基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及采煤技术领域。
【背景技术】
[0002] 由于充填采煤可W减轻岩层移动变形程度、有效控制地表沉降、消除采空区安全 隐患，具有解放呆滞煤炭、延长矿井服务年限、提高安全生产保障等优点，从而成为矿山岩 层控制领域研究的重点，杆石固体充填、超高水材料充填、膏体充填等一系列综合机械化充 填采煤技术相继得W成功研发和试验，并得到了广泛的应用。
[0003] 地表变形预计是充填采煤的关键问题之一，其对于研究保护或控制对象的需求、 不同充填目的下充填率的设计W及充填质量检验和效果的评价具有重要的理论指导意义。
[0004] 地表变形预计的方法有两类：统计分析法和力学分析法。统计分析法的典型代表 是概率积分法，该种方法的研究较为深入，应用也较为广泛，但其在开采沉陷预计参数的确 定方面（特别是下沉系数）还主要依赖于现场实测，且多用于跨落法采煤实践中，而充填采 煤岩层运动方式和规律与跨落法采煤有本质的区别，因此，有必要提出一种针对充填采煤 的地表变形预计方法，本发明从力学角度出发，通过力学建模、分析和计算提出充填采煤地 表预计方法。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变 形预计方法，能够有效的建立充填采煤区域岩层的地质和力学模型，使地表变形预计结果 更为准确，为准确指导下"开采提供了保障；不依赖开采沉陷预计参数，与现有预计方法 相比具有更为普遍的适用性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
[0007] -种基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，包括如下步骤：
[0008] (a)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；
[0009] 化）在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，W煤体与充填体间的上覆岩层为连 续曲形梁，建立充填采煤连续曲形梁力学模型；
[0010] (C)推导出充填率与地表变形的数学关系；
[0011] (d)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表 变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。
[0012] 进一步的技术方案，步骤（a)中采矿地质参数包括煤层直至地表间每层岩层的组 份、物理力学性质、构造W及与煤层的层位关系。
[0013] 进一步的技术方案，步骤（a)中所述物探技术通过=维地震勘探和钻探技术采集 和处理地质数据。
[0014] 进一步的技术方案，步骤（C)中所述充填率与地表变形的数学关系推断过程如 下：
[0015] (a)距离煤壁X处横截面上直接顶的弯矩：
【主权项】
1. 一种基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征在于包括如下步 骤： (1) 利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数； (2) 在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模 型； (3) 推导出充填率与地表变形的数学关系； (4) 将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形 的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。
2. 根据权利要求1所述的基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征 在于步骤（1)中采矿地质参数包括煤层直至地表间每层岩层的组份、物理力学性质、构造 以及与煤层的层位关系。
3. 根据权利要求1所述的基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征 在于步骤（1)中所述物探技术通过三维地震勘探和钻探技术采集和处理地质数据。
4. 根据权利要求1所述的基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征 在于步骤（3)中所述充填率与地表变形的数学关系推断过程如下： (a) 距离煤壁X处横截面上直接顶的弯矩为：
式中
为上覆岩层施加到直接顶载荷，与煤层埋藏深度有关，其中，γ为容重，h 为岩层厚度，i为上覆岩层，i = 1，2, 3. .. ;qc;(t)为充填体支撑强度，是与充填材料和时间 t有关的变量； 距离煤壁X处横截面上直接顶的挠度为：
式中，M为煤层厚度；Iitl为初始充填高度；O < X < Ltl, Ltl为充填体压实距离，与充填材 料和采充工艺有关；Ep I1分别为直接顶的弹性模量、惯性矩。 (b) 岩层间离层的判断及计算：
式中，Qi为上覆岩层施加给第i层岩层的载荷； Ep ^分别为第i层岩层的弹性模量、惯性矩； Si，i+1为第i、i+Ι岩层间的离层。 (c) 地表最大下沉值Wtl为：
(d) 地表最大倾斜值iQ为：
(e) 地表最大曲率值Ktl为： (f) 地表最大水平变形值ε ^为：
【专利摘要】本发明公开了一种基于曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，涉及地表变形预计技术领域；包括如下步骤：(1)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；(3)推导出充填率与地表变形的数学关系；(4)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。本发明能够有效的建立充填采煤区域岩层的地质和力学模型，使地表变形预计结果更为准确，为准确指导“三下”开采提供了保障；不依赖开采沉陷预计参数，与现有预计方法相比具有更为普遍的适用性。
【IPC分类】E21F15-00
【公开号】CN104763464
【申请号】CN201510050411
【发明人】刘建功, 赵家巍
【申请人】河北煤炭科学研究院
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年1月30日