專利名稱：采場垮落帶高度的確定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及煤炭開采領域，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：
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。因而，把在巖體活 動中起主要控制作用的巖層稱之為關鍵層，只起加載作用的巖層稱為隨動層。目前，以關鍵層為研究基礎，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統(tǒng)ー。在煤炭生產(chǎn)中，垮落帶的確定涉及到設備的選型、エ藝參數(shù)的確定以及工作面的安全生產(chǎn)，準確地確定垮落帶，可以有效地保證采煤工作的安全、高效進行。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)才能達到穩(wěn)定的結(jié)構。第二種方法是依據(jù)現(xiàn)場實測并進行數(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行判定，誤差較大。因此，該方法對于處于設計或者開拓初期沒有類似工作面的礦井無法應用。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、關鍵層在上覆巖層中的作用以及隨動層的屬性。根據(jù)關鍵層的特征，應當進ー步對垮落帶與關鍵層之間建立相關聯(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，難以準確確定垮落帶，進而使設備選型和采煤エ藝的選擇無法達到最優(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鍵層層位；第二歩根據(jù)設計的開采工作面對第一關鍵層進行判定，確定第一關鍵層是否會斷裂，如果第一關鍵層不會斷裂，則第一關鍵層下方為垮落帶；第三歩如果根據(jù)第二步判定的結(jié)果第一關鍵層斷裂，則對斷裂后的第一關鍵層進行進一歩的判定，以確定斷裂后的第一關鍵層是成為裂隙帶還是垮落帯，當斷裂后的第ー關鍵層成為裂隙帶，則第一關鍵層下方為垮落帶； 第四步如果根據(jù)第三步判定第一關鍵層斷裂后成為垮落帯，當不存在下ー個關鍵層吋，則從采場上方一直延伸到地表均為垮落帶；第五步當存在下ー個關鍵層時，則返回第二步重新對下ー個關鍵層進行判定，直到判定出第一個不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層時，該第一個不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層以下為垮落??；或者在判定完所有的關鍵層，均未出現(xiàn)不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層時，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)過實驗室力學分析并進行計算后判定。優(yōu)選地，在所述第二步中，判定關鍵層是否會斷裂吋，選用彈性薄板力學模型計算關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為關鍵層厚度，R為關鍵層抗拉強度，q為關鍵層承載，λ取決于工作面推進速度影響下的推進距離與工作面長度有關的a之間的比值；根據(jù)煤層開采前設計的λ值，當關鍵層的懸露長度小于a時，關鍵層不會斷裂，否貝1J，關鍵層斷裂。優(yōu)選地，在選用彈性薄板力學模型判定關鍵層是否會斷裂時，根據(jù)關鍵層懸露臨界值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；當工作面的長度小于L吋，關鍵層不會斷裂，否則，關鍵層會斷裂。優(yōu)選地，在所述第三步中，對斷裂后的關鍵層進行進一歩的判定的方法如下(I)判定關鍵層的厚度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，則判定關鍵層斷裂后直接進入垮落帶；如果此式滿足，則關鍵層斷裂后是否屬于垮落帶需要通過下面的步驟(2)進ー步核實；
(2)計算關鍵層斷裂后巖塊間咬合處的擠壓カσ ρ的大小，即
權利要求
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鍵層層位； 第二歩根據(jù)設計的開采工作面對第一關鍵層進行判定，確定第一關鍵層是否會斷裂，如果第一關鍵層不會斷裂，則第一關鍵層下方為垮落帶； 第三歩如果根據(jù)第二步判定的結(jié)果第一關鍵層斷裂，則對斷裂后的第一關鍵層進行進ー步的判定，以確定斷裂后的第一關鍵層是成為裂隙帶還是垮落帯，當斷裂后的第一關鍵層成為裂隙帶，則第一關鍵層下方為垮落帶； 第四步如果根據(jù)第三步判定第一關鍵層斷裂后成為垮落帯，當不存在下ー個關鍵層吋，則從采場上方一直延伸到地表均為垮落帶； 第五歩當存在下ー個關鍵層時，則返回第二步重新對下ー個關鍵層進行判定，直到判定出第一個不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層時，該第一個不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層以下為垮落?。换蛘咴谂卸ㄍ晁械年P鍵層，均未出現(xiàn)不會斷裂的關鍵層或斷裂后成為裂隙帶的關鍵層時，則垮落帶一致延伸到地表。
2.如權利要求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)過實驗室力學分析并進行計算后判定。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，在所述第二步中，判定關鍵層是否會斷裂吋，選用彈性薄板力學模型計算關鍵層懸露長度的臨界值a，得到 4み(\ + -Pi + Xa)R a =——\--- /I \ 42q 式中，h為關鍵層厚度，R為關鍵層抗拉強度，q為關鍵層承載，λ取決于工作面推進速度影響下的推進距離與工作面長度有關的a之間的比值； 根據(jù)煤層開采前設計的λ值，當關鍵層的懸露長度小于a時，關鍵層不會斷裂，否則，關鍵層斷裂。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在選用彈性薄板力學模型判定關鍵層是否會斷裂時，根據(jù)關鍵層懸露臨界值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； 當工作面的長度小于L吋，關鍵層不會斷裂，否則，關鍵層會斷裂。
5.如權利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，在所述第三步中，對斷裂后的關鍵層進行進一歩的判定的方法如下 (I)判定關鍵層的厚度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，則判定關鍵層斷裂后直接進入垮落帶；如果此式滿足，則關鍵層斷裂后是否屬于垮落帶需要通過下面的步驟(2)進ー步核實；(2)計算關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確確定垮落帶高度，使設備選型和采煤工藝的選擇無法達到最優(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)，會造成關鍵層的懸露狀態(tài)，垮落帶高度與關鍵層的穩(wěn)定狀態(tài)相關，因此確定以關鍵層作為研究對象，對關鍵層進行力學分析和判定，從而更為準確地確定垮落帶，進而實現(xiàn)合理的設備選型、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)先權日2011年12月9日
發(fā)明者李成武, 王志強, 趙景禮 申請人:李成武, 王志強, 趙景禮