采动岩体平衡拱形结构分类方法与流程
本发明涉及煤矿开采领域，特别涉及一种采动岩体平衡拱形结构分类方法。
背景技术：
开采沉陷与10多个地质采矿变化因素有关，问题复杂，研究繁难。开采沉陷与地质采矿条件的关系描述还存在一些问题：1)岩层破坏状况的描述与地表移动规律脱节，地表移动连续盆地与地表裂缝台阶的描述脱节；2)岩层移动“三带”描述了变形程度的分区特性，有些条件按“三带”描述却不完整不贴切；3)开采的充分性是对地表受横向采动程度的描述，较少研究开采的充分性与岩层移动状况的关系，较少研究竖向采动程度，以及竖向、横向采动程度的交互作用对岩层和地表的影响。为此需要从平衡结构分类和判定加以研究。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明在于提供一种采动岩体平衡拱形结构分类方法，可以提供一个综合的、系统的上覆岩层采动平衡拱形结构分类，融合了从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采动程度(采厚采深比)综合影响关系(非充分采动时采宽的决定作用，基本充分采动时采厚的决定作用)的岩层移动评价体系，避免了以充分性为主线的单一角度描述岩层和地表移动的不完整性。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：采动岩体平衡拱形结构分类方法，包括如下步骤：
(1)对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩土体介质特性、产状尺度和地质构造的信息，得出开采地区的原岩初始结构；岩土体介质特性包括岩土体硬度和松散土层水理性质，产状尺度包括煤层倾斜度、岩层厚度和松散土层厚度；
(2)确定开采地区的开采因素，开采因素包括煤层采宽、煤层采厚m、煤层采深h、采法、顶板管理、开采顺序和开拓布局；
(3)根据开采地区的原岩初始结构和开采因素，确定上覆岩层采动主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0；
(4)根据主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0与基岩厚度，判断岩拱的形成或破断状况；
(5)根据岩拱的形成或破断状况，确定上覆岩层采动平衡拱形结构的类别，确定不同状态上覆岩层的采动平衡拱形结构。
上述采动岩体平衡拱形结构分类方法，步骤(1)中，获取开采地区岩层介质特性时，根据岩体硬度系数f将岩体分为：
当岩体f＞8时，坚硬覆岩；
当岩体3≤f<8，中硬覆岩；
当岩体f＜3，软弱覆岩。
上述采动岩体平衡拱形结构分类方法，步骤(3)中，上覆岩层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0由煤层采厚m和岩性通过下述公式确定：
坚硬覆岩：
中硬覆岩：
软弱覆岩：
式中，m为煤层采厚。
上述采动岩体平衡拱形结构分类方法，步骤(3)中，副岩拱临界拱h'0高通过下述公式确定：
h'0'＝h0(m)(8)
式中，m为煤层采厚。
上述采动岩体平衡拱形结构分类方法，在步骤(4)和步骤(5)中，岩土拱的形成或破断状况和上覆岩层采动平衡结构分类情况为：
(a)当h0≤h时，即主岩拱临界拱高h0小于或等于煤层采深h，临界拱顶不超过地面，则上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱，拱上岩层以弯曲形式移动，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构模型为：主岩拱+弯压体；
(b)当h0＞h时，即主岩拱临界拱高h0大于煤层采深h，临界拱顶超过地面，主岩拱破断，此时分两种情况：
①假设当h'0≤h或0＜h0-h≤h/3时，即副岩拱临界拱高h'0小于等于煤层采深h，主岩拱破断，副岩拱形成，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构模型为：副岩拱-弯压体-副岩拱；
②假设当h'0＞h或h0-h＞h/3时，即副岩拱临界拱高h'0大于煤层采深h，主岩拱破断，副岩拱也破断，采动区无拱，岩层主裂缝从顶板延伸至地面，煤柱侧岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩土体逐段破断堆压，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构模型为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁。
本发明的有益效果是：
1.以岩层介质特性为基础，提出了一种采动岩体的综合、系统的平衡结构分类模型，融合了从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采动程度(采厚采深比)以及它们的相互影响关系(非充分采动时采宽的决定作用，基本充分采动时采厚的决定作用)的岩层移动评价体系，避免了以充分性为主线的单线描述的不完整性。
2.通过“拱成拱破”和“有拱无拱”的判别过程，全面解释了地表和岩层移动的类别特征，揭示了岩层连续移动变形和非连续裂缝形成的机理，为描述地表裂缝特征提供了宏观背景。
3.为进一步从力学机理描述岩层移动提供了分类依据和分析框架，为开采沉陷控制提供了新的思路。
4.通过对煤矿上覆岩层采动平衡拱形结构模型判别与分类，可以了解煤矿待开采区域安全采煤的煤层采厚和采深，不仅可以有效提高煤层的初采率，而且还提高了开采过程中的施工安全程度。
附图说明
图1为倾斜煤层开采倾向主断面上覆岩变形破坏形态素描图；
图2为水平煤层开采覆岩变形破坏形态照片；
图3为岩层状态-扰动-响应过程的关系图；
图4为岩体平衡状态的介质基础和结构基础；
图5为煤矿开采因素图；
图6为开采引起的岩体(层)结构变化图；
图7为水平煤层薄松散层上覆岩层采动平衡拱形结构的形成与分类判定图；
图8a为水平煤层薄松散层的采动岩土体的ⅰ类平衡结构；
图8b为水平煤层薄松散层的采动岩土体的ii类平衡结构；
图8c为水平煤层薄松散层的采动岩土体的iii类平衡结构；
图9为非充分采动主岩拱结构图；
图10为临界充分采动主岩拱结构图；
图11为超充分采动“副岩拱-弯压体-副岩拱”结构图；
图12a岩层移动“三带”图；
图12b岩体ⅱ类平衡结构图。
具体实施方式
为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。
鉴于煤矿开采过程中，开挖扰动造成局部岩体应力失衡，引起岩体的破坏、损伤、形变，同时伴有岩体内应力的变化和重新分布，并传递、扩展、影响至更大的岩体范围，直至应力达到新的平衡，由此形成岩层应力变化和形变的开挖扰动区，而从图1和图2中可以看出，岩层移动“三带”界限不清晰，薄基岩的条件下甚至出现无弯曲带的情况。开采沉陷存在岩体结构效应的问题，岩层移动“三带”(垮落带、裂缝带、弯曲带)不能涵盖各类地质开采条件的岩层移动特点，也未全面反映岩层移动过程的机理和移动稳定后的结构状况，因此可以用拱形结构来补偿描述。从以上图中可以反映出，采场中岩体垮落裂缝区外围拱结构的存在，随着开采推进拱结构也发生了变化。
而为了能够用拱形结构对岩层移动过程的机理和移动稳定后的结构状况进行补偿性描述，本发明采动岩体平衡拱形结构分类方法对不同地质开采条件下的上覆岩层采动平衡拱形结构模型进行了分类，其具体步骤如下：
(1)对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩层介质特性、产状尺度和地质构造的信息，得出开采地区的原岩初始结构。
岩层移动，是开采扰动下，岩体从初始平衡状态经过动态平衡达到再平衡状态的过程，如图3所示。岩体平衡是指其内力的平衡，也是指其沉陷稳定。
上覆岩层采动平衡拱形结构与岩层介质特性、产状尺度和地质构造有关，介质特性主要包括岩层硬度(坚硬、中硬、软岩、松散土)、产状尺度主要指急倾斜、中倾斜、缓倾斜，厚岩层、薄岩层、厚土层、薄土层)，如图4所示。在一定的地质构造条件下，岩层介质特性和产状尺度构成原岩初始结构，形成初始应力场和初始平衡状态。
在获取开采地区岩层介质特性时，根据岩土体硬度系数f将岩土体分为：
当岩体f＞8时，为坚硬覆岩；
当岩体3≤f<8，为中硬覆岩；
当岩体f＜3，为软弱覆岩。
(2)确定开采地区的开采因素。
在开采扰动是打破岩体初始平衡状态的动力，开采因素主要包括：煤层采宽、煤层采厚m、煤层采深h、采法(长壁、短壁、柱式)、顶板管理(垮落法、充填法)、开采顺序(顺采、跳采、错距同采)、开拓布局(阶段、水平、采区、工作面)，如图5所示。这些开采因素的变化和不同组合，构成了对岩体的不同程度、不同方式的扰动。
(3)根据开采地区的原岩初始结构和开采因素，确定上覆岩层采动主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0。
岩体结构按尺度规模分为体结构、层结构和裂隙结构。原岩结构在开采扰动下，在一定的影响范围内发生结构变化，裂隙结构岩层可能变成断裂碎块；层结构岩层，在顶板处变成断连结构，在更上位置变成断块结构；多岩层组成的岩体结构，变成以椭圆拱结构为基本特征、以拱成拱断为变化形式的平衡结构。三个尺度的结构变化相互影响，相辅相成，由此构成采动岩体结构，如图6所示。
采动岩拱的形成条件是：岩拱的临界拱高不大于基岩厚度，即岩拱拱顶不超过基岩面。
为了对上覆岩层采动平衡拱形结构形成的必要条件进行分析，以便于对上覆岩层采动平衡拱形结构模型进行分类，本实施例中，需对上覆岩层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0进行确定。
由于岩拱形成其拱顶必然超过岩层裂缝带高度(主要由煤层采厚m和岩性决定)，因此，可以按中硬岩层裂缝带高度
坚硬覆岩：
中硬覆岩：
软弱覆岩：
式中，m为煤层采厚。
本发明中的煤层为单一煤层，即为煤层采厚是同一个煤层采厚的煤层。
而副岩拱临界拱h'0高则可以通过下述公式确定：
h'0'＝h0(m)(8)
式中，m为煤层采厚。
(4)根据主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0与基岩厚度，判断岩拱的形成或破断状况。
对于水平煤层薄松散层条件，拱的形成与采深、采厚、岩性有关。对于岩性一定的情况，在采矿扰动下存在一定拱形系数的临界椭圆拱，而采宽和拱脚偏移距决定拱宽，拱宽、采厚、岩性决定临界拱高，本步骤利用步骤(3)中确定的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0以及采深对水平煤层薄松散层的岩拱的形成或破断状况进行判断，如图7所示。对于水平煤层薄松散层条件，岩拱的形成或破断状况为：
(a)当h0≤h时，即主岩拱临界拱高h0小于或等于煤层采深h，临界拱顶不超过地面，则上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱，拱上岩层以弯曲形式移动；
(b)当h0＞h时，即主岩拱临界拱高h0大于煤层采深h，临界拱顶超过地面，主岩拱破断，此时分两种情况：
①假设当h'0≤h或0＜h0-h≤h/3时，即副岩拱临界拱高h'0小于等于采深h，主岩拱破断，副岩拱形成；
②假设当h'0＞h或h0-h＞h/3时，即副岩拱临界拱高h'0大于煤层采深h，主岩拱破断，副岩拱也破断，采动区无拱，岩层主裂缝从顶板延伸至地面，煤柱侧岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩土体逐段破断堆压。
(5)根据岩拱的形成或破断状况，确定上覆岩层采动平衡拱形结构的类别，确定不同状态下上覆岩层的采动平衡拱形结构模型。
本步骤利用步骤(4)中确定的岩拱形成或破断状况确定出不同状态下的上覆岩层的采动平衡拱形结构模型：
(a)当上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱且拱上岩层以弯曲形式移动时，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构为：主岩拱+弯压体，此种上覆岩层采动平衡拱形结构为水平煤层薄松散层条件的i类平衡结构，如图8a所示；
(b)当临界拱顶超过地面且主岩拱破断时，此时分两种情况：
①当主岩拱破断且副岩拱形成时，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构为：副岩拱-弯压体-副岩拱，此种上覆岩层采动平衡拱形结构为水平煤层薄松散层条件的ii类平衡结构，如图8b所示；
②当主岩拱破断，副岩拱也破断，采动区无拱，岩层主裂缝从顶板延伸至地面，煤柱侧岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩土体逐段破断堆压时，此种情况下的上覆岩层采动平衡拱形结构为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁，此种上覆岩层采动平衡拱形结构为水平煤层薄松散层条件的iii类平衡结构，如图8c所示。
由上述上覆岩层采动平衡拱形结构分类情况可知，对于一定采厚的情况，仅从拱的形成特征来看，这一过程可概括为：
1)一定的采宽时，基岩厚度满足成拱条件，则主岩拱形成。
2)采宽增加，基岩厚度变得不满足成拱条件，主岩拱破断，若松散层弱含水，则主土拱及主岩土叠拱形成；若松散层强含水，则无主土拱和主岩土叠拱。
3)采宽再增加，副岩拱形成。特别地，浅埋厚煤层开采，可能发生阶段性切冒，副岩拱不能形成。
而基于对采以上上覆岩层采动平衡拱形结构是从岩层的横向采动充分性和竖向采动程度、按岩拱结构能否形成进行判断并分类的，仅仅横向采动充分性问题还涉及煤层倾角级别、单向充分还是双向充分(走向和倾向)、相邻的采空区的影响情况。
并且对于工作面推进过程中的上覆岩层采动平衡拱形结构问题也可归结为阶段性变化拱结构模型。
为了进一步阐明上覆岩层采动平衡拱形结构分类在采动充分性即岩层移动“三带”分析中的应用，本实施例进行了如下分析：
(一)采动平衡拱形结构与采动程度的关系分析
采动充分性是以采宽、采深、岩性为主要影响因素的横向采动程度评价模式。以下对地表不同采动充分性条件下拱结构及平衡结构分类模型的形成进行分析。
1、非充分采动、临界充分采动的跨裂缝带主拱结构
以水平煤层、采厚不大为例。在非充分开采条件下，覆岩中形成了横向跨岩层裂缝区、竖向跨多个岩层的一个椭圆拱结构，即跨裂缝带主拱，有拱则采空区及岩层垮落裂缝区上方形成封闭挤压的、无采动岩体裂缝的承载圈，由拱结构承担上部载荷，抵抗外部扰动，避免外部水体流入拱芯。如图9即是岩层的非充分开采情况，水平煤层情况的主拱是直立的椭圆拱。
在达到充分开采之前必然经历非充分开采的过程。随着采宽的增加，采动程度增加，拱宽和拱高不断增大。在达到临界充分采动时主岩拱拱顶接近地面，岩拱濒临破断，采动拱如图10。
2、超充分采动的跨主裂缝副拱与“副岩拱-堆压体-副岩拱”结构
在进入超充分开采的状态时，此前非充分开采时覆岩中业已形成的椭圆拱拱顶发生断裂，跨裂缝带主拱破断，变为两侧分别成拱，各侧拱在煤壁与近侧裂缝带之间形成，跨采动岩层主裂缝，称为采动岩体的跨主裂缝副拱。两拱之间为垮落岩石、裂缝岩层形成的堆压体，整个采动岩体就形成“副岩拱-堆压体-副岩拱”的结构体，如图11所示。副拱的两个拱脚分别座落于煤柱和垮落岩石上，基础介质的完整性不同，因此椭圆拱并非直立，而是倾向采空区一侧。
采动岩体成拱与否，成主拱还是副拱，这对于岩层移动状态和性质的判断至关重要。采动过程的动态拱结构与不同采宽/采厚的静态拱结构及形成判断方法相类似，在非充分及临界充分开采阶段，在进入超充分采动阶段，切眼侧副拱趋于稳定，推进侧副拱随着顶部周期性垮落而不断前移，形成阶段性动态拱。
(二)平衡结构与岩层移动“三带”的关系分析
按照传统的描述方法，岩层移动有三种模式，即岩层移动“三带”：垮落带2、裂缝带3、弯曲带，如图12a所示。如图12a和12b为岩层移动“三带”与平衡结构示意图。
岩层移动“三带”主要描述的是岩层竖向的采动状况，如图12a所示，岩层移动三带图只能贴切地描述采动覆岩三种平衡结构中之一种，如图12b所示，不能全面描述岩层移动的特征，如，采厚采深比值较大，岩层主裂缝(发源于开采边界的顶板，跨岩层的裂缝迹线)延伸到地表；又如，采宽采深比值较小，裂缝带和弯曲带不明显，这些情形下三带模式就难于描述。
平衡结构分类与判定方法从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采动程度(采厚采深比)以及它们的相互影响关系，全面解释了岩层移动与地质采矿条件的关系。由此可见，岩层“三带”理论与平衡结构分类模型相互关联。
(四)平衡拱结构分类模型的意义和作用
平衡拱结构分类模型的意义和作用在于：
1)以岩层介质特性为基础，提出了一种采动岩层的综合、系统的平衡结构分类模型，融合了从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采动程度(采厚采深比)综合影响关系(非充分采动时采宽的决定作用，基本充分采动时采厚的决定作用)的岩层移动评价体系，避免了以充分性为主线的单一角度描述岩层和地表移动的不完整性。
2)通过“拱成拱破”和“有拱无拱”的，全面解释了地表和岩层移动的类别特征，揭示了岩层连续移动变形和非连续裂缝形成的机理，为描述地表裂缝特征提供了宏观背景。
3)为进一步从力学机理描述岩层移动提供了分类依据和分析框架，为开采沉陷控制提供了新的思路。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
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