[发明专利]一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法

说明书

本发明公开了一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，包括：1、建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；2、建立动载应力在岩层内传播衰减的数学模型，获得随传播距离的增加其强度衰减规律；3、基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；4、将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。本发明确定采空区一侧煤层内动载应力强度的解析解，考虑了支承应力、煤岩属性、结构面属性、动载应力波参数的影响，能高效、精准预测动载应力强度分布。

技术领域

本发明涉及井下动载应力强度预测技术领域，特别是涉及一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法。

背景技术

采场顶板活动是矿山压力显现的根源，当地下工程结构(巷道围岩、回采工作面、支护体、采空区顶板等)的强度和刚度不足以承载时，结构将从一种力学平衡状态演化为另一种平衡状态，演化的本质是结构改变引起应力场、位移场、裂隙场的改变，演化的结果是不同等级、不同类别的矿山压力显现(冒顶、片帮、底鼓、沉降、瞬时大变形、冲击矿压、支护体失效等)，演化的效应是危害井下工作人员的生命安全，制约矿井的安全高效生产。

采动坚硬顶板断裂、结构失稳过程中不仅在未开采煤层内形成支承应力，而且伴随动载应力的波扰，当动载作用于承压状态的煤系地层时，作用区域内的煤岩体振动离开平衡位置，与邻近煤岩体发生了相对运动，将受到邻近煤岩体给予的作用力，同时也给邻近煤岩体以反作用力，使邻近煤岩体也振动离开平衡位置，这种振动以应力波的形式向周围煤岩层传播，当动载应力强度足够大时，邻空巷道等井下开挖空间将受到安全威胁，严重时会出现冲击矿压等煤岩动力灾害。

受介质属性、层间结构面、入射角度、传播距离等因素的影响，应力波强度呈衰减趋势，掌握其在煤岩体内的时空演化规律，对地下固体矿产资源安全高效开采具有重要的指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种经济实用、操作高效、精度较高的采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法。

本发明的采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，包括以下步骤：

第一步：基于应力波在层状岩层中的传递理论，建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；

第二步：基于应力波在固体介质中传播的吸收理论，建立动载应力在岩层内传播衰减的平衡微分方程，求解该平衡微分方程的数学模型，获得动载应力随传播距离增加的强度衰减规律；

第三步：基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；

第四步：将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。

进一步的，所述第一步中，动载应力穿越层间结构面时的强度衰减规律T_i为：

式中：

T_i、动载应力穿越第i层层间结构面时的衰减系数，单位：1；

i、第i层层间结构面和岩层，单位：层；

v_TPi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射纵波的振动速度大小，单位：m/s；

v_IPi、动载应力穿越第i层层间结构面时入射纵波的振动速度大小，单位：m/s；

求解v_TPi和v_IPi的迭代公式为：