1.一种相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,通过结合关键层理论和充分采动概念判断相邻工作面开采影响下是否存在顶板突水风险,具体包括如下步骤:步骤1、收集工作面钻孔柱状资料;
步骤2、根据关键层理论,进行工作面覆岩中硬岩层的位置识别和关键层识别;
步骤3、根据关键层充分采动概念由下向上计算关键层发生破断的工作面临界尺寸;具体过程为:步骤3.1、计算自由空间高度,公式为:
(5);
式中, 为第 层关键层下方的自由空间; 为采高; 为煤层上方第 层岩层的岩石残余碎胀系数; 为第 层关键层的岩层编号; 为第 层岩层的厚度;
步骤3.2、计算最大挠度,公式为:
(6);
式中, 为最大挠度; 为第 层关键层承受的载荷; 为第 层关键层的悬露距;
为第 层关键层的弹性模量; 为第 层关键层的横截面对中性轴的惯性矩; 为求最大值;
上覆岩层中第 层关键层断裂必须同时满足以下2个条件:(7);
式中, 为第 层关键层的极限跨距; 满足如下公式:(8);
步骤3.3、计算第 层关键层岩石发生破断的工作面临界尺寸,公式为:(9);
式中, 为第 层关键层发生破断的工作面临界尺寸; 为岩层破断角;
步骤4、基于相邻工作面复合宽度与工作面覆岩结构预测工作面导水裂隙带最大发育高度;
步骤5、根据保护层厚度对相邻两工作面进行风险评价。
2.根据权利要求1所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤1中,工作面钻孔柱状资料中包括工作面岩层的厚度与埋深、工作面综合岩层物理力学参数;工作面综合岩层物理力学参数包括容重、弹性模量、抗拉强度。
3.根据权利要求1所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤2的具体过程为:步骤2.1、采用刚度识别,得到工作面覆岩中硬岩层的位置;
步骤2.2、基于强度识别进行关键层识别;强度识别通过比较硬岩层的破断距来判断硬岩层是否随下层关键层的破断而同步破断,不随下方关键层破断的硬岩层即为工作面覆岩关键层。
4.根据权利要求3所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤2.1的具体过程为:步骤2.1.1、用 表示岩层由下向上的编号,则刚度识别的位置公式为:(1);
式中, 、 分别为第 层、第 层岩层的弹性模量; 为第 层岩层的厚度; 、 分别为第 层、第 层岩层的容重; ;
步骤2.1.2、在进行具体的刚度识别时,从煤层上方第1层岩层开始向上逐层计算及 ,当第 层岩层满足公式(1)时则不再向上计算,此时第 层岩层为第1层硬岩层;
步骤2.1.3、从第1层硬岩层开始,按照与步骤2.1.2相同的方式继续确定第2层硬岩层的位置,以此类推,直至确定出最上一层硬岩层。
5.根据权利要求4所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤2.2的具体过程为:步骤2.2.1、用 表示硬岩层由下向上的编号,则第 层硬岩层的破断距公式为:(2);
(3);
(4);
式中, 为第 层硬岩层的破断距; 为第 层硬岩层的极限跨距; 为第 层硬岩层距离煤层上表面的距离; 为第 层硬岩层的厚度; 为第 层硬岩层的抗拉强度; 为第层硬岩层承受的载荷; 为第 层硬岩层的弹性模量; ;、 分别为上方倒数第二层、最上面一层硬岩层的编号; 为第 层硬岩层的容重;
步骤2.2.2、对各硬岩层的破断距进行比较,进行关键层识别;
步骤2.2.3、将识别得到的工作面覆岩关键层从下到上依次编号为关键层1、关键层
2、……、关键层 。
6.根据权利要求5所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤2.2.2的具体过程为:步骤2.2.2.1、编号 的硬岩层为最下面一层硬岩层,将最下面一层硬岩层定义为关键层1;
步骤2.2.2.2、对编号 的硬岩层进行破断距比较;即从第二层硬岩层开始,将第 层硬岩层的破断距 与其上方第 层硬岩层的破断距 进行比较:若 ,此时第 层硬岩层不随下方关键层破断,则第 层硬岩层为关键层;
若 ,则将第 层硬岩层承受的载荷加到第 层硬岩层上,重新计算第层硬岩层的破断距;若重新计算的第 层硬岩层的破断距小于第 层硬岩层的破断距,则取 ;说明此时第 层硬岩层破断受控于第 层硬岩层,即第 层硬岩层破断前,第 层硬岩层不破断,一旦第 层硬岩层破断,其载荷作用于第 层硬岩上,导致第 层硬岩随之破断;此时第 层硬岩层不是关键层;
步骤2.2.2.3、按照步骤2.2.2.2的过程继续判断下一个硬岩层,直到最后一个硬岩层,判断结束后,得到所有的关键层。
7.根据权利要求6所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤4的具体过程为:步骤4.1、计算前置工作面及后置工作面的复合宽度 :;
式中, 为前置工作面宽度; 为后置工作面宽度; 为煤柱宽度;
步骤4.2、从第 层关键层开始进行逐层判断;具体判断规则为:若 ,说明第 层关键层不发生断裂,那么导水裂隙带不会向上发展,只能发育到当前关键层,工作面导水裂隙带最大发育高度为当前关键层高度,需要进行步骤5的风险评价;
若 ,说明关键层发生断裂,导水裂隙带继续向上发展,工作面导水裂隙带最大发育高度为上部未发生断裂的关键层高度,此时需要对 进行加1的操作,进入下一个关键层继续进行判断,直到工作面临界尺寸大于复合宽度,或判断到主关键层,若主关键层也发生断裂,说明所有关键层都发生了断裂,直接判定为突水风险性高;同步判断前置工作面是否存在发生滞后突水的风险,若 且 时,后置工作面的开采重复扰动会导致前置工作面的导水裂隙带最大发育高度升高至上部未发生断裂的关键层高度,此时判定前置工作面具备滞后突水的风险性,需要进行步骤5的风险评价。
8.根据权利要求7所述相邻工作面开采影响下的顶板突水风险判识方法,其特征在于,所述步骤5中,通过比较工作面所需保护层厚度与工作面实际保护层厚度的大小,对工作面是否存在顶板突水风险进行判识;
预先已知采出煤层厚度,所需保护层厚度为采出煤层厚度的倍数;倍数关系的规则如下:对于覆岩岩性为坚硬的情况,若松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的4倍;若松散层底部黏性土层厚度小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的5倍;若松散层全厚小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的6倍;若松散层底部无黏性土层,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的7倍;
对于覆岩岩性为中硬的情况,若松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的3倍;若松散层底部黏性土层厚度小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的4倍;若松散层全厚小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的5倍;若松散层底部无黏性土层,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的6倍;
对于覆岩岩性为软弱的情况,若松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的2倍;若松散层底部黏性土层厚度小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的3倍;若松散层全厚小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的4倍;若松散层底部无黏性土层,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的5倍;
对于覆岩岩性为极软弱的情况,若松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的2倍;若松散层底部黏性土层厚度小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的2倍;若松散层全厚小于累计采厚,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的3倍;若松散层底部无黏性土层,则所需保护层厚度为采出煤层厚度的4倍;
实际保护层厚度为工作面基岩厚度减去工作面导水裂隙带最大发育高度,工作面基岩厚度预先通过三维地震勘探技术获得,工作面导水裂隙带最大发育高度根据步骤4计算得到;
若实际保护层厚度大于等于所需保护层厚度,则判定顶板突水风险性低;若实际保护层厚度小于所需保护层厚度,则判定顶板突水风险性高。