專利名稱：采場垮落帶高度的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤炭開采領(lǐng)域，尤其涉及采煤前，對厚煤層一次采全高時采場垮落帶高度的確定方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，由于煤系地層的分層特性差異，因而各巖層在巖體活動中的作用是不同的。有些較為堅硬的厚巖層在活動中起控制作用，即起承載主體與骨架作用；有些較為軟弱的薄巖層在活動中只起加載作用，其自重大部分由堅硬的厚巖層承擔(dān)。因而，把在巖體活 動中起主要控制作用的巖層稱之為關(guān)鍵層，只起加載作用的巖層稱為隨動層。目前，以關(guān)鍵層為研究基礎(chǔ)，實現(xiàn)了礦山壓力、巖層移動與地表沉陷、采動煤巖體中水與瓦斯流動研究的有機(jī)統(tǒng)ー。在煤炭生產(chǎn)中，垮落帶的確定涉及到設(shè)備的選型、エ藝參數(shù)的確定以及工作面的安全生產(chǎn)，準(zhǔn)確地確定垮落帶，可以有效地保證采煤工作的安全、高效進(jìn)行。垮落帶要求在采煤工作面回采之前確定，目前確定垮落帶的方法主要有兩種 第ー種方法是認(rèn)為采場上方垮落在采空區(qū)的巖石破碎松散后能夠充填滿采空區(qū)，依據(jù)該原理，確定以一次采出高度結(jié)合垮落巖石的碎漲系數(shù)即可確定垮落帶高度，即h = M/(c-Ι),式中，h為垮落帶的高度，M為一次采出厚度，c為巖石碎漲系數(shù)，其中巖石碎漲系數(shù)可以通過對巖石取樣分析獲得，一般碎漲系數(shù)的取值在I. 06-1. 8之間，即認(rèn)為采場上方大約
I.25-16. 7倍采出煤層厚度的巖層屬于垮落帶的高度。首先，給出的方法中垮落帶高度的浮動范圍較大，其次，沒有考慮到如果上覆巖層存在硬度大并且較厚巖層的情況下，并不需要充填滿采空區(qū)才能達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。第二種方法是依據(jù)現(xiàn)場實測并進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，存在兩個問題，一，要求必須有所有條件相同或近似的工作面正在生產(chǎn)，以便收集到相關(guān)的數(shù)據(jù)；ニ，最終的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果以經(jīng)驗系數(shù)的形式仍然歸類于一次采出高度上，并對其它工作面的垮落帶高度進(jìn)行判定，誤差較大。因此，該方法對于處于設(shè)計或者開拓初期沒有類似工作面的礦井無法應(yīng)用。綜合看來，兩種方法均將垮落帶高度的確定集中在一次采出煤層的厚度上，沒有綜合考慮回采空間的大小、巖層斷裂的角度以及厚度、關(guān)鍵層在上覆巖層中的作用以及隨動層的屬性。根據(jù)關(guān)鍵層的特征，應(yīng)當(dāng)進(jìn)ー步對垮落帶與關(guān)鍵層之間建立相關(guān)聯(lián)系，從而找出更為合理的垮落帶高度的確定方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提供ー種厚煤層一次采全高時采場垮落帶高度的確定方法，用于解決煤層開采前，難以準(zhǔn)確確定垮落帶，進(jìn)而使設(shè)備選型和采煤エ藝的選擇無法達(dá)到最優(yōu)以及安全生產(chǎn)難以保證的問題。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種采場垮落帶高度的確定方法，所述方法包括以下步驟第一歩確定采場上方全部關(guān)鍵層層位；第二歩根據(jù)設(shè)計的開采工作面對第一關(guān)鍵層進(jìn)行判定，確定第一關(guān)鍵層是否會斷裂，如果第一關(guān)鍵層不會斷裂，則第一關(guān)鍵層下方為垮落帶；第三歩如果根據(jù)第二步判定的結(jié)果第一關(guān)鍵層斷裂，則對斷裂后的第一關(guān)鍵層進(jìn)行進(jìn)一歩的判定，以確定斷裂后的第一關(guān)鍵層是成為裂隙帶還是垮落帯，當(dāng)斷裂后的第ー關(guān)鍵層成為裂隙帶，則第一關(guān)鍵層下方為垮落帶； 第四步如果根據(jù)第三步判定第一關(guān)鍵層斷裂后成為垮落帯，當(dāng)不存在下ー個關(guān)鍵層吋，則從采場上方一直延伸到地表均為垮落帶；第五步當(dāng)存在下ー個關(guān)鍵層時，則返回第二步重新對下ー個關(guān)鍵層進(jìn)行判定，直到判定出第一個不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層時，該第一個不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層以下為垮落??；或者在判定完所有的關(guān)鍵層，均未出現(xiàn)不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層時，則垮落帶一致延伸到地表。優(yōu)選地，在所述第一歩中，采場上方全部關(guān)鍵層層位可以由采場上方地質(zhì)資料給出的綜合柱狀圖或者鉆孔資料經(jīng)過實驗室力學(xué)分析并進(jìn)行計算后判定。優(yōu)選地，在所述第二步中，判定關(guān)鍵層是否會斷裂吋，選用彈性薄板力學(xué)模型計算關(guān)鍵層懸露長度的臨界值a，得到
r IAU (1 +ニ/12 +/I4 從4h v 7ノ
a = —I---
/I \ 42q式中，h為關(guān)鍵層厚度，R為關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度，q為關(guān)鍵層承載，λ取決于工作面推進(jìn)速度影響下的推進(jìn)距離與工作面長度有關(guān)的a之間的比值；根據(jù)煤層開采前設(shè)計的λ值，當(dāng)關(guān)鍵層的懸露長度小于a時，關(guān)鍵層不會斷裂，否貝1J，關(guān)鍵層斷裂。優(yōu)選地，在選用彈性薄板力學(xué)模型判定關(guān)鍵層是否會斷裂時，根據(jù)關(guān)鍵層懸露臨界值a通過下式計算工作面長度臨界值L，即
JhlL = a+2ctga Shi,共中扠び=__
HlCtgal + H2Ctga2 + …h(huán)nctgan式中，a為巖石的平均破斷角屯為第i層巖層的厚度；a i為第i層巖層的斷裂角；當(dāng)工作面的長度小于L吋，關(guān)鍵層不會斷裂，否則，關(guān)鍵層會斷裂。優(yōu)選地，在所述第三步中，對斷裂后的關(guān)鍵層進(jìn)行進(jìn)一歩的判定的方法如下(I)判定關(guān)鍵層的厚度h與斷裂后的塊體長度(c/2)的比值是否滿足
h/(c/2)< ( 1/2 ) tgcp，式中，C為關(guān)鍵層懸露長度，φ為巖塊間的摩擦角；如果此式不能滿足，則判定關(guān)鍵層斷裂后直接進(jìn)入垮落帶；如果此式滿足，則關(guān)鍵層斷裂后是否屬于垮落帶需要通過下面的步驟(2)進(jìn)ー步核實；
(2)計算關(guān)鍵層斷裂后巖塊間咬合處的擠壓カσ ρ的大小，即
權(quán)利要求
1.一種采場垮落帶高度的確定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 第一歩確定采場上方全部關(guān)鍵層層位； 第二歩根據(jù)設(shè)計的開采工作面對第一關(guān)鍵層進(jìn)行判定，確定第一關(guān)鍵層是否會斷裂，如果第一關(guān)鍵層不會斷裂，則第一關(guān)鍵層下方為垮落帶； 第三歩如果根據(jù)第二步判定的結(jié)果第一關(guān)鍵層斷裂，則對斷裂后的第一關(guān)鍵層進(jìn)行進(jìn)ー步的判定，以確定斷裂后的第一關(guān)鍵層是成為裂隙帶還是垮落帯，當(dāng)斷裂后的第一關(guān)鍵層成為裂隙帶，則第一關(guān)鍵層下方為垮落帶； 第四步如果根據(jù)第三步判定第一關(guān)鍵層斷裂后成為垮落帯，當(dāng)不存在下ー個關(guān)鍵層吋，則從采場上方一直延伸到地表均為垮落帶； 第五歩當(dāng)存在下ー個關(guān)鍵層時，則返回第二步重新對下ー個關(guān)鍵層進(jìn)行判定，直到判定出第一個不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層時，該第一個不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層以下為垮落帯；或者在判定完所有的關(guān)鍵層，均未出現(xiàn)不會斷裂的關(guān)鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關(guān)鍵層時，則垮落帶一致延伸到地表。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述第一歩中，采場上方全部關(guān)鍵層層位可以由采場上方地質(zhì)資料給出的綜合柱狀圖或者鉆孔資料經(jīng)過實驗室力學(xué)分析并進(jìn)行計算后判定。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，在所述第二步中，判定關(guān)鍵層是否會斷裂吋，選用彈性薄板力學(xué)模型計算關(guān)鍵層懸露長度的臨界值a，得到 4み(\ + -Pi + Xa)R a =——\--- /I \ 42q 式中，h為關(guān)鍵層厚度，R為關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度，q為關(guān)鍵層承載，λ取決于工作面推進(jìn)速度影響下的推進(jìn)距離與工作面長度有關(guān)的a之間的比值； 根據(jù)煤層開采前設(shè)計的λ值，當(dāng)關(guān)鍵層的懸露長度小于a時，關(guān)鍵層不會斷裂，否則，關(guān)鍵層斷裂。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在選用彈性薄板力學(xué)模型判定關(guān)鍵層是否會斷裂時，根據(jù)關(guān)鍵層懸露臨界值a通過下式計算工作面長度臨界值L，即 ΣΑ L = a+2ctga Ehi,其中扠び=__ Kctgal + H2Ctga2 + …h(huán)nctgocn 式中，a為巖石的平均破斷角屯為第i層巖層的厚度；a i為第i層巖層的斷裂角； 當(dāng)工作面的長度小于L吋，關(guān)鍵層不會斷裂，否則，關(guān)鍵層會斷裂。
5.如權(quán)利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，在所述第三步中，對斷裂后的關(guān)鍵層進(jìn)行進(jìn)一歩的判定的方法如下 (I)判定關(guān)鍵層的厚度h與斷裂后的塊體長度(c/2)的比值是否滿足h/(c/2)< ( 1/2 ) tgcp， 式中，C為關(guān)鍵層懸露長度，φ為巖塊間的摩擦角； 如果此式不能滿足，則判定關(guān)鍵層斷裂后直接進(jìn)入垮落帶；如果此式滿足，則關(guān)鍵層斷裂后是否屬于垮落帶需要通過下面的步驟(2)進(jìn)ー步核實；(2)計算關(guān)鍵層斷裂后巖塊間咬合處的擠壓カσρ的大小，即
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采場垮落帶高度的確定方法，以解決煤層開采前難以準(zhǔn)確確定垮落帶高度，使設(shè)備選型和采煤工藝的選擇無法達(dá)到最優(yōu)以及安全生產(chǎn)難以保證的問題。本發(fā)明提供的采場垮落帶的確定方法，認(rèn)為在厚煤層一次采全高條件下，垮落的巖石不一定能夠充填滿采空區(qū)，會造成關(guān)鍵層的懸露狀態(tài)，垮落帶高度與關(guān)鍵層的穩(wěn)定狀態(tài)相關(guān)，因此確定以關(guān)鍵層作為研究對象，對關(guān)鍵層進(jìn)行力學(xué)分析和判定，從而更為準(zhǔn)確地確定垮落帶，進(jìn)而實現(xiàn)合理的設(shè)備選型、采煤工藝的確定以及保證安全開采。
文檔編號E21C41/16GK102678118SQ201110409969
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者李成武, 王志強(qiáng), 趙景禮 申請人:李成武, 王志強(qiáng), 趙景禮