[發明專利]基于相似模擬的巨厚礫巖層離層量的計算方法

在審

• 申請號: 202111388803.5
• 申請日: 2021-11-22
• 公開（公告）號: CN114154316A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 翟儼偉;翟新獻;趙曉凡;錢紅亮;肖同強;楊歲寒;劉勤裕
• 申請（專利權）人: 中國長江三峽集團有限公司;河南理工大學;河南大有能源股份有限公司耿村煤礦
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

本發明提供基于相似模擬的巨厚礫巖層離層量的計算方法，包括以下步驟：S1、制作平面應力相似模擬試驗模型；S2、進行巨厚礫巖層下綜放開采相似模擬試驗；S3、建立巨厚礫巖層離層量計算力學模型；S4、根據力學模型建立巨厚礫巖層離層量計算公式；通過以上步驟計算出巨厚礫巖層離層量。基于相似模擬試驗結果和現場觀測，采用“關鍵層”和“厚板”理論計算，研究綜放開采巨厚礫巖層變形移動和離層演化特征，建立了綜放開采巨厚礫巖層離層和斷裂力學模型，推出了離層量計算式。研究結論對巨厚礫巖層下綜放開采時地面減沉和井下沖擊地壓預測防治具有重要的指導意義。

技術領域

本發明涉及煤礦地表沉陷控制技術領域，特別是基于相似模擬的巨厚礫巖層 離層量的計算方法。

背景技術

綜放開采是我國特厚煤層高產高效主要采煤方法之一。煤層上覆的巨厚礫巖 層、巨厚火成巖、厚層堅硬巖層具有厚度大、整體性好、距煤層遠等特點。自開 切眼開始，隨著綜放面推進度的不斷增加，當煤層上方第1亞關鍵層斷裂后，作 為隨動層的上覆軟弱巖層隨同下沉后；之后第2亞關鍵層出現離層，如此往上發 展，直至主關鍵層(礫巖層)出現離層、失穩垮落、地表下沉。在巨厚礫巖層斷 裂失穩前，底部離層空間達到最大。對綜放開采上覆巨厚礫巖層離層量進行計算， 可為巨厚礫巖層下煤層開采的災害預測及離層注漿等控制技術提供依據。

綜放工作面回采過后，高位巨厚礫巖層出現大范圍懸頂，當巨厚礫巖層下綜 放面推進度超過礫巖層極限跨距以后，礫巖層突然失穩垮落，垮落形成的震動場 與綜放面前方移動應力場疊加，在綜放面前方煤巖體或回采巷道圍巖中出現高應 力區或者應力異常區，造成工作面前方或回采巷道圍巖出現大能量微震事件(礦 震)，甚至引起沖擊地壓事故。因此研究厚煤層開采上覆巨厚礫巖層的離層演化 規律，特別是離層量計算方法，對于地面離層注漿減沉、水力壓裂、松動爆破等 技術措施的實施，有效地減少地表下沉量特別是在控制巨厚礫巖層斷裂失穩誘發 井下綜放面出現沖擊地壓災害方面得到廣泛應用。

目前特厚煤層開采后上覆巨厚礫巖層離層量和離層規律的研究，主要采用現 場觀測、數值計算、相似材料模擬試驗和理論分析等方法和技術。但目前關于巨 厚礫巖層離層量的計算，還沒有形成成熟、實用的理論計算體系。

在地面或者井下施工觀測孔，利用“鉆孔取芯法”、“鉆孔攝像”等現場觀測方 法進行時，得到煤層開采過程中礫巖層離層的實際值，研究結論是數值計算和理 論分析的基礎；但現場工程量巨大，費事費力且受到現場生產過程影響較大，有 時甚至得不到滿意的結論。

針對巨厚礫巖層的斷裂步距，目前采用板理論、梁理論及關鍵層理論進行了 大量理論研究。但綜放開采上覆巖層離層量的影響因素多，計算公式復雜多變， 難以通過單一的彈性、塑性和大變形等巖體工程的理論計算方法實現，特別是特 厚煤層上覆巨厚礫巖層離層量，目前沒有專門的理論計算公式。

中國專利文獻CN109635357A記載了一種考慮采動巖體碎脹性的覆巖離層 動態位置預測方法，通過考慮巖體碎脹性引起的不同層位離層力學模型的差異性， 對于冒落帶最大發育高度之下的離層，將離層上下位巖組均簡化為兩端固支梁模 型進行分析計算；而對于冒落帶最大發育高度之上的離層，本發明將離層上位巖 組簡化為兩端固支梁、將離層下位巖組簡化為文克爾彈性地基梁進行分析計算， 相較傳統方法，本發明選取的力學模型更為合理；本發明還給出了不同層位離層 消失的判據，還可以用于頂板離層動態發育位置的預測，因此可以更加精確的預 測工作面進尺對應的覆巖離層發育位置，以更好服務于巖層移動及相關次生災害 的基礎研究和防治工作。但是該方法只能對離層動態發育位置的預測，并沒有專 門的理論計算公式，不能研究離層量在不同時刻的發育狀況，同時也沒有礫巖層 初次垮落和周期垮落垮落體的形狀特征，不利于對后期災害的預測預測進行進一 步評估，使用存在缺陷，需要改進。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供基于相似模擬的礫巖層離層量的計算方 法，解決綜放開采上覆巖層離層量的影響因素多，計算公式復雜多變，難以通過 單一的彈性、塑性和大變形等巖體工程的理論計算方法實現，沒有專門的理論計 算公式的問題。