[发明专利]一种煤矿区采动灾害地面控制方法及装置

权利要求书

1.一种煤矿区采动灾害地面控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，收集地质采矿资料：获得开采厚度m、开采深度H、煤层倾角α、采煤方法与顶板管理方法、覆岩结构特征、覆岩物理力学性质、松散层厚度h和采区尺寸D；

步骤2，判别关键层并预测其破断特征：根据钻孔地质剖面图和岩层力学性质，识别关键层，计算关键层的初次破断距，即极限破断距L_c，和初次破断角β_c，判断开采过程中关键层是否发生破断，以及如果发生破断预测其初次破断的位置；

L_c和β_c可分别通过以下各式计算求得：

式中，h_k为关键层厚度，σ_t为关键层抗拉强度，q_k为关键层承受的载荷，为关键层内摩擦角；

关键层破断的条件是：实际采宽D₁不小于关键层不破断失稳所要求的极限采宽D_c，即D₁≥D_c，D_c可通过下式计算求得：

式中，H_k为关键层和煤层之间的距离，μ为关键层泊松比；

关键层初次破断的位置距采区边界的距离D₀可通过下式计算求得：

D₀＝H_kcotβ_c           (4)

步骤3，进行开采沉陷预计：分析地质采矿条件，确定概率积分法预计参数，包括地表下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tgβ、拐点偏移距S和开采影响传播角θ，进行开采沉陷预计，预测下沉盆地边界，以及最大下沉点、最大水平移动点和最大水平变形点的位置；

步骤4，设计采动损伤传导阻断路线：根据步骤2和步骤3的预计结果，将采动损伤传导阻断路线布设在沉陷盆地拐点以内的区域，阻断路线以内为盆地中心区域，以外至盆地边界为外围区域；

步骤5，实施采动损伤传导地面阻断工程：根据步骤4的设计方案，沿阻断路线预先开挖隔离沟槽，切断盆地中心区域与外围区域在浅地表的物理联系，阻断采动损伤向外围区域地表传导；

在关键层发生破断时，沿阻断路线在关键层破断位置上方地表相应区域开展夯震作业，加速浅地表土体的物理破断；

步骤6，布设侧向支挡反力系统：步骤5隔离沟槽开挖后，沿隔离沟槽，特别是在需要重点保护的区段，布设侧向支挡反力系统，通过液压伸缩式支撑杆向阻断路线外侧土体施加反向推力，抵消采动附加应力对其造成的影响。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿区采动灾害地面控制方法，其特征在于，步骤4设计采动损伤传导阻断路线，如果D₁≥D_c，开采过程中关键层发生破断，地表下沉较为剧烈，开采结束后，下沉盆地中央有一条线段或者一个平底区域，其下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，这种情况下，采动损伤传导阻断路线布设在盆地拐点和最大下沉线，或最大下沉区边缘之间；

如果D₁＜D_c，开采过程中关键层不破断，这种情况下，地表下沉量整体上相对较小，开采结束后，下沉盆地中央有一个点或者一条线段，其下沉值在整个盆地内最大，采动损伤传导阻断路线布设在盆地拐点和最大下沉点或者最大下沉线之间；

如果盆地内有需要重点保护的区位，则将采动损伤传导阻断路线布设在该区位附近靠近盆地中心的一侧。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿区采动灾害地面控制方法，其特征在于，步骤5开挖隔离沟槽，隔离沟槽的开挖深度h_t不小于采动地裂缝极限发育深度h_c和盆地最大下沉值W₀之间的较小值；

采动地裂缝极限发育深度h_c可通过下式计算求得：

式中，c为土体粘聚力，γ为土体容重，μ_s为土体泊松比，为土体内摩擦角。