1.一种厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法,其特征在于,所述厚松散层下条带充填开采参数设计方法,包括以下步骤:步骤一,收集钻孔周边松散层拱结构参数、关键层中关键块的结构参数和煤柱结构参数;
步骤二,根据松散层拱理论,建立松散层拱结构二维力学模型,根据松散层拱形成及稳定的条件,判定松散层拱是否稳定;所述步骤二中,当开采区域地质条件确定后,松散层拱结构的稳定性主要由工作面宽度决定,故松散层拱结构稳定时计算得到的工作面宽度即为条带充填开采参数中的工作面临界宽度LM;
所述步骤二中,具体过程如下:
以松散层拱的左拱脚A为原点,左拱脚A与右拱脚B所在直线为X轴,向右为X轴正方向,垂直于左拱脚A与右拱脚B所在直线的直线为Y轴,向上为Y轴正方向,建立松散层拱结构二维力学模型;
计算使松散层拱结构形成及稳定的松散层的临界厚度
∑HCC=Harch+δarch+h0;
式中:∑HCC为松散层的临界厚度;Harch为松散层拱的矢高;Larch为松散层拱的跨度;LM为工作面临界宽度;Σh为关键层底界面与煤层顶界面间的距离;α为基岩破断角;γ1为松散层的容重;h0为松散层拱结构上覆松散层厚度;为松散层的内摩擦角;C为松散层的内聚力;λ为侧压系数;松散层拱结构顶部受到的均布载荷q;
所述步骤二中,根据能使松散层中形成稳定的松散层拱结构的判别条件:钻孔揭露的松散层厚度∑H≥松散层的临界厚度∑HCC,此时松散层拱结构稳定,据此推出条带充填开采参数中的工作面临界宽度;
步骤三,根据关键块结构理论的研究,工作面回采后关键层与垮落的直接顶间的距离为Δ,关键层中关键块结构保持自身稳定时的临界回转量为ΔT,根据关键层中关键块结构稳定性条件:Δ<ΔT,判断关键块结构是否稳定;所述步骤三中,当开采区域地质条件确定后,关键块结构的稳定主要由工作面采高决定,故关键层中关键块结构稳定时计算得到的工作面采高即为条带充填开采参数中的工作面临界采高MB,再根据工作面临界采高计算工作面充填率R;
所述步骤三中,具体步骤如下:
由下式确定Δ和ΔT:
式中:MB为工作面临界采高;KP为直接顶的碎胀系数;Σhi为直接顶的垮落高度,为1.67~2.17倍的采高;σC为关键层的抗压强度;hKS、qKS、lKS为关键层结构的厚度、载荷和破断距;
根据关键层中关键块结构稳定性条件:Δ<ΔT,此时关键块结构稳定,据此推出条带充填开采参数中的工作面临界采高MB;
将工作面临界采高代入下式得到工作面充填率R:
式中:h为煤层厚度,即实际采高,取5m,n为充填材料的压实率,充填材料的压实率为60~65%,此次取中间值62.5%;
步骤四,根据两区约束理论,分别计算条带煤柱极限承载能力P极限和实际承受载荷P实际,然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性;所述步骤四中,当开采区域地质条件确定后,煤柱的稳定性主要由煤柱宽度决定,故煤柱稳定时计算得到的煤柱宽度即为条带充填开采参数中的煤柱临界宽度LC;
所述步骤四中,具体步骤如下:
将计算出的工作面临界宽度LM和计算出的工作面临界采高MB代入下式确定P实际和P极限:式中:γ2为覆岩平均容重,H为采深,LC为煤柱临界宽度;
计算煤柱的安全系数K:
当煤柱的安全系数K≥1.5时保证了煤柱上覆岩层的稳定性和完整性,有效控制地表变形,据此推出条带充填开采参数中的煤柱临界宽度LC;
步骤五,当松散层拱结构、关键层中的关键块结构和煤柱均达到稳定状态时,地表塌陷得到有效控制,条带充填开采参数设计有效,可用于工程实践;但上述任有一个结构未达到稳定状态,均需调整条带充填开采参数,直到三个结构均达到稳定状态时,地表塌陷得到有效控制,条带充填开采参数设计有效,可用于工程实践。
2.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法,其特征在于,所述步骤一中,松散层拱结构参数具体包括松散层的厚度、容重、内摩擦角、内聚力、侧压系数、基岩破断角和关键层底界面与煤层顶界面间的距离;
关键层中关键块的结构参数具体包括关键层的抗压强度、厚度、所受荷载和破断距,直接顶的碎胀系数和垮落高度;
煤柱结构参数具体包括煤层厚度和采深以及覆岩平均容重。
3.如权利要求1所述厚松散层薄基岩下条带充填开采参数设计方法,其特征在于,所述步骤一中,具体步骤如下:在煤炭开采区域地表施工地面钻孔并取芯保存,绘制钻孔综合柱状图;根据钻孔柱状图,确定开采煤层的厚度和埋深、松散层厚度、基岩中各岩层厚度及岩性;
进行松散层取芯试样物理力学参数测试,获得松散层容重、内摩擦角和内聚力;
进行基岩中各岩层取芯试样物理力学参数测试,获得基岩中各岩层的弹性模量、容重和抗压强度,根据基岩中岩石力学性质和岩层破坏形式确定直接顶的碎胀系数;
根据松散层容重和基岩中各岩层的容重计算覆岩平均容重;
在煤层开采区域利用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置进行地应力测试,确定侧压系数;
根据关键层判别软件KSPB,在松散层和基岩力学特性的基础上,基于钻孔综合柱状图,进行关键层判别,确定关键层的位置、厚度、抗压强度、所受荷载、破断距和关键层底界面与煤层顶界面间的距离;
本次钻孔窥视采用钻孔测井分析仪,通过在轨道顺槽顶板上方打钻孔,根据窥视结果中钻孔的深度,绘制出窥视钻孔破断位置演化图,得出基岩破断角。