

一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据矿井钻孔柱状图，由下至上，计算确定坚硬岩层的数量和位置，直至确定出最上一层坚硬岩层位置，计算过程中满足以下判定标准：

(1)：假设第1岩层为坚硬岩层，它控制范围达到第n岩层，则第n+1层为下一坚硬岩层，此时岩层载荷满足：qn+1<qn

式中：qn+1—计算至第n+1岩层时，第1岩层所受载荷；

qn—计算至第n岩层时，第1岩层所受载荷；

(2)：假设覆岩中满足条件(1)的坚硬岩层共有k层，则还应满足坚硬岩层的强度条件：bj+1<bj

式中：bj+1—第j+1岩层初次失稳尺度；

bj—第j岩层初次失稳尺度；

步骤2、对多层位坚硬岩层进行结构特征分析，确定各坚硬岩层控制的结构形态，预测坚硬岩层结构失稳步距，具体步骤如下：

步骤2-1：建立由低位坚硬岩层悬臂结构、中位坚硬岩层砌体结构至高位坚硬岩层压力拱结构渐进、复合失稳运动板式结构的多层位坚硬岩层系统模型；

步骤2-2：分别确定低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层控制结构的周期失稳尺度，并计算结构失稳对应回采工作面的推进距离；

步骤3：矿压显现预测，根据低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层的初次失稳尺度、周期失稳尺度、失稳前岩层下方自由空间高度和工作面推进距离对矿压显现进行分级预测。经预测，低位坚硬岩层初次失稳控制工作面初次来压，低位坚硬岩层周期失稳控制工作面小周期来压，中位坚硬岩层失稳控制工作面大周期来压，高位坚硬可形成空间范围内大尺度压力拱结构，当空间结构失稳时，易诱发动力显现。

进一步地，所述步骤1中坚硬岩层载荷计算和初次失稳尺度所采用的计算公式分别为：

式中：(qn)1—第n层岩层对第1层岩层的载荷，mpa；

en—第n层岩层的弹性模量，gpa；

μn—第n层岩层的泊松比；

γn—第n层岩层的容重，kn/m³；

hn—第n层岩层的厚度，m；

其中：a模式：b模式：

式中：b1i—坚硬岩层初次失稳尺度，m；

ai—坚硬岩层沿工作面方向悬露长度，m；

qi—坚硬岩层所受载荷，mpa；

msi—坚硬岩层极限弯矩，

hi—坚硬岩层厚度，m；

σsi—坚硬岩层抗拉强度，mpa；

xi—坚硬岩层初次失稳a模式下坚硬岩层失稳几何参数；

yi—坚硬岩层初次失稳b模式下坚硬岩层失稳几何参数。

进一步地，所述步骤2-2中的周期失稳尺度计算方法如下：

低位坚硬岩层初次失稳后，随着回采工作面继续推进，将导致其周期失稳，低位坚硬岩层周期失稳尺度求解为：

其中：a模式：b模式：

式中：xi—低位坚硬岩层周期失稳模式b模式下岩层失稳几何参数；

yi—低位坚硬岩层周期失稳模式a模式下岩层失稳几何参数；

工作面不断推进，低位坚硬岩层周期失稳，将导致中位坚硬岩层达到其初次失稳尺度，计算方法如上，中位坚硬岩层初次失稳后，也将产生周期失稳，同理，高位坚硬岩层也将产生初次失稳与周期失稳；中位坚硬岩层和高位坚硬岩层周期失稳尺度求解为：

其中：b模式：

a模式：

a模式：

xi—b模式下坚硬岩层失稳几何参数；

y1i—a模式下坚硬岩层失稳几何参数；

y2i—a模式下坚硬岩层失稳几何参数。

进一步地，工作面推进距离与失稳尺度间关系如下：

li＝2hi×cotδ+bi(5)

式中，li为工作面来压步距；

hi为坚硬岩层距煤层间距；

δ岩层垮落角。

有益效果：本发明以板壳力学与塑性力学基础，提出适用于多层位坚硬岩层条件下近水平特厚煤层开采矿压分级预测方法，揭示了坚硬岩层采场覆岩结构特征，确定了不同条件下坚硬岩层结构失稳尺度，阐明了覆岩结构失稳运动规律，合理解释了坚硬岩层条件下特厚煤层开采产生的矿压现象，矿压分级方法：低位坚硬岩层初次失稳，来压强度为中等；低位坚硬岩层周期失稳，来压强度为弱；中位坚硬岩层失稳，来压强度为中等；高位坚硬失稳，来压强度为强，实现了坚硬岩层覆岩失稳运动较为准确的预测，为煤矿安全高效生产提供了技术支撑。

附图说明

图1是本发明一种实施例的多层位坚硬岩层矿压分级预测方法流程图；

图2是本发明一种实施例的低位坚硬岩层初次失稳破裂线示意图；

图3是本发明一种实施例的低位坚硬岩层周期失稳破裂线示意图；

图4是本发明一种实施例的中位坚硬岩层i初次失稳破裂线示意图；

图5是本发明一种实施例的中位坚硬岩层i周期失稳破裂线示意图；

图6是本发明一种实施例的中位坚硬岩层ii初次失稳破裂线示意图；

图7是本发明一种实施例的中位坚硬岩层ii周期失稳破裂线示意图；

图8是本发明一种实施例的高位坚硬岩层初次失稳破裂线示意图；

图9是本发明一种实施例的高位坚硬岩层周期失稳破裂线示意图；

图10是本发明一种实施例的低位坚硬岩层初次失稳剖面图；

图11是本发明一种实施例的低位坚硬岩层第一次周期失稳剖面图；

图12是本发明一种实施例的中位坚硬岩层i初次失稳剖面图；

图13是本发明一种实施例的中位坚硬岩层ii初次失稳剖面图；

图14是本发明一种实施例的高位坚硬岩层初次失稳剖面图。

图中，1、高位坚硬岩层，2、中位坚硬岩层ii,3、中位坚硬岩层i，4、低位坚硬岩层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合附图1-14以大同矿区某坚硬岩层矿井为实施例，对本发明做进一步详细说明：

根据煤矿工作面钻孔柱状及数据，根据上述坚硬岩层协同变形载荷计算公式及坚硬岩层初次失稳计算公式，从下向上逐层计算各上覆岩层的载荷，计算结果如下：第1步：硬岩层判定：

q1＝γ1h1＝68.4kpa

计算第2层对第1层的作用，则q2/1为：

由此可知第3层13.1m厚的砂质泥岩为第一层坚硬岩层；同理，以第3层岩层为基础，继续上述过程：

q3＝γ3h3＝340.6kpa

q6/3＝547.3kpa

q7/3＝620.3kpa

q8/3＝638.3kpa

q9/3＝658.5kpa

q10/3＝707.9kpa

q11/3＝735.8kpa

q12/3＝777.4kpa

q13/3＝792.7kpa

q14/3＝810.7kpa

q15/3＝866.4kpa

q16/3＝903.9kpa

q17/3＝939.9kpa

q18/3＝972.5kpa

q19/3＝994.7kpa

q20/3＝586.1kpa<q19/3

由此可知第20层14.4m厚的粉砂岩为第二层坚硬岩层；

q20＝γ20h20＝364.3kpa

q22/20＝520.4kpa

q23/20＝607.2kpa

q24/20＝674.7kpa

q25/20＝518.6kpa<q24/20

由此可知第25层14.2m厚的k4砂岩为第三层坚硬岩层；

q25＝γ25h25＝369.2kpa

q27/25＝507.9kpa

q28/25＝550.5kpa

q29/25＝633.1kpa

q30/25＝729.5kpa

q31/25＝573.2kpa<q30/25

由此可知第31层15.9m厚的k5砂岩为第四层坚硬岩层；

q31＝γ31h31＝413.4kpa

q33/31＝671.7kpa

q34/31＝749.1kpa

q35/31＝786.1kpa

q36/31＝818.3kpa

q37/31＝559.7kpa<q36/31

由此可知第37层20.5m厚的k8砂岩为第五层坚硬岩层；

经计算共确定了覆岩中共有五层坚硬岩层，分别为y3、y20、y25、y31、y37岩层。

第2步，计算坚硬岩层初次失稳尺度。分别将第一至第四坚硬岩层的物理力学参数带入公式(3)，计算各坚硬岩层初次失稳尺度：

b120＝110.4m

b125＝115.1m

b131＝115.3m

由b131＞b125＞b120＞b13，则y3岩层为低位坚硬岩层，y20岩层为中位坚硬岩层i3，y25岩层为中位坚硬岩层ii2，y31为高位坚硬岩层。

第3步，计算坚硬岩层周期失稳尺度。

(1)低位坚硬岩层4周期失稳尺度计算

低位岩层初次失稳尺度计算同上节，b13＝56.6m，即低位坚硬岩层失稳尺度为56.6m，此时低位坚硬岩层沿工作面长度方向悬露距离a3为224.6m，代入低位坚硬岩层a模式下坚硬岩层失稳几何参数计算公示，计算可得：

此时满足2x3≤a3，则低位坚硬岩层初次失稳模式遵循坚硬岩层失稳模式a。

按照低位坚硬岩层周期失稳模式a求解低位坚硬岩层周期失稳尺度及坚硬岩层失稳几何参数y：

b23＝20.5m

y3＝30.0m

显然b23＜y3，不满足该模式适用条件。因此，低位坚硬岩层周期失稳模式将转变为模式b，重新计算低位坚硬岩层周期失稳尺度及失稳几何参数x：

b23＝22.7m

此时满足2x3≤a3，则低位坚硬岩层周期失稳模式遵循低位坚硬岩层周期失稳模式b。

综上所述，低位坚硬岩层为13.1m厚的砂质泥岩，其初次失稳尺度56.6m，周期失稳尺度22.7m。

(2)中位坚硬岩层i3失稳尺度计算

中位岩层1初次失稳尺度计算同上，b120＝110.4m，即中位坚硬岩层i3初次失稳尺度为110.4m，此时中位坚硬岩层i3沿工作面长度方向悬露距离a20为166.0m，计算中位坚硬岩层失稳几何参数x可得：

此时满足2x20≤a20，则中位坚硬岩层i3初次失稳模式遵循中高位坚硬岩层初次失稳模式a。中位坚硬岩层i3周期失稳尺度及中位坚硬岩层失稳几何参数x：

此时满足2x20≤a20，则中位坚硬岩层周期失稳模式遵循中高位坚硬岩层周期失稳模式a。

综上所述，中位坚硬岩层i3为14.4m厚的粉砂岩，其初次失稳尺度110.4m，周期失稳尺度92.8m。

(3)中位坚硬岩层ii2失稳尺度计算

中位坚硬岩层ii初次失稳尺度计算同上，b125＝115.1m，即中位坚硬岩层ii初次失稳尺度为115.1m，此时中位坚硬岩层ii沿工作面长度方向悬露距离a25为140.3m，计算坚硬岩层失稳几何参数x可得：

此时满足2x25≤a25，则中位坚硬岩层ii初次失稳模式遵循坚硬岩层失稳模式a。中位坚硬岩层ii周期失稳尺度及坚硬岩层失稳几何参数x：

此时满足2x25≤a25，中位坚硬岩层ii周期失稳遵循中高位坚硬岩层失稳模式a。

综上所述，中位坚硬岩层ii2为14.2m厚的k4砂岩，其初次失稳尺度115.1m，周期失稳尺度96.9m。

(4)高位坚硬岩层1失稳尺度计算

高位坚硬岩层1初次失稳尺度计算同上，b131＝115.3m，即高位坚硬岩层失稳尺度为115.3m，此时高位坚硬岩层沿工作面长度方向悬露距离a31为111.7m，计算坚硬岩层初次失稳几何参数y可得：

此时满足2y31≤b31，则高位坚硬岩层初次失稳模式遵循坚硬岩层初次失稳模式b。高位坚硬岩层周期失稳尺度及坚硬岩层失稳几何参数x：

此时不满足2x31≤a31，则高位坚硬岩层周期失稳模式转化为模式b，有：

y131＝k·y222＝41.0m

此时满足y131+y131≤b331，该岩层周期失稳遵循中高位坚硬岩层周期失稳模式b。

综上所述，高位坚硬岩层为15.9m厚的细粒砂岩，其初次失稳尺度115.3m，周期失稳尺度104.4m。

第4步，矿压显现预测过程分析。

根据相似模拟结果，岩层垮落角δ取65°，破碎带岩层碎胀系数取1.15，裂隙带岩层碎胀系数取1.05。坚硬岩层结构失稳演化规律描述如下：

(1)低位坚硬失稳分析：工作面推进到62.0m，低位坚硬岩层达到初次失稳尺度56.6m，失稳前该岩层下方自由空间高度δ为16.5m，低位坚硬岩层发生初次失稳，其失稳导致工作面初次来压，初次来压步距为62.0m。

低位坚硬岩层的周期失稳尺度为22.7m，工作面推进至84.7m第一次周期来压。此时，矿压显现较为缓和，若中位坚硬岩层i失稳尺度接近中位坚硬岩层ii2失稳尺度时，两坚硬岩层可能发生复合失稳显现，此时出现较为强烈的矿压显现。

(2)中位坚硬岩层i失稳分析：该岩层初次失稳尺度为110.4m，失稳前该岩层下方自由空间高度δ为3.9m，工作面推进到174.4m，中位坚硬岩层i发生初次失稳，这与低位坚硬岩层第五次周期失稳仅相差1.1m，中低位坚硬岩层发生复合失稳，该次来压较为剧烈。

中位坚硬岩层i3的周期失稳尺度为92.8m，工作面推进至267.2m时，中位坚硬岩层i3第一次周期失稳，造成工作面大周期来压。此时，矿压显现较为剧烈。

(3)中位坚硬岩层ii2失稳分析：该岩层初次失稳尺度为115.1m，失稳前该岩层下方自由空间高度δ为0.9m，工作面推进到204.8m，中位坚硬岩层ii2发生初次失稳，该次来压较为剧烈。

中位坚硬岩层ii2的周期失稳尺度为96.9m，工作面推进至301.7m时，中位坚硬岩层ii2第一次周期失稳，造成工作面大周期来压。此时，矿压显现较为剧烈。

(4)高位坚硬岩层失稳分析：该岩层以细砂岩为主，强度较大，初次失稳尺度115.3m，此时工作面推进233.6m，采场上方空间以高位坚硬岩层为顶部，形成压力拱结构，承载上覆岩层重量。因此，导致工作面后方200m范围内仍受到矿压显现的影响。当工作面继续推进超过其极限尺度时，由于其下方仍存在约0.8m自由空间，高位坚硬岩层将发生失稳。高位坚硬岩层失稳引起其上方大范围覆岩移动，释放大量的弹性能量，可能诱发强矿压显现。高位坚硬岩层初次失稳后，工作面再推进104.4m，高位坚硬岩层产生周期失稳，如此循环。

高位坚硬岩层失稳后，其控制的上覆岩层破坏高度发育至约168m时，由于煤岩的碎胀性，采空区已被充满，该范围以上岩层仅发生弯曲，不再发生失稳。

通过上述理论计算可知，工作面初次来压步距为62.0m，小周期来压步距为7.7～28.8m，大周期来压步距为30.4～62.4m，高位坚硬岩层压力拱结构尺度222.7～233.6m，采空区后方约200～250m范围内受到该结构影响。

将工作面预测及现场实测开采400m范围内来压步距结果汇总，如表1所示。理论预测共来压18次，数值模拟中有3次未来压，现场实测中有1次未来压；理论预测来压位置与现场实测结果误差0～13.8m，来压步距最大误差14.4％，与现场实测具有较高的吻合度。

表18218工作面现场实测来压位置

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。