一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法

摘要

本发明公开了一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其方法如下：A、构建拱壳结构模型，得出拱壳结构模型的采动岩层破断高度；B、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到未破断岩层拱的发育高度；C、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到拱壳结构模型的拱壳发育总高；D、定义拱壳结构模型中拱壳结构的稳定性系数，通过稳定性系数对拱壳结构模型的拱壳结构稳定性进行判断。本发明采用临界采宽、稳定性系数两个数据量化指标，能够实现对采动岩体拱结构稳定性进行分析评价并得出临界失稳、失稳、稳定的结论，也能给出量化数据便于科学比较，根据本发明方法能够得出破断高度的临界破断岩层，对采矿工作安全保障及生态环境安全具有重要意义。

权利要求

1.一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其特征在于：其方法如下：A、构建拱壳结构模型，拱壳结构模型包括煤层、若干层岩层和松散层，拱壳结构模型的覆岩破断角为ψ，基于固支梁理论计算出拱壳结构模型中采动岩层破断高度；

A1、基于正梯形采动岩层的破断空间形态，按照如下公式得出第i层岩层的悬露长度li：li＝L‑2Hicotψ，其中，L表示工作面采宽，Hi表示第i层岩层的破断高度；

A2、基于固支梁理论按照如下公式得出第i层岩层的破断距lik：其中，RiT表示第i层岩层极限抗拉强度，hi表示第i层岩层厚度，qi表示第i层岩层所受均布荷载；

A3、令li＝lik，得出拱壳结构模型的采动岩层破断高度公式：Hi表示第i层岩层的破断高度；

B、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到未破断岩层拱的发育高度Hig，其中Hig表示第i层岩层破断、第i层以上岩层的高度，f表示拱壳结构模型中岩层岩性的普氏系数，a′为拱壳结构模型中的拱脚偏移量；

C、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到拱壳结构模型的拱壳发育总高h，h＝Hi+Hig；

D、定义拱壳结构模型中拱壳结构的稳定性系数C，按照如下公式得出拱壳结构模型的稳定性系数C：其中H0为拱壳结构模型中工作面以上的覆岩总厚度，HS为拱壳结构模型中松散层的厚度；

按照如下方法进行拱壳结构模型的稳定性评价：若0＜C＜1，则拱壳结构模型的拱壳结构稳定；

若C＝1，则拱壳结构模型的拱壳结构处于临界失稳；

若C＞1，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

2.按照权利要求1所述的一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其特征在于：还包括步骤E；

采用如下公式计算得到拱壳结构模型的临界采宽L0：，其中M为拱壳结构模型中煤层高度。

3.按照权利要求2所述的一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其特征在于：步骤E还包括：利用临界采宽L0进行拱壳结构模型的稳定性评价：若拱壳结构模型的工作面采宽大于或等于临界采宽L0，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

4.按照权利要求1所述的一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其特征在于：还包括步骤F；

F、按照步骤A方法得出第i层的破断距lik、第i层岩层的悬露长度li及第i+1层岩层的破断距l(i+1)k，当l(i+1)k＞li≥lik时，则拱壳结构模型的破断高度已经达到第i层岩层，由此得出拱壳结构模型的破断高度的临界破断岩层。

5.按照权利要求1所述的一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其特征在于：步骤A中拱壳结构模型为依赖研究区的采动岩层所构建，拱壳结构模型的拱壳结构对应研究区的采动岩层拱结构，拱壳结构模型的煤层、若干层岩层、松散层与研究区的采动岩层的煤层、若干层岩层、松散层一一对应。

说明书

一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿山开采沉陷研究领域，尤其涉及一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，特别涉及煤矿开采领域中的采动岩层拱壳控制。

背景技术

[0002] 煤炭作为工业的“粮食”，煤炭资源对于国民经济发展起到至关重要的作用，但在资源开发中不可避免的会对矿区人居环境和生态环境造成破坏。相关研究表明，地下煤层开采后，覆岩内部会形成拱壳结构，对采动覆岩整体起到宏观的支撑作用，从而控制地表沉降，减轻地表损伤。

[0003] 相关研究表明，在特定的地质采矿条件下，随着工作面开采尺寸增加，采动岩体的破裂区与岩拱发育高度不断增加，顶板岩层重复着“拱成—拱破”的变化过程。当工作面尺寸到达某一临界值时，覆岩高度将小于岩拱发育拱高，覆岩中宏观的承载拱结构消失，地表移动变形和破坏迅速增加，不利于地表人居环境和生态环境的保护。

[0004] 近年来，相关学者采用数值模拟、相似模拟、现场探测等方法对采动覆岩拱结构的发育过程、结构形态和稳定性等进行了研究，并取得了一定的进展。但是如何合理的定义拱结构的稳定性，界定拱结构临界失稳的开采条件，对于实际的工程应用就显得尤为重要。目前，没有针对矿区地质环境的采动岩层拱结构稳定性研究的技术方案，这不利于对采动岩层拱及时掌握，严重制约了控制地表沉降、减轻地表损伤、矿区生态安全性等技术研究。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，能够实现对目标矿区采矿工作面地质采矿条件进行各项测量构建拱壳结构模型，定义拱壳结构模型的稳定性系数并按照计算得到的稳定性系数来科学量化判断采动岩体拱结构的稳定性，本发明还可以采用临界采宽来量化判断采动岩体拱结构的稳定性，解决了采动岩体拱结构的稳定性难以做出科学量化评价的客观问题，对控制地表沉降、减轻地表损伤、矿区生态安全具有重要意义。

[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现：

[0007] 一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其方法如下：

[0008] A、构建拱壳结构模型，拱壳结构模型包括煤层、若干层岩层和松散层，拱壳结构模型的覆岩破断角为ψ，基于固支梁理论计算出拱壳结构模型中采动岩层破断高度；

[0009] A1、基于正梯形采动岩层的破断空间形态，按照如下公式得出第i层岩层的悬露长度li：

[0010] li＝L‑2Hicotψ，其中，L表示工作面采宽，Hi表示第i层岩层的破断高度；

[0011] A2、基于固支梁理论按照如下公式得出第i层岩层的破断距lik：

[0012] 其中，RiT表示第i层岩层极限抗拉强度，hi表示第i层岩层厚度，qi表示第i层岩层所受均布荷载；

[0013] A3、令li＝lik，得出拱壳结构模型的采动岩层破断高度公式：

[0014] Hi表示第i层岩层的破断高度；

[0015] B、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到未破断岩层拱的发育高度Hig，[0016] 其中Hig表示第i层岩层破断、第i层以上岩层的高度，f表示拱壳结构模型中岩层岩性的普氏系数，a′为拱壳结构模型中的拱脚偏移量；

[0017] C、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到拱壳结构模型的拱壳发育总高h，[0018] h＝Hi+Hig；

[0019] D、定义拱壳结构模型中拱壳结构的稳定性系数C，按照如下公式得出拱壳结构模型的稳定性系数C：

[0020] 其中H0为拱壳结构模型中工作面以上的覆岩总厚度，HS为拱壳结构模型中松散层的厚度；

[0021] 按照如下方法进行拱壳结构模型的稳定性评价：

[0022] 若0＜C＜1，则拱壳结构模型的拱壳结构稳定；

[0023] 若C＝1，则拱壳结构模型的拱壳结构处于临界失稳；

[0024] 若C＞1，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

[0025] 为了更好地实现本发明(本发明还可以采用临界采宽L0作为拱壳结构模型的拱壳结构的稳定性判断指标)，本发明还包括步骤E；

[0026] 采用如下公式计算得到拱壳结构模型的临界采宽L0：

[0027]

[0028] ，其中M为拱壳结构模型中煤层高度。

[0029] 进一步的技术方案是：步骤E还包括：

[0030] 利用临界采宽L0进行拱壳结构模型的稳定性评价：若拱壳结构模型的工作面采宽大于或等于临界采宽L0，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

[0031] 本发明能够按照步骤F的方法得出拱壳结构模型的临界破断岩层，本发明还包括步骤F；

[0032] F、按照步骤A方法得出第i层的破断距lik、第i层岩层的悬露长度li及第i+1层岩层的破断距l(i+1)k，当l(i+1)k＞li≥lik时，则拱壳结构模型的破断高度已经达到第i层岩层，由此得出拱壳结构模型的破断高度的临界破断岩层。

[0033] 优选地，本发明步骤A中拱壳结构模型为依赖研究区的采动岩层所构建，拱壳结构模型的拱壳结构对应研究区的采动岩层拱结构，拱壳结构模型的煤层、若干层岩层、松散层与研究区的采动岩层的煤层、若干层岩层、松散层一一对应。

[0034] 本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

[0035] (1)本发明能够实现对目标矿区采矿工作面地质采矿条件进行各项测量构建拱壳结构模型，定义拱壳结构模型的稳定性系数并按照计算得到的稳定性系数来科学量化判断采动岩体拱结构的稳定性，本发明还可以采用临界采宽来量化判断采动岩体拱结构的稳定性，解决了采动岩体拱结构的稳定性难以做出科学量化评价的客观问题，对控制地表沉降、减轻地表损伤、矿区生态安全具有重要意义。

[0036] (2)本发明采用临界采宽、稳定性系数两个数据量化指标，能够实现对采动岩体拱结构稳定性进行分析评价并得出临界失稳、失稳、稳定的结论，也能给出量化数据便于科学比较，根据本发明方法能够得出破断高度的临界破断岩层，对采矿工作安全保障及生态环境安全具有重要意义。

附图说明

[0037] 图1为本发明拱壳结构模型的拱壳结构示意图；

[0038] 图2为本发明拱壳结构模型煤层、采动岩层各分层示意图；

[0039] 图3为本发明拱壳结构模型采动岩层存在稳定拱结构的示意图；

[0040] 图4为本发明拱壳结构模型采动岩层临界失稳的示意图。

[0041] 其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

[0042] 1工作面,2拱壳,3第i层岩层,4正梯形，10煤层,20底板层岩,30若干层岩层,40松散层。

具体实施方式

[0043] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

[0044] 实施例

[0045] 如图1～图4所示，一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其方法如下：

[0046] A、构建拱壳结构模型，拱壳结构模型包括煤层、若干层岩层和松散层，拱壳结构模型的覆岩破断角为ψ，基于固支梁理论计算出拱壳结构模型中采动岩层破断高度。步骤A中拱壳结构模型为依赖研究区的采动岩层所构建(采集研究矿区的采动岩层情况，可以为带有拱结构或不带拱结构，带有拱结构即可实现对拱壳结构的稳定性检测及探测拱壳结构稳定性的各项临界值，不带拱结构即可实现对拟建稳定性拱壳结构方案及探测拱壳结构稳定性的各项临界值)，拱壳结构模型的拱壳结构对应研究区的采动岩层拱结构，拱壳结构模型的煤层、若干层岩层、松散层与研究区的采动岩层的煤层、若干层岩层、松散层一一对应。

[0047] A1、基于正梯形采动岩层的破断空间形态，按照如下公式得出第i层岩层的悬露长度li：

[0048] li＝L‑2Hicotψ，其中，L表示工作面采宽，Hi表示第i层岩层的破断高度；

[0049] A2、基于固支梁理论按照如下公式得出第i层岩层的破断距lik：

[0050] 其中，RiT表示第i层岩层极限抗拉强度，hi表示第i层岩层厚度，qi表示第i层岩层所受均布荷载；

[0051] A3、令li＝lik，得出拱壳结构模型的采动岩层破断高度公式：

[0052] Hi表示第i层岩层的破断高度；

[0053] B、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到未破断岩层拱的发育高度Hig，[0054] 其中Hig表示第i层岩层破断、第i层以上岩层的高度，f表示拱壳结构模型中岩层岩性的普氏系数，a′为拱壳结构模型中的拱脚偏移量。

[0055] C、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到拱壳结构模型的拱壳发育总高h，[0056] h＝Hi+Hig；

[0057] D、定义拱壳结构模型中拱壳结构的稳定性系数C，按照如下公式得出拱壳结构模型的稳定性系数C：

[0058] 其中H0为拱壳结构模型中工作面以上的覆岩总厚度，HS为拱壳结构模型中松散层的厚度；

[0059] 按照如下方法进行拱壳结构模型的稳定性评价：

[0060] 若0＜C＜1，则拱壳结构模型的拱壳结构稳定；

[0061] 若C＝1，则拱壳结构模型的拱壳结构处于临界失稳；

[0062] 若C＞1，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

[0063] 实施例二

[0064] 如图1～图4所示，一种采动岩层拱壳结构稳定性分析方法，其方法如下：

[0065] A、构建拱壳结构模型，拱壳结构模型包括煤层10、若干层岩层30(如图1～图4所示，从第1层…第i层…第n层)和松散层30,当然在煤层10下方还有底板层岩20，在松散层30上方即为地表，拱壳结构模型的覆岩破断角为ψ，基于固支梁理论计算出拱壳结构模型中采动岩层破断高度；步骤A中拱壳结构模型为依赖研究区的采动岩层所构建(采集研究矿区的采动岩层情况，可以为带有拱结构或不带拱结构，带有拱结构即可实现对拱壳结构的稳定性检测及探测拱壳结构稳定性的各项临界值，不带拱结构即可实现对拟建稳定性拱壳结构方案及探测拱壳结构稳定性的各项临界值)，拱壳结构模型的拱壳结构对应研究区的采动岩层拱结构，拱壳结构模型的煤层、若干层岩层、松散层与研究区的采动岩层的煤层、若干层岩层、松散层一一对应，拱壳结构模型的煤层与研究区的采动岩层的煤层保持一致(煤层采高M，又称煤层高度，如图1所示，即对应拱壳结构模型中煤层高度)，拱壳结构模型的若干层岩层与研究区的若干层岩层保持一致(包括层数、每层覆岩岩性R)。如图1所示，拱壳结构模型的拱壳结构示意图，由于拱壳结构是随着拱壳长度方向依次延伸，故采用拱壳结构的二维剖面来阐述本发明思想。

[0066] A1、基于正梯形采动岩层的破断空间形态(破断空间形态参见图1所示的正梯形4)，按照如下公式得出第i层岩层的悬露长度li：

[0067] li＝L‑2Hicotψ，其中，L表示工作面采宽(参见图1中拱壳结构模型中的工作面1的采宽L)，Hi表示第i层岩层的破断高度(破断高度参考图1，参见图1中拱壳结构模型中以覆岩破断角ψ到达拱壳结构模型的拱壳顶部相交于第i层采动岩层而得到的正梯形的高度，即图1指示的Hi)。本实施例工作面采宽L，工作面回采完成后，破断高度发育到第i层岩层，覆岩破断高度记为Hi。

[0068] A2、基于固支梁理论按照如下公式得出第i层岩层的破断距lik：

[0069] 其中，RiT表示第i层岩层极限抗拉强度，hi表示第i层岩层厚度，qi表示第i层岩层所受均布荷载。极限抗拉强度、岩层厚度、岩层所受均布荷载根据拱壳结构模型中第i层岩层参数数据或采集研究区的采动岩层得到。

[0070] A3、令li＝lik，即第i层岩层破断，意味着该岩层(第i层)的悬露长度li已达到其极限破断距lik(第i层处于破断临界状态)，则得出拱壳结构模型的采动岩层破断高度公式：

[0071] Hi表示第i层岩层的破断高度；

[0072] 按照上述公式可以得出在工作面采宽L情况下的临界破断高度。

[0073] B、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到未破断岩层拱的发育高度Hig，[0074] 其中Hig表示第i层岩层破断、第i层以上岩层的高度(即图1中指示的Hig)，f表示拱壳结构模型中岩层岩性的普氏系数，a′为拱壳结构模型中的拱脚偏移量，a′＝0.05M(H0‑Hi)，其中M为拱壳结构模型中煤层高度(即煤层采高)；

[0075] C、基于拱壳结构模型按照如下公式计算得到拱壳结构模型的拱壳发育总高h(包括采动岩层破断高度与未破断岩层拱的发育高度，即图1指示的h)，

[0076] h＝Hi+Hig；

[0077] D、在特定的地质采矿条件下，煤层赋存条件确定，工作面的设计开采尺寸将决定拱的发育高度。当设计开采工作面尺寸达到某一临界值时，岩拱的临界拱高将超过地表，覆岩中宏观的拱型承载结构消失，地表移动变形将难以有效控制。为了实现拱结构稳定性量化评价，方便采煤设计，本申请以拱高与基岩厚度的比值定义采动覆岩拱形结构的稳定性系数C。定义拱壳结构模型中拱壳结构的稳定性系数C(通过稳定性系数C来作为判断采动岩层拱结构稳定性的重要指标参数)，按照如下公式得出拱壳结构模型的稳定性系数C：

[0078] 其中H0为拱壳结构模型中工作面以上的覆岩总厚度，HS为拱壳结构模型中松散层的厚度；

[0079] 本发明按照如下方法进行拱壳结构模型的稳定性评价：

[0080] 若0＜C＜1，则拱壳结构模型的拱壳结构稳定；

[0081] 若C＝1，则拱壳结构模型的拱壳结构处于临界失稳；

[0082] 若C＞1，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳。

[0083] 本申请可以通过稳定性系数C来判断采动岩层拱结构稳定性，结合稳定性系数C的取值可将岩拱稳定性划分为4类，见下表：

[0084] 类别 稳定性系数 有无拱结构 拱结构稳定性Ⅰ C＝0 无拱(原岩状态) ‑‑
Ⅱ 0＜C＜1 有拱 稳定
Ⅲ C＝1 有拱 临界失稳
Ⅳ C＞1 无拱 失稳

[0085] E、在采动岩层拱壳结构稳定性分析还可以临界采宽L0来进行临界采宽稳定性分析与评价，采用如下公式计算得到拱壳结构模型的临界采宽L0：

[0086]

[0087] ，其中M为拱壳结构模型中煤层高度；利用临界采宽L0进行拱壳结构模型的稳定性评价：若拱壳结构模型的工作面采宽大于或等于临界采宽L0，则拱壳结构模型的拱壳结构失稳(若拱壳结构模型的工作面采宽等于临界采宽L0，则拱壳结构模型的拱壳结构处于临界失稳，若拱壳结构模型的工作面采宽比临界采宽L0越大，则拱壳结构越早就发生失稳，有可能失稳更厉害，能够对采动岩层拱壳结构稳定性进行量化数据评价分析)。

[0088] F、按照步骤A方法得出第i层的破断距lik、第i层岩层的悬露长度li及第i+1层岩层的破断距l(i+1)k，当l(i+1)k＞li≥lik时，则拱壳结构模型的破断高度已经达到第i层岩层，由此得出拱壳结构模型的破断高度的临界破断岩层(在第i层岩层即为拱壳结构模型的破断高度的临界破断岩层)。基于实地钻孔的覆岩层位信息和室内力学实验数据，可以逐层判断各岩层的悬露长度与其极限破断距大小之间的关系，当l(i+1)k＞li≥lik时，可知覆岩的梯形破断区已到达第i层岩层。也即第i层岩层即为拱壳结构模型的破断高度的临界破断岩层。l(i+1)k＞li≥lik作为临界破断岩层的判别式，可以写成如下公式：

[0089]

[0090] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。