[发明专利]深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法

说明书

本公开了一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，首先，基于应力拱形成原理，确定基岩中能够形成稳定应力拱的临界厚度，进而建立深埋采场覆岩类型评价标准，弥补了深埋、厚松散层、基岩厚度显著变化地层条件覆岩结构类型评价标准方面的空白。然后基于上述标准，针对超薄基岩和薄基岩地层条件，提出基岩加厚改造设计方案，包括加厚改造设计区域的长度、厚度等；最后，提出薄基岩加厚改造设计方法，提出了多水平倾斜顶部顺式注浆方案和施工方法，并对钻孔布置、注浆材料等参数进行了设计，可实现采场灾害事故的主动控制，避免了以往被动的采场内控制措施引发的灾害事故。

技术领域

本发明涉及矿山压力与岩层控制领域，尤其涉及到深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法。

背景技术

随着近几十年来的大规模开采，我国东部(山东、安徽、河南、河北)浅埋煤炭资源几近枯竭，矿井正在开采第四系厚松散层、薄基岩条件下的深埋煤炭资源。东部地区现场地质勘探表明，深埋煤层上覆基岩厚度变化较大，部分区域基岩厚度仅有十几米，部分区域基岩厚度达到上百米，不同基岩厚度条件下，岩层破断运动特征及其引发的采场矿压规律迥然不同，采场围岩稳定性控制影响差距显著。但通过文献检索发现，关于该类地层条件下采场覆岩分类及其运动灾害控制，存在以下两方面的缺陷：

(1)当前，对于该类地层(深埋、厚松散层、基岩厚度显著变化)条件下采场覆岩类型的评价标准，尚无任何研究。现有的采场覆岩分类评价体系，主要针对浅埋地层条件(埋深≤200m)、仅以采场三带为指标进行分类，且评价方法中未考虑覆岩运动所形成的应力拱形成及保持稳定的力学条件。

(2)众所周知，当基岩达到一定厚度时，岩层会在下沉过程中形成拱结构，对下部采场具有保护作用；当基岩厚度较小时则无法形成此类拱保护结构，致使在工作面出现端面冒顶、片帮等事故。为减少基岩较薄无法成拱条件下发生的灾害事故，当前措施主要为端面煤岩加固、注浆的措施，但这类措施都是在基岩覆盖下的工作面采场内进行的，属于被动的控制措施。事实上，采场上覆岩层结构及其运动才是造成采场事故的根本动力。目前，尚未有从覆岩结构改造角度出发的、主动的控制措施。

发明内容

针对煤层上部岩层无法形成关键层的地层条件，本专利提出一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法。首先，基于应力拱形成原理，确定基岩中能够形成稳定应力拱的临界厚度，进而建立深埋采场覆岩类型评价标准；然后，基于建立的评价标准，针对超薄基岩和薄基岩地层条件，提出基岩加厚改造设计方案，包括加厚改造设计区域的长度、厚度等；最后，提出薄基岩加厚改造设计方法，包括钻孔布置方案及参数、注浆材料、注浆压力、注浆时间、工序、劳动组织等。

一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，包括以下步骤：

第一步 深埋采场覆岩类型评价标准

步骤1.1)确定基岩应力拱保持稳定的临界拱厚

当基岩内可形成稳定应力拱时，应力拱的临界拱厚表达式为：

式中，D_arch为应力拱拱厚；H_arch为应力拱高度；l_arch为应力拱跨度；q(x)为基岩上覆岩层均布载荷；θ为任意截面同岩拱法向截面之间夹角；R为拱脚所受垂直应力；T为拱脚所受水平应力；其中R、T的表达式为：

其中，应力拱高度H_arch取煤层到关键层的高度；应力拱跨度l_arch取周期来压步距；基岩上覆岩层均布载荷q(x)取(1.2～2.0)x，x取(0.5～0.7)倍周期来压步距；θ按经验值取5～10°；

步骤1.2)确定能够形成应力拱的临界基岩厚度