[發明專利]一種裂縫貫通巖層的判別方法

在審

• 申請號: 202010737985.1
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111781334A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 何昌春;盧衛永
• 申請（專利權）人: 東華理工大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 鄭州萬創知識產權代理有限公司 41135
• 代理人: 任彬

本發明提供了一種裂縫貫通巖層的判別方法，包括以下步驟：步驟1：搜集礦井覆巖柱狀和各巖層的物理力學參數，物理力學參數包括巖層厚度、開采高度、抗拉強度和抗壓強度，步驟2：計算目標巖層的最大相對下沉，巖層的最大相對下沉等于開采高度減去冒落帶碎脹高度和冒落帶上巖層卸荷膨脹量，步驟3：判別裂縫是否貫通巖層，當豎向裂縫貫通準則值大于壓拉比時，豎向裂縫將會貫通巖層；覆巖豎向貫通裂縫是溝通承壓含水層和工作面的重要通道，當豎向貫通裂縫由工作面頂板擴展到含水層時，將會發生突水災害，本發明為確定裂縫是否貫通巖層提供了指導，判別準確、方便，對于實現礦井的安全生產以及地面生態環境保護都具有十分重要的實際價值。

技術領域

本發明涉及礦井開采技術領域，具體涉及一種裂縫貫通巖層的判別方法。

背景技術

中國是一個煤炭資源大國，同時也是一個煤炭消費大國，大部分能源供應需要煤炭提供，2019年煤炭仍大約占能源一次消費比值的60％。但是，大量的煤炭開采也會帶來諸多負面影響，如生態破壞、地表沉陷、瓦斯突出和礦井突水等。礦井突水一般來勢兇猛，常會在短時間內淹沒工作面和坑道，給礦山生產帶來危害，造成人員傷亡。

礦井突水的必要條件是充足的水源和突水通道。中國大部分礦區工作面位于水資源豐富的第四系松散含水層下方，礦井突水資源充足，滿足礦井突水的水源條件。突水通道分為原生通道和次生通道，原生通道包括斷層、巖溶等，次生通道為煤層開采后水平裂縫和貫通巖層的豎向裂縫。由于水平裂縫并不能單獨溝通工作面和含水層，因此，豎向貫通裂縫才是礦井突水的次生通道。

當豎向貫通裂縫直接發育到含水層時，采煤工作面將會面臨突水的威脅，需要采取保護措施。因此針對覆巖豎向貫通裂縫發育問題，急需提供一種判別裂縫是否貫通巖層的方法，這對于防治突水災害具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種裂縫貫通巖層的判別方法。

本發明的技術方案是：

一種裂縫貫通巖層的判別方法，包括以下步驟：

步驟1：搜集礦井覆巖柱狀和各巖層的物理力學參數，物理力學參數包括巖層厚度、開采高度、抗拉強度和抗壓強度；

h為層狀巖層厚度；

M為開采高度；

σ_c為巖石的單軸抗壓強度；

σ_t為巖石的單軸抗拉強度；

步驟2：計算目標巖層的最大相對下沉△，巖層的最大相對下沉△等于開采高度M減去冒落帶碎脹高度h_p和冒落帶上巖層卸荷膨脹量h_t，即計算公式為：Δ＝M-h_p-h_t；

步驟3：根據層狀巖層豎向貫通裂縫的判別準則判別裂縫是否貫通巖層，層狀巖層豎向貫通裂縫的判別準則為為豎向裂縫貫通準則值，為壓拉比，當豎向裂縫貫通準則值大于壓拉比時，豎向裂縫將會貫通巖層，層狀巖層破斷。

進一步地，步驟3由步驟3.1、步驟3.2和步驟3.3得出；

步驟3.1：根據層狀巖層豎向裂縫貫通特征，當層狀巖層回轉到某一水平時，在彎矩和軸力作用下，巖層底部縱向壓應力達到抗壓強度，豎向裂縫將貫通層狀巖層，當層狀巖層初次破斷時，巖層中部橫截面剪力為零，等效此處用一條貫通裂縫切斷層狀巖層，T為擠壓處壓應力合力，h為層狀巖層厚度，a為擠壓處壓應力作用范圍，θ為塊體旋轉角，Δ為塊體端部因為旋轉引起的最大相對下沉，層狀巖層上的載荷q包括層狀巖層承載的載荷和自重，L為破斷塊體的長度，砌體塊的平衡方程為：

豎向裂縫貫通巖層時，擠壓處壓應力作用范圍a可根據塊體間的幾何關系用層狀巖層厚度h表示，根據幾何關系，可求得擠壓處壓應力作用范圍a為：