[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

摘要

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。

主权项

1.一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，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hmax，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，°；α、两层煤的倾角；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，σθ—环向应力，kg/cm2；σr—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：式中：c—围岩的粘结力，kg/cm²；—内摩擦角，°；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；将式(3)代入式(2)得该方程通解如式(4)所示：c1为待定常数，根据边界条件来确定：在巷道周边上，r＝r0，σr＝Pi；Pi是支架对围岩的反力；r0是指塑性区内某一特定半径值；将r0和Pi代入式(4)得式(5)：b4、将式(5)代入式(3)、(4)得塑性区应力如式(6)所示：b5、将式(6)代入弹性应力满足的条件σr+σθ＝2P0得式(7)：c、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L将围岩分为小松动圈、中松动圈和大松动圈；所述的小松动圈是指0≤L≤40cm；所述的中松动圈是指40＜L≤150cm，所述的大松动圈是指L＞150cm；d、基于步骤a所述的上部煤层采动对底板的破坏程度和步骤b所述的下方采动对顶板的破坏程度，即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HG，其根据式(8)计算获得：HG＝hmax+L  (8)；即当煤层间距hc≤HG时，巷道顶板视为次生顶板力学结构；当hc＞HG时，则视为原生顶板力学结构。