[发明专利]基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法

说明书

本发明提供基于相似模拟的巨厚砾岩层离层量的计算方法，包括以下步骤：S1、制作平面应力相似模拟试验模型；S2、进行巨厚砾岩层下综放开采相似模拟试验；S3、建立巨厚砾岩层离层量计算力学模型；S4、根据力学模型建立巨厚砾岩层离层量计算公式；通过以上步骤计算出巨厚砾岩层离层量。基于相似模拟试验结果和现场观测，采用“关键层”和“厚板”理论计算，研究综放开采巨厚砾岩层变形移动和离层演化特征，建立了综放开采巨厚砾岩层离层和断裂力学模型，推出了离层量计算式。研究结论对巨厚砾岩层下综放开采时地面减沉和井下冲击地压预测防治具有重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及煤矿地表沉陷控制技术领域，特别是基于相似模拟的巨厚砾岩层 离层量的计算方法。

背景技术

综放开采是我国特厚煤层高产高效主要采煤方法之一。煤层上覆的巨厚砾岩 层、巨厚火成岩、厚层坚硬岩层具有厚度大、整体性好、距煤层远等特点。自开 切眼开始，随着综放面推进度的不断增加，当煤层上方第1亚关键层断裂后，作 为随动层的上覆软弱岩层随同下沉后；之后第2亚关键层出现离层，如此往上发 展，直至主关键层(砾岩层)出现离层、失稳垮落、地表下沉。在巨厚砾岩层断 裂失稳前，底部离层空间达到最大。对综放开采上覆巨厚砾岩层离层量进行计算， 可为巨厚砾岩层下煤层开采的灾害预测及离层注浆等控制技术提供依据。

综放工作面回采过后，高位巨厚砾岩层出现大范围悬顶，当巨厚砾岩层下综 放面推进度超过砾岩层极限跨距以后，砾岩层突然失稳垮落，垮落形成的震动场 与综放面前方移动应力场叠加，在综放面前方煤岩体或回采巷道围岩中出现高应 力区或者应力异常区，造成工作面前方或回采巷道围岩出现大能量微震事件(矿 震)，甚至引起冲击地压事故。因此研究厚煤层开采上覆巨厚砾岩层的离层演化 规律，特别是离层量计算方法，对于地面离层注浆减沉、水力压裂、松动爆破等 技术措施的实施，有效地减少地表下沉量特别是在控制巨厚砾岩层断裂失稳诱发 井下综放面出现冲击地压灾害方面得到广泛应用。

目前特厚煤层开采后上覆巨厚砾岩层离层量和离层规律的研究，主要采用现 场观测、数值计算、相似材料模拟试验和理论分析等方法和技术。但目前关于巨 厚砾岩层离层量的计算，还没有形成成熟、实用的理论计算体系。

在地面或者井下施工观测孔，利用“钻孔取芯法”、“钻孔摄像”等现场观测方 法进行时，得到煤层开采过程中砾岩层离层的实际值，研究结论是数值计算和理 论分析的基础；但现场工程量巨大，费事费力且受到现场生产过程影响较大，有 时甚至得不到满意的结论。

针对巨厚砾岩层的断裂步距，目前采用板理论、梁理论及关键层理论进行了 大量理论研究。但综放开采上覆岩层离层量的影响因素多，计算公式复杂多变， 难以通过单一的弹性、塑性和大变形等岩体工程的理论计算方法实现，特别是特 厚煤层上覆巨厚砾岩层离层量，目前没有专门的理论计算公式。

中国专利文献CN109635357A记载了一种考虑采动岩体碎胀性的覆岩离层 动态位置预测方法，通过考虑岩体碎胀性引起的不同层位离层力学模型的差异性， 对于冒落带最大发育高度之下的离层，将离层上下位岩组均简化为两端固支梁模 型进行分析计算；而对于冒落带最大发育高度之上的离层，本发明将离层上位岩 组简化为两端固支梁、将离层下位岩组简化为文克尔弹性地基梁进行分析计算， 相较传统方法，本发明选取的力学模型更为合理；本发明还给出了不同层位离层 消失的判据，还可以用于顶板离层动态发育位置的预测，因此可以更加精确的预 测工作面进尺对应的覆岩离层发育位置，以更好服务于岩层移动及相关次生灾害 的基础研究和防治工作。但是该方法只能对离层动态发育位置的预测，并没有专 门的理论计算公式，不能研究离层量在不同时刻的发育状况，同时也没有砾岩层 初次垮落和周期垮落垮落体的形状特征，不利于对后期灾害的预测预测进行进一 步评估，使用存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于相似模拟的砾岩层离层量的计算方 法，解决综放开采上覆岩层离层量的影响因素多，计算公式复杂多变，难以通过 单一的弹性、塑性和大变形等岩体工程的理论计算方法实现，没有专门的理论计 算公式的问题。