CN112610278B - 非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法，首先收集整个开采区域内全部已有的钻孔柱状图资料，对全部钻孔柱状图进行关键层判别，将得到各个钻孔柱状的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D，在此基础上通过距离加权插值可求任意点处的H与D，获得相同煤层不同工作面上覆非均匀关键层结构特征，当工作面上覆关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D确定的条件下，则可得到与工作面相距距离L时的煤层应力为P(H,D,L)，设定某个应力集中系数判据K，将达到该判据时的距离视为临界影响距离LK，认为小于该距离的区域为煤层动力灾害影响区域。本发明能够为采场动力灾害防治提供重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全防治技术领域，具体涉及一种非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法。
背景技术
在煤层工作面开采前，整个上覆岩层处于一种应力平衡状态，工作面开采后原始应力平衡状态被破坏，从而引起应力的重新分布，导致上覆岩层出现垮落、裂隙、离层及弯曲等，随着工作面开采的不断推进，这种复杂的物理力学过程不断重复，覆岩破坏在时空上发生转移，从直接顶逐渐向上不断发展直至地表。
由于煤层上方存在多个岩层，而对煤层开采后起主要影响的是岩层为厚度较大的坚硬岩层，即所谓的关键层。假如煤层为水平分布，但其上覆关键层结构存在非均匀分布特征时，则在同一煤层的不同回采工作面上方关键层结构则可能存在较大差异，因此在分析不同回采工作面的开采扰动影响时，不能将上覆关键层结构进行均化处理，需要充分考虑上覆关键层的厚度及其与煤层间距等结构特征。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法，包括如下步骤：
S1、收集开采区域内全部已有钻孔的钻孔柱状图资料；
S2、根据步骤S1收集的已有钻孔的钻孔柱状图资料，对全部钻孔柱状图进行关键层判别，判别得到各个钻孔柱状图所对应的煤层深度H0、关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；
S3、在已有钻孔的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D的基础上，通过反距离加权插值的方法求取开采区域内任意点处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；
S4、假设开采区域的煤层为水平分布，即开采区域内不同工作面的煤层深度均相同，记为H0；在步骤S3中得到的关键层厚度等高线及关键层与煤层之间的间距等高线的基础上，得出不同工作面上覆关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D的非均匀分布特征；
S5、通过三维数值模拟得到每个具体的工作面，每个工作面具有不同的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；记与工作面的水平距离为L的煤层的采动应力为P(H,D,L)；设定应力集中系数判据为K，煤层的采前应力为P0＝γH0，其中γ为岩层的容重；将满足P(H,D,L)/P0＝K的距离L视为临界影响距离LK；
S6、对于距离工作面LK处的煤层，将与该煤层所在平面的水平距离小于或等于LK的区域视为煤层动力灾害影响区域，大于LK的区域视为非煤层动力灾害影响区域。
进一步地，步骤S3的具体过程如下：
设已有钻孔i在井田平面上的坐标为(xi,yi)，该钻孔的关键层厚度为H(xi,yi)，关键层与煤层之间的间距为D(xi,yi),通过距离加权插值求取开采区域内任意点R处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D：
S3.1、设任意点R在井田平面的坐标为(x,y)，点R与已有钻孔i的距离di为：
S3.2、计算点R与每个已有钻孔i的距离权重：
n为已有钻孔的数量；
S3.3、计算点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)：
S3.4、根据计算得到的任意点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)，生成得到整个开采区域内的关键层厚度等高线及关键层与煤层之间的间距等高线。
进一步地，步骤S5中，岩层的容重通过钻孔取芯后的力学测试得到。
本发明的有益效果在于：本发明方法考虑上覆关键层厚度及关键层与煤层之间的间距等结构的非均匀分布特征，避免了因关键层结构均化处理后造成对工作面开采后的煤层动力灾害影响区域无差异判断，从而导致的判别结果出现差错的问题。本发明判别方法简单，能够很好解释相同煤层不同工作面开采后发生动力灾害的区域却可能存在差异，能够为采场动力灾害防治提供重要依据。
附图说明
图1为本发明实施例中的方法流程图；
图2为本发明实施例中开采区域内钻孔分布图；
图3为本发明实施例中开采区域内任意位置的关键层厚度及关键层与煤层之间的间距的反距离加权插值示意图；
图4为本发明实施例中插值后得到的开采区域内关键层厚度等高线图；
图5为本发明实施例中插值后得到的开采区域内关键层与煤层间距等高线图；
图6为本发明实施例中非均匀关键层结构下煤层采动应力分布曲线示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本实施例提供一种非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、收集开采区域内全部已有钻孔的钻孔柱状图资料。如图2所示为本实施例中开采区域内已有钻孔的分布图，本实施例中收集的是图2中所有已有钻孔的钻孔柱状图资料。
S2、根据步骤S1收集的已有钻孔的钻孔柱状图资料，对全部钻孔柱状图进行关键层判别，判别得到各个钻孔柱状图所对应的煤层深度H0、关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；
S3、在已有钻孔的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D的基础上，通过反距离加权插值的方法求取开采区域内任意点处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D,如图3中所示；
设已有钻孔i在井田平面上的坐标为(xi,yi)，该钻孔的关键层厚度为H(xi,yi)，关键层与煤层之间的间距为D(xi,yi),根据这些离散点的值,通过距离加权插值求取开采区域内任意点R处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D：
S3.1、设任意点R在井田平面的坐标为(x,y)，点R与已有钻孔i的距离di为：
S3.2、计算点R与每个已有钻孔i的距离权重：
n为已有钻孔的数量；
S3.3、计算点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)：
S3.4、根据计算得到的任意点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)，生成得到整个开采区域内的关键层厚度等高线(如图4所示)及关键层与煤层之间的间距等高线(如图5所示)；
S4、假设开采区域的煤层为水平分布，即开采区域内不同工作面的煤层深度均相同，记为H0，在步骤S3中得到的关键层厚度等高线及关键层与煤层之间的间距等高线的基础上，可得出不同工作面上覆关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D存在非均匀分布特征；
S5、通过三维数值模拟得到每个具体的工作面，每个工作面具有不同的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；记与工作面的水平距离为L的煤层的采动应力为P(H,D,L)(如图6所示)；设定应力集中系数判据为K，煤层的采前应力为P0＝γH0，其中γ为岩层的容重，可通过钻孔取芯后的力学测试得到；将满足P(H,D,L)/P0＝K的距离L视为临界影响距离LK；
S6、对于距离工作面LK处的煤层，将与该煤层所在平面的水平距离小于或等于LK的区域视为煤层动力灾害影响区域，大于LK的区域视为非煤层动力灾害影响区域。
如图6所示，将工作面W1与工作面W2的上覆关键层分布特征进行对比，上覆关键层厚度H较小且关键层与煤层之间的间距D较大时的工作面W1，在开采后的煤层采动应力曲线1，满足P1(H,D,L)/P0＝K条件时的距离L即为该工作面开采后的临界影响距离LK1；上覆关键层厚度H较大且关键层与煤层之间的间距D较小时的工作面W2开采后的煤层采动应力曲线2，满足P2(H,D,L)/P0＝K条件时的距离L即为该工作面开采后的临界影响距离LK2；显然LK1<LK2，因此可以看出，本实施例方法实现了非均匀关键层结构下，相同煤层不同工作面开采后对煤层动力灾害影响区域的判断。
该方法考虑上覆关键层厚度及关键层与煤层之间的间距等结构的非均匀分布特征，避免了因关键层结构均化处理后造成对工作面开采后的煤层动力灾害影响区域无差异判断，从而导致判别结果出现差错的问题。上述实施例判别方法简单，能够很好解释相同煤层不同工作面开采后发生动力灾害的区域却可能存在差异，能够为采场动力灾害防治提供重要依据。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.非均匀关键层结构对煤层动力灾害影响区域的判断方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、收集开采区域内全部已有钻孔的钻孔柱状图资料；
S2、根据步骤S1收集的已有钻孔的钻孔柱状图资料，对全部钻孔柱状图进行关键层判别，判别得到各个钻孔柱状图所对应的煤层深度H0、关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；
S3、在已有钻孔的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D的基础上，通过反距离加权插值的方法求取开采区域内任意点处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；
S4、假设开采区域的煤层为水平分布，即开采区域内不同工作面的煤层深度均相同，记为H0；在步骤S3中得到的关键层厚度等高线及关键层与煤层之间的间距等高线的基础上，得出不同工作面上覆关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D的非均匀分布特征；
S5、通过三维数值模拟得到每个具体的工作面，每个工作面具有不同的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D；记与工作面的水平距离为L的煤层的采动应力为P(H,D,L)；设定应力集中系数判据为K，煤层的采前应力为P0＝γH0，其中γ为岩层的容重；将满足P(H,D,L)/P0＝K的距离L视为临界影响距离LK；
S6、对于距离工作面LK处的煤层，将与该煤层所在平面的水平距离小于或等于LK的区域视为煤层动力灾害影响区域，大于LK的区域视为非煤层动力灾害影响区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：
设已有钻孔i在井田平面上的坐标为(xi,yi)，该钻孔的关键层厚度为H(xi,yi)，关键层与煤层之间的间距为D(xi,yi),通过距离加权插值求取开采区域内任意点R处的关键层厚度H及关键层与煤层之间的间距D：
S3.1、设任意点R在井田平面的坐标为(x,y)，点R与已有钻孔i的距离di为：
S3.2、计算点R与每个已有钻孔i的距离权重：
n为已有钻孔的数量；
S3.3、计算点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)：
S3.4、根据计算得到的任意点R对应的关键层厚度H(x,y)及关键层与煤层之间的间距D(x,y)，生成得到整个开采区域内的关键层厚度等高线及关键层与煤层之间的间距等高线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，岩层的容重通过钻孔取芯后的力学测试得到。
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