[发明专利]一种近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距计算方法

摘要

本发明涉及一种近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距计算方法，通过在分析现场强制控顶爆破对基本顶影响的基础上，考虑支架和冒落矸石对基本顶的支撑作用，引入表征支撑作用的特征量，建立符合实际的基本顶岩梁力学分析模型，基于基本顶挠曲线方程及其自身挠曲变形的特点，计算出近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距，本发明使得近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距有了高效准确的计算方式。

主权项

1.一种近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定近水平厚煤层综采采场的基本顶岩层位置采用关键层理论确定近水平厚煤层综采采场上覆岩层的硬岩层，经过对硬岩层破断距的比较分析，确定近水平厚煤层综采采场的基本顶岩层位置：1)确定硬岩层根据关键层的基本几何和物理特征，初步确定“较坚硬的厚岩层”为判别对象，关键层中硬岩层的判别公式为：所述的Ei表示第i层岩层的弹性模量，所述的hi表示第i层岩层的厚度，所述的γi表示第i层岩层的容重；若满足式(1‑1)则可判断第n+1层岩层为硬岩层，依次类推、向上判别，直到确定所有硬岩层；2)确定基本顶位置由式(1‑2)计算每个硬岩层的破断距：式中：lk表示第k层硬岩层的破断距，hk表示第k层硬岩层的厚度，[σt]表示第k层硬岩层的抗拉强度，qk表示第k层硬岩层所承受的载荷；经过对各硬岩层的破断距的比较，确定关键层，一般将覆岩中最靠近煤层的关键层作为基本顶岩层；(2)确定近水平厚煤层综采采场基本顶的岩梁模型结合现场强制控顶爆破的影响实测，确定基本顶岩梁切眼侧约束条件为简支，工作面推进侧约束条件为固支，以建立考虑支架与矸石支撑作用的一端固支、一端简支的基本顶岩梁力学模型；(3)计算基本顶所受上覆岩层载荷计算基本顶岩层直至其上k层岩层对基本顶所施加载荷q，计算公式为所述的E_i表示第i层岩层的弹性模量，h_i表示第i层岩层的厚度，γ_i表示第i层岩层的容重；(4)引入表征支架对基本顶支撑作用的特征量m、t，计算支架对基本顶的支撑力q′＝mq，将支架对基本顶的支撑作用长度表示为t；引入表征冒落矸石对基本顶支撑作用的特征量λ，将冒落矸石支撑力为表示为F＝λqL；所述的m表示支架对基本顶的支撑载荷与基本顶上覆岩层载荷的比值，根据实际支架选型中支护强度和厚煤层开采的高度来选取8至10中的整数，计算公式为m＝19.4‑6P‑0.5M，所述的P为支架支护强度，所述的M为煤层开采高度；所述的t表示支架对基本顶的支撑作用长度，计算中可用支架的控顶距；所述的L表示基本顶的初次破断距；所述的λ表示冒落矸石支撑作用系数，取值范围是0≤λ≤0.5，根据实际煤层开采的高度和直接顶与煤层间直接顶岩层厚度进行选取，计算公式为计算公式为λ＝0.144+0.014M‑0.011D，所述中的M为煤层开采高度，所述中的D为直接顶岩层厚度；(5)以基本顶岩梁左侧A点为坐标原点，向切眼侧为横轴x方向、垂直向上为纵轴y方向，建立在上覆岩层载荷q与支架支撑力q′作用下的基本顶岩梁挠曲方程：当x≤t时，当x>t时，所述的x表示基本顶岩梁向右方向的任意坐标值，w₁表示上覆岩层载荷q与支架支撑力q′作用下的基本顶岩梁挠度，E表示基本顶岩梁的弹性模量，I表示基本顶岩梁的截面惯性矩，R_A、R_B分别表示支架支撑力作用下岩梁左、右侧的支撑反力且R_A＝q′t(8‑4t²/L²+t³/L³)/8，R_B＝q′t‑R_A；(6)经过对上覆岩层载荷q与支架支撑力q′作用下的基本顶岩梁挠度变化进行分析，求解岩梁挠度最大时对应的x的值，作为冒落矸石的支撑位置l1，且l1＝0.6L；(7)在同一坐标系下，叠加上冒落矸石支撑力F作用下基本顶岩梁挠曲方程，得到支架与冒落矸石支撑下的基本顶岩梁挠曲方程，基本顶岩梁在支架上方x₁＝0处和支架后方x₂＝k₁L存在挠曲的极值位置，这两处产生最大拉应力分别为：结合基本顶岩梁破坏的最大拉应力破坏准则，经整理后可得到在支架与冒落矸石支撑条件下基本顶的初次破断距表达式，求解该表达式，得到近水平厚煤层综采采场基本顶初次破断距：1)基本顶破断位置在支架上方时，即x≤t时，2)当基本顶破断位置在支架后方时，即t所述的L表示基本顶的初次破断距、[σ_t]表示基本顶的抗拉强度、h表示基本顶岩梁的厚度，q表示基本顶所受上覆岩层载荷，m表示支架对基本顶的支撑载荷与基本顶上覆岩层载荷的比值，t表示支架对基本顶的支撑作用长度，λ表示冒落矸石支撑作用系数，k₁表示基本顶的破断位置系数，b＝3(4.544λ‑5)，c＝2(3‑4.032λ)，d＝‑8mt³，A＝b²‑24c，B＝bc‑72d，θ＝arccosT，