一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法

本发明专利属于煤矿开采岩层破坏移动控制及矿区生态保护领域。具体涉及一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，本发明的核心是建立了描述不同地质条件下采煤覆岩裂隙场空间分布的统一拓扑模型，该模型中的拓扑参数均可根据上覆岩层结构和力学参数定量计算，突破了传统岩层移动预测模型中多数参数为经验取值的瓶颈。根据在矿井水文孔布置光纤监测的不同层位采动支承压力和各岩层力学参数，判定采动覆岩裂隙场拐点层位及凹凸性，得知不同地质条件下采煤覆岩裂隙场存在三种演化形态。采动覆岩裂隙场不存在拐点，浅部开采覆岩无关键层岩层移动形态，可以在采空区注浆；采动覆岩裂隙场存在一对拐点，常规埋深且覆岩存在关键层覆岩移动形态，可以在拐点所在关键层下部离层区注浆；采动覆岩裂隙场存在两对拐点，深部开采覆岩移动形态，可以在第一层关键层浅部凸拐点下的离层区注浆。三种情况下可以精准注浆控制地表沉陷和保护矿区生态。

背景技术：

1、安全、高效和绿色是当今煤炭开采的三大主题。在煤矿的开采过程中，随着矿石的移除，采空区上方的岩体应力平衡被破坏，导致围岩发生位移和形变，进而导致地表沉陷。这种沉陷不仅影响地表的稳定性，还可能导致地面建筑设施受损。特别是在高潜水位的矿区，地面塌陷还可能导致大片农田变为积水盆地，对当地的生态环境和地貌结构造成严重影响。地表沉陷有较大的几率会引发泥石、滑坡等地质灾害。煤矿地表沉陷不仅对土地资源和农业生产造成直接破坏，还对建筑物的安全构成威胁，同时对当地的社会稳定和经济发展产生深远影响。因此，煤矿地表沉陷的危害是相当大的，需要采取有效的治理措施来减轻其影响。

2、因此，有必要理解一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，了解采动覆岩裂隙场在不同覆岩条件下的发育规律，建立了统一的拓扑模型来表征描述。通过表征方程确定上覆岩层裂隙场是否存在离层区及其层位，科学指导在离层区精准注浆控制地表沉陷和保护矿区生态。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了控制煤矿开采岩层破坏移动和控制地表沉陷造成的地表和建筑物的破坏，保护矿区生态。

2、本发明提出了一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，根据在矿井水文孔布置光纤监测的不同层位采动支承压力和各岩层力学参数，判定采动覆岩裂隙场拐点层位及凹凸性，得出不同地质条件下采煤覆岩裂隙场的演化形态，采用统一拓扑模型表征采动覆岩裂隙场分布，确定上覆岩层裂隙场是否存在离层区及其层位，科学指导在离层区精准注浆控制地表沉陷和保护矿区生态。

3、为实现上述目的，而设计了一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法：

4、(1)在矿井水文观测孔布置光纤监测煤层开采过程中不同层位采动支承压力变化规律；

5、(2)由浅到深逐个岩层判别采动覆岩裂隙场的拐点；

6、(3)根据覆岩破坏形态拐点判定，得知不同地质条件下采煤覆岩裂隙场存在三种演化形态，但不同地质条件下采煤覆岩层裂隙场演化形态，可以统一用拓扑模型表征：

7、

8、其中hpks主关键层；h<ks>亚关键层；

9、(4)当上覆各岩层的最大采动支承压力σmax大于岩层的单轴抗压强度σc时，采动覆岩裂隙场无拐点时，为浅部开采其各参数计算公式；

10、cⅰ＝-(3aⅰhcoal2+2bⅰhcoal)；dⅰ＝xsurface2；

11、其中htopsoil为表层土埋深；hcoal为煤层埋深；xcoal为煤层运动边界点的正横坐标；xtopsoil为基岩上界面沉降边界点的正横坐标；xsurface为地表沉降边界点的正横坐标；xcoal，xtopsoil，xsurface可由d为煤层开挖宽度；m为煤层厚度；为煤层摩擦角；为主关键层上部软弱岩层的平均内摩擦角；表土摩擦角；

12、(5)浅部开采且上覆岩层中不存在关键层，可以在采空区注浆；

13、(6)当相邻两个岩层的最大采动支承压力σmax和单轴抗压强度σc由σmax＞σc变为σmax＜σc，该两岩层分界线为覆岩裂隙场的凸拐点，如果继续逐层判断，深部岩层均满足σmax＜σc，此时覆岩裂隙场只存在一对凸拐点覆岩移动存在一对拐点，为常规开采其各参数计算公式；

14、cⅱ＝-(3aⅱhcoal2+2bⅱhcoal)；dⅱ＝xcoal2-aⅱhcoal3-bⅱhcoal2-cⅱhcoal；

15、其中hpks为主关键层埋深；xpks为主关键层移动边界点的正横坐标；xpks可由θ为主关键层与煤层之间岩层的破坏面角；

16、(7)常规开采且上覆岩层存在关键层，可以在拐点所在关键层下部离层区注浆；

17、(8)当浅部相邻两个岩层的最大采动支承压力σmax和单轴抗压强度σc由σmax＞σc变为σmax＜σc，并且深部岩层由σmax＜σc变为σmax＞σc，此时覆岩裂隙场存在两对拐点，浅部岩层转折点为裂隙场凸拐点，深部岩层转折点为裂隙场凹拐点，为深部开采其各参数计算公式；

18、cⅲ＝-(3aⅲh<ks>2+2bⅲh<ks>)；dⅲ＝xexcavation2-aⅲhexcavation3-bⅲhexcavation2-cⅲhexcavation；

19、其中xexcavation为开挖边界正坐标；xexcavation＝d/2；hexcavation为煤层下边界埋深；x<ks>为拐点的正横坐标；x<ks>可由为凹拐点以深岩层的平均内摩擦角；

20、(9)深部开采且上覆岩层存在关键层，可以在第一层关键层浅部凸拐点下的离层区注浆；

21、(10)注浆可以控制地表沉陷和保护矿区生态。

22、所述的光纤布置要位于采煤工作面宽度的中间区域附近，且光纤与岩层之间要固定，不能发生相对滑移。

23、所述的根据不同地质条件下采动覆岩裂隙场形态，可以准确的找到注浆位置，实现控制岩层移动和保护矿区生态。

24、所述的了解不同覆岩条件下的裂隙场发育规律，可以更好的弄清楚岩层内部的移动规律对于控制地表沉陷具有重要意义。

技术特征：

1.一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其包含：

2.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中各岩层的最大采动支承压力σmax大小与上覆岩层的岩性、开采深度、开采方法等因素有关，取值范围一般为1～5倍的初始地应力。

3.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中浅部开采的范围150m～300m，常规开采的范围300m～700m，深部开采的范围大于700m。

4.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中浅部表土层内摩擦角的范围10°～40°，深部基岩主要包含泥岩和砂岩两类，泥岩内摩擦角的范围20°～30°，砂岩内摩擦角的范围30°～45°。

5.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中光纤布置要位于采煤工作面宽度的中间区域附近，且光纤与岩层之间要固定，不能发生相对滑移。

6.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中根据不同地质条件下采动覆岩裂隙场形态，可以确定离层区注浆位置在浅部凸拐点关键层下离层区，实现控制岩层移动和保护矿区生态。

7.根据权利要求1所述的一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法，其中各岩层的单轴抗压强度σc为岩体的单轴抗压强度，其约为实验室测试岩块单轴抗压强度的0.5～0.7倍。

技术总结
本发明专利属于煤矿开采岩层破坏移动控制及矿区生态保护领域。具体涉及一种不同地质条件下采煤覆岩裂隙场演化表征统一拓扑模型及方法。本发明的核心是建立了描述不同地质条件下采煤覆岩裂隙场空间分布的统一拓扑模型，该模型中的拓扑参数均可根据上覆岩层结构和力学参数定量计算，突破了传统岩层移动预测模型中多数参数为经验取值的瓶颈。根据在矿井水文孔布置光纤监测的不同层位采动支承压力和各岩层力学参数，判定采动覆岩裂隙场拐点层位及凹凸性，得出不同地质条件下采煤覆岩裂隙场的演化形态，采用统一拓扑模型表征采动覆岩裂隙场分布，确定上覆岩层裂隙场是否存在离层区及其层位，科学指导在离层区精准注浆控制地表沉陷和保护矿区生态。

技术研发人员：孙运江,谭越,左键平,许宏帆,靳思维,潘锐,申小龙,翟辰翔
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/12/19