一种覆岩导水裂缝带高度的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于煤层开采技术领域，具体涉及一种覆岩导水裂缝带高度的确定方法。
【背景技术】
[0002] 保水开采作为煤炭绿色开采概念和技术体系的重要组成部分，近年来日益受到科 技工作者和社会舆论的关注。随着国家对生态脆弱区保水采煤的高度重视，国务院2013年 1月1日印发的《国家能源发展"十二五"规划》（国发[2013]2号）已将"保水开采技术" 列为积极推广的新技术之一。保水开采就是使采动引起的覆岩导水裂缝带与地表或含水岩 层不贯通，达到保护水资源的目的。即当覆岩导水裂缝带的最大高度小于含水层高度时，便 可实现保水采煤的目的。可见，准确地确定和控制覆岩导水裂缝带的最大高度是实现保水 开采的关键技术。
[0003] 目前，有关覆岩导水裂缝带高度的确定方法较多，主要分为四大类。第一类方法是 实测法，如地面或井下钻孔注水观测法、物探观测法、光学探测法等。这类方法的实测结果 虽然比较可靠，但探测成本高，工作量大，耗时长，且只能结合井下开采进行。
[0004] 第二类方法是物理相似模拟法，即采用煤粉、河沙、石膏、大白粉、水等相似模拟材 料按一定配比混合，将其铺装成平面模型模拟实际煤系地层，模拟开挖采煤工作面后，观测 覆岩导水裂缝带高度。这种方法直观形象，导水裂缝带高度容易观测，但实验工作量大，耗 时长，代价高，且较难确定合理的配比。
[0005] 第三类方法是数值模拟法，即利用相关适用的数值模拟软件（如FLAC3D、UDEC等） 模拟开挖煤层，通过分析计算结果确定导水裂缝带高度。这类方法简单易行、形象直观，成 本低，可反复计算，但软件本身的本构模型和迭代计算方法与实际岩层移动变形规律有一 定出入，计算结果具有一定的误差。
[0006] 第四类方法是理论计算法，包括经验公式法和理论推导法两种。经验公式法即根 据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》给出的两组导水裂缝带统计 经验公式，直接代入采高这一唯一参数计算导水裂缝带高度。这些经验公式应用较为广泛， 但公式是基于当时炮采与普通机采时推进速度约40m/月、采高2m~3m(或者分层开采） 的开采条件，根据大量现场实测统计数据做出的，且要求单层开采厚度不超过3. 0m，累计采 厚不超过15m。随着技术的进步，出现了中厚煤层综采、综采放顶煤、综采一次采全高及快速 推进高产高效的采煤新方法，原有公式不再完全适用，计算结果往往与实测结果相差较大， 只能作为参考。目前理论推导法大多是通过分析影响导水裂缝带高度的主要因素，采用数 理统计、数学建模、系统分析等方法，根据实测统计数据拟合回归、自适应训练或层次分析 等做出计算公式。该方法虽然考虑了影响导水裂缝带高度的各种主要因素，但只是主观定 性地赋予各影响因素一定的权重，对不同的地质采矿条件下的计算公式缺乏分情况讨论， 而是采用统一的计算公式代入简单的几个参数进行计算，具有一定的盲目性和局限性，计 算结果往往也有较大误差。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种覆岩导水 裂缝带高度的确定方法，其方法步骤简单，实现方便，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，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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：
[0009] 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；
[0010] 步骤二、根据基载比上与基采比J。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：
[0011] 当JZ<JZ(1且^〈J。^，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；
[0012] 当Jz< Jz(l且Jel< Je< 1。2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；
[0013] 当JZ>JZ(I且夂〈12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；
[0014] 当Jz< Jz(l且1以。2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；
[0015] 当JZ>JZ(I且1。>12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；
[0016] 其中，
，为基岩厚度，为载荷层厚度；
，111为煤层采 高Jz〇为基载比的临界值，J。为基采比的下临界值，J。2为基采比的上临界值；
[0017] 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[e ]，判断采煤 工作面上覆各岩层是否发生了破断；具体方法为：
[0018] 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e，每计算 一层，就比较一次e与[￡]，当e〈[e]时，判定为岩层未发生破断，当e彡[ ￡]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；
[0019] 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e，每计算一层，就比较一次e与 [￡]，当e〈[e]时，判定为岩层未发生破断，当e多[ e]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；
[0020] 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e，每计算一层，就比较一次e与[e]，当 e〈[e]时， 判定为岩层未发生破断，当e多[e]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；
[0021] 以上三种情况中，U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，0为岩层的移动角；U为岩层弯曲变形后的曲线段弧长且
，la和lb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la，且l a = mn ;两段椭圆曲线的长轴长度均为lb，且
n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n = (m-H(ks-l)cosa)/m，m为煤层采高，匕为 覆岩的残余碎胀系数，a为煤层倾角；
[0022] 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：
[0023] 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 Hrt;其中，r的取值为自然数；
[0024] 情况二、当主关键层位于"弯曲下沉带"