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专利号: 2019104287840
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法,其特征在于,包括以下步骤:

第一步:试件制备

在煤矿采掘工作面获取大尺寸弱胶结岩体,采取防风化措施运至实验室进行取芯、打磨成不同岩层的长方体岩样试件;

第二步:对长方体岩样试件进行三点弯曲试验

在静态应变仪上对岩样试件进行三点弯曲试验,在加载试验过程中用高速相机连续抓拍岩样试件表面图像,得到不同加载阶段的数字散斑图像,试验结束后,利用计算机处理,获得三点弯曲试验过程中长方体岩样试件煤岩体裂纹萌生、扩展到裂纹群形成宏观破裂的过程,确定加载过程中不同岩层的长方体岩样试件产生裂纹萌生的特征应力σix以及最大极限应力σip;

第三步:浅埋弱胶结顶板工作面覆岩破断的岩层最高范围判定

第3.1:收集浅埋弱胶结顶板工作面地质资料,确定工作面煤层埋深H、开采厚度M、直接顶(垮落带)的厚度hZ以及覆岩弱胶结岩层从下往上每一层的厚度hi(i=1,2,3……N…M…n),其中i代表岩层数;

第3.2:由于浅埋弱胶结顶板工作面开采后,直接顶岩层在采空区直接垮落,形成垮落带,直接顶上面的第一个岩层滞后一段时间断裂,所以从i=2开始,根据梁理论,计算在覆岩载荷作用下第i个岩层的最大弯矩及挠度,进而获得第i个岩层受到的最大拉应力σimax及其破断时的极限挠度ωimax;

第3.3:计算第i个岩层与第i-1个岩层岩梁间的离层量Si;

第3.4:从第二个岩层开始,依次比较第i个岩层受到的最大拉应力σimax与第i个岩层产生裂纹萌生的最大极限应力σip的关系,以及第i个岩层破断时的极限挠度ωimax与离层量Si的关系,从而判定第i个岩层是否破断;具体判断法是:若第i岩层受到的最大拉应力σ2max与其破断时的极限挠度ω2max分别大于其产生裂纹萌生的最大极限应力σip与离层量Si,那么第i岩层发生破断,转到第3.5步:否则不发生破断,那么确定浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第i-1个岩层全部破断,可称为完全断裂带;那么第i-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩破断的岩层最高范围Hi-1,此时设第i岩层的岩层数i用字母N代替,然后转入第四步;

第3.5:若第i个岩层发生破断,重复3.2-3.4步骤,继续判断第i+1个岩层发生破断情况,以此类推,直到确定某一个岩层不发生破断为止,设这个不发生破断的岩层为第N个岩层,由此可确定,浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第N-1个岩层全部破断,可称为完全断裂带;那么第N-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1;

第四步:判定浅埋弱胶结顶板工作面覆岩第N个以上岩层产生萌生裂纹的岩层层位,以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带第4.1:根据梁理论,计算在覆岩载荷作用下第N个弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度ω2N以及其破断时的极限挠度ωNmax;

第4.2:计算第N层弱胶结岩层与第N-1层岩梁间的离层量SN;

第4.3:通过判别SN与ωNmax、ω2N大小,判定上覆岩层可划分为几带,具体方法如下:若ω2N>SN,则第N层弱胶结岩层内部无裂纹产生,以弹性变形为主,此时第N层至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主,岩层较完整无破坏,此范围岩层成为弹性变形带,弹性变形带的厚度HD为第N个岩层至地表的全部岩层的厚度,这样工作面开采后,上覆岩层可划分为三带,由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带;

若ω2N≤SN<ωNmax,则判定第N层弱胶结岩层生成裂纹但没有完全断裂,继续第4.4步骤;

第4.4:若第N个岩层生成裂纹,那么重复4.1至4.3步骤,继续判断下一个N+1岩层有无裂纹,以此类推,直到确定某一个岩层不生成裂纹,设这个不生成裂纹的岩层为第M岩层,由此判定第M-1个岩层为萌生裂纹的最后岩层层位,由此可确定,浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第N个至第M-1个岩层生成裂纹,此部分称为裂纹损伤带,其厚度为第N个至第M-1个岩层的总厚度,同时裂纹损伤带发育至第M-1个岩层,覆岩裂纹损伤带的发育高度为第M-1个岩层与煤层的垂直间距HM-1;这样第M个至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主,岩层较完整且无破坏,也就是弹性变形带,其厚度HD为第M个至地表的全部岩层的厚度;这样工作面开采后,上覆岩层可划分为四带,由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带;

至此,本发明浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法结束。

2.一种利用权利要求1所述的浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法评价工作面保水开采的方法,其特征在于,包括以下步骤:第一步:首先判断采煤工作面开采后,浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为三带还是四带;

第二步:通过查阅地质勘探资料或现场测试,获得采煤工作面含水层的最低端到煤层上方的距离HW;

第三步:根据比较工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小,评价该工作面能否实现保水开采;具体分为以下两种情况:第一种情况:若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为三带,对比工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小,若HN-1≥HW,则评价该工作面不能实现保水开采,反之能够实现保水开采;

第二种情况:若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为四带,对比覆岩裂纹损伤带的发育高度HM-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小,若HM-1≥HW,则评价该工作面不能实现保水开采,反之能够实现保水开采。