[发明专利]基于倾斜煤层开采的次生顶板结构定量分析及其评判方法

说明书

本发明公开了一种基于倾斜煤层开采的次生顶板结构定量分析及其评判方法，属于煤矿煤层开采技术领域。其解决了现有技术中倾斜煤层开采过程中所面临的诸多生产难题。本发明评判方法包括：首先确定上部煤层采动对底板的破坏程度，然后确定下方采动对顶板的破坏程度，即下方采动对顶板的破坏高度，利用巷道围岩松动圈理论来展开分析等；接着对巷道围岩松动圈进行实测、分析，进一步依据松动圈的大小将围岩分为小松动圈、中松动圈和大松动圈；最后，通过双重采动的影响综合确定动压次生顶板结构分类指标。本发明对于采空区下近距离倾斜煤层巷道围岩控制、保证矿井安全高效生产具有极其重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及煤矿煤层开采技术领域，具体涉及一种基于倾斜煤层开采的次生顶板结构定量分析及其评判方法。

背景技术

近距离煤层下行开采期间，下部煤层巷道在重复采动的剧烈影响下，形成了动压巷道以及上部煤层开采后采空区矸石形成的次生顶板结构。与单一煤层开采相比，其顶板覆岩结构及力学机理发生了明显的改变。具体表现为：巷道围岩移近量增加，变形明显，围岩裂隙发育，塑性区范围扩大，矿压显现剧烈，甚至诱发巷道整体失稳垮落或者冲击地压。倾斜煤层开采过程中面临的生产难题必然更多。

发明内容

基于上述现有技术中倾斜煤层在开采过程中所面临的诸多难题，本发明提出了一种基于倾斜煤层开采的次生顶板结构定量分析及其评判方法，该方法对于采空区下近距离倾斜煤层巷道围岩控制、保证矿井安全高效生产具有极其重要的指导意义。

为实现上述目的所需要解决的技术问题为：

针对近距离倾斜煤层下行开采过程中带来的诸多技术难题，首次提出了下部煤层巷道在重复采动影响下形成的一种“次生顶板结构”。如何重点分析巷道顶板距上方采空区的层间距与动压次生顶板结构之间的内在联系；如何实现对次生顶板结构的定量预测及判断；动压次生顶板结构判断标准如何来确定。

为解决上述技术问题，本发明提出了以下技术方案：

基于倾斜煤层开采的次生顶板结构定量分析及其评判方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、确定上部煤层采动对底板的破坏程度，即采空区底板岩层最大塑性破坏深度h_max，通过式(1)计算：

式(1)中，M—采高，m；k—应力集中系数，k＝2；γ—上覆岩层平均容重，kN/m³；H—煤层埋深，m；c—煤层内聚力，MPa；—煤层内摩擦角，°；f—煤层与顶底板摩擦系数，ξ—三轴应力系数，—底板岩层内摩擦角，°。

b、确定下方采动对顶板的破坏程度，即下方采动对顶板的破坏高度，利用巷道围岩松动圈理论来确定，分为以下子步骤：

b1、将巷道开挖后的围岩分为松动圈、塑性区及弹性区；

b2、进行巷道围岩松动圈的理论分析：

岩体经开挖应力重新分布后，使得二次应力出现弹塑性并存的应力分布特点。为了简化理论分析，认为圆形巷道开掘在连续、均质、各向同性、处于原岩应力为P₀的均匀应力场中，当洞壁的二次应力超出岩体的屈服应力，则洞壁岩体产生塑性区，塑性区是一种极限平衡状态，根据弹性力学，各点应力所满足的平衡微分方程如式2所示：

式(2)中，σ_θ—环向应力，kg/cm²；σ_r—径向应力，kg/cm²；r—塑性区内所考察的任意一点的半径，cm。

b3、在塑性区内，由于岩体刚开始破坏，处于极限平衡状态，各点应力都应满足莫尔－库仑强度准则，如式(3)所示：