[發(fā)明專利]基于連續(xù)曲形梁巖層結(jié)構(gòu)的充填采煤地表變形預(yù)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510050411.6
• 申請(qǐng)日: 2015-01-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104763464B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉建功;趙家巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河北煤炭科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): E21F15/00
• 分類號(hào): E21F15/00
• 代理公司: 石家莊國(guó)為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所13120
• 代理人: 米文智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及采煤技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于充填采煤可以減輕巖層移動(dòng)變形程度、有效控制地表沉降、消除采空區(qū)安全隱患，具有解放呆滯煤炭、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、提高安全生產(chǎn)保障等優(yōu)點(diǎn)，從而成為礦山巖層控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，矸石固體充填、超高水材料充填、膏體充填等一系列綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)相繼得以成功研發(fā)和試驗(yàn)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

地表變形預(yù)計(jì)是充填采煤的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其對(duì)于研究保護(hù)或控制對(duì)象的需求、不同充填目的下充填率的設(shè)計(jì)以及充填質(zhì)量檢驗(yàn)和效果的評(píng)價(jià)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

地表變形預(yù)計(jì)的方法有兩類：統(tǒng)計(jì)分析法和力學(xué)分析法。統(tǒng)計(jì)分析法的典型代表是概率積分法，這種方法的研究較為深入，應(yīng)用也較為廣泛，但其在開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的確定方面(特別是下沉系數(shù))還主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，且多用于垮落法采煤實(shí)踐中，而充填采煤巖層運(yùn)動(dòng)方式和規(guī)律與垮落法采煤有本質(zhì)的區(qū)別，因此，有必要提出一種針對(duì)充填采煤的地表變形預(yù)計(jì)方法，本發(fā)明從力學(xué)角度出發(fā)，通過(guò)力學(xué)建模、分析和計(jì)算提出充填采煤地表預(yù)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于曲形梁巖層結(jié)構(gòu)的充填采煤地表變形預(yù)計(jì)方法，能夠有效的建立充填采煤區(qū)域巖層的地質(zhì)和力學(xué)模型，使地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果更為準(zhǔn)確，為準(zhǔn)確指導(dǎo)“三下”開(kāi)采提供了保障；不依賴開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，與現(xiàn)有預(yù)計(jì)方法相比具有更為普遍的適用性。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種基于曲形梁巖層結(jié)構(gòu)的充填采煤地表變形預(yù)計(jì)方法，包括如下步驟：

(a)利用鉆探和物探技術(shù)獲得詳細(xì)的采礦地質(zhì)參數(shù)；

(b)在分析充填體和覆巖破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，以煤體與充填體間的上覆巖層為連續(xù)曲形梁，建立充填采煤連續(xù)曲形梁力學(xué)模型；

(c)推導(dǎo)出充填率與地表變形的數(shù)學(xué)關(guān)系；

(d)將采礦地質(zhì)參數(shù)代入充填率與地表變形的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，得到充填率與地表變形的量化關(guān)系，計(jì)算出一定充填率條件下地表變形的預(yù)計(jì)值。

進(jìn)一步的技術(shù)方案，步驟(a)中采礦地質(zhì)參數(shù)包括煤層直至地表間每層巖層的組份、物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造以及與煤層的層位關(guān)系。

進(jìn)一步的技術(shù)方案，步驟(a)中所述物探技術(shù)通過(guò)三維地震勘探和鉆探技術(shù)采集和處理地質(zhì)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的技術(shù)方案，步驟(c)中所述充填率與地表變形的數(shù)學(xué)關(guān)系推斷過(guò)程如下：

(a)距離煤壁x處橫截面上直接頂?shù)膹澗兀?/p>

式中，為上覆巖層施加到直接頂載荷，與煤層埋藏深度有關(guān)，其中，γ為容重，h為巖層厚度，i為上覆巖層，i＝1,2,3...；q_c(t)為充填體支撐強(qiáng)度，是與充填材料和時(shí)間有關(guān)的變量；

距離煤壁x處橫截面上直接頂?shù)膿隙龋?/p>

式中，M為煤層厚度；h₀為初始充填高度；0≤x≤L₀，L₀為充填體壓實(shí)距離，與充填材料和采充工藝有關(guān)；E₁、I₁分別為直接頂?shù)膹椥阅Ａ?、慣性矩。

(b)巖層間離層的判斷及計(jì)算：

式中，q_i為上覆巖層施加給第i層巖層的載荷；

E_i、I_i分別為第i層巖層的彈性模量、慣性矩。