一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，涉及煤矿安全技术领域。该基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，包括如下步骤：步骤一、确定采动支承压力在覆岩中传递规律；步骤二、确定覆岩的最大主应力、最小主应力和最大剪应力及分布；步骤三、确定工作面覆岩破坏高度。本发明专利技术采用理论分析的手段提高工作面覆岩破坏高度预测的准确性和科学性，工作面覆岩破坏高度预测结果可靠性高，方法所需基础参数均可通过实测或计算得出，实测数据获取容易，具有极高的适用性和技术经济性，对防治矿井突水等灾害具有重要意义，工程应用推广价值高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法
本专利技术涉及煤矿安全
，具体地说是涉及一种特别适用于浅埋大采高工作面的基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法。
技术介绍
在煤矿安全生产中，预测覆岩破坏高度对矿井保水采煤、顶板水害防治和地表塌陷控制等方面具有积极的指导意义，直接关系到煤矿开采的生产安全，尤其是随着我国煤炭战略向西部转移后浅埋大采高综采面极易引起突水溃沙等问题。因此，精准预测覆岩破坏高度是实现矿井安全生产的重要基础和前提。覆岩破坏高度(覆岩破坏发育高度)与采矿地质条件等众多因素有关，目前通过理论分析、试验分析、数值模拟与现场实测方法积累了一系列丰富的研究成果和实践经验。我国应用最为普遍的覆岩三带计算方法是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式，该方法由刘天泉院士根据大量实测数据运用回归分析得到的，但该方法考虑采高单一因素的影响，忽略了其他因素，且选择的数据具有地域局限性，主要集中于我国中东部地区；西部矿区采煤工作面主要为浅埋大采高工作面，在实际应用中，西部矿区常出现突水溃沙问题，表明该方法难以适用于浅埋大采高工作面覆岩三带的预测。综上可知，经验公式不能直接应用于浅埋大采高工作面，现场实测虽然可靠性较大，但因人力与财力的耗费大导致适用范围小，数值模拟缺乏可靠性与科学性，往往需要实测数据进行验证。鉴于此，有必要提出一种科学性强、可靠性高的工作面覆岩破坏高度确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，提高工作面覆岩破坏高度预测的准确性，以保障工作面的安全生产。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术解决方案如下：一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，包括如下步骤：步骤一、确定采动支承压力在覆岩中传递规律步骤11、获取工作面采动支承压力分布特征曲线，将工作面采动支承压力分布特征曲线采用线性函数描述，得到简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线；根据简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线，工作面煤壁前方应力先上升至应力峰值再逐渐减小至原岩应力保持不变；定义：工作面前方支承压力影响范围为d1+d2；工作面前方原岩应力至应力峰值的范围为d1，为阶段Ⅰ；工作面煤壁至应力峰值位置的范围为d2，为阶段Ⅱ；工作面煤壁后方悬露岩层的范围为d3，为阶段Ⅲ；采空区已冒落矸石承受压实区的范围为d4，为阶段Ⅳ；步骤12、获取工作面当前开采条件下的应力集中系数K、工作面前方支承压力影响范围d1+d2、工作面煤壁至应力峰值位置的范围d2和工作面煤壁后方悬露岩层的范围d3，由力学平衡条件，根据得到采空区已冒落矸石承受压实区的范围d4；步骤13、基本假设均匀性、各向同性假设，连续性假设，无初始应力假设，小变形假设；步骤14、以原岩应力为参照，引入应力增量比其中，λ为应力增量比；p为原岩应力；Δσ为应力增量变化值，Δσ＝σ-p，其中，σ为支承压力；K为应力集中系数；阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的应力增量比采用一次函数表示，阶段Ⅲ的应力增量比为定值，阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的应力增量比表达式为：其中，λ为应力增量比；x为自变量；a为斜率，是常数；b为截距，是常数；步骤15、假定上覆岩层为均质弹性半空间体，沿工作面推进方向取一纵向剖面，该纵向剖面的长度为y，高度为埋深H，厚度取1米形成半平面体，以半平面体为研究对象，将采动支承压力视为施加于该研究对象边界处的外力F，根据弹性力学“半平面体在边界受法向分布力”理论建立覆岩应力计算力学模型，求得工作面覆岩内任一点N处的应力：设应力增量为上覆岩层半平面体边界上任一阶段所受的分布力，它在各点集度为σ；设上覆岩层内任一点N处的坐标为(x，y)，x与y分别为任一点N处距离坐标原点处的铅直与水平距离；与坐标原点相距ξ处，取微小长度dξ，将其上所受的外力dF＝σdξ看作一个微小集中力；工作面覆岩内任一点N处由一个微小集中力所引起的应力：其中，σx、σy、τxy为工作面覆岩内任一点N处由一个微小集中力所引起的应力分量；则工作面覆岩内任一点N处由各个应力增量比所引起的应力变化程度：其中，λx、λy、λxy为工作面覆岩内任一点N处由各个应力增量比所引起的分量；步骤16、根据岩层弱面系数η修正步骤17、将各阶段应力增量比在工作面覆岩内任一点N处所引起的分量进行累加：其中，λxⅠ、λyⅠ、λxyⅠ为工作面覆岩内任一点N处在阶段Ⅰ由各个应力增量比所引起的分量；λxⅡ、λyⅡ、λxyⅡ为工作面覆岩内任一点N处在阶段Ⅱ由各个应力增量比所引起的分量；λxⅢ、λyⅢ、λxyⅢ为工作面覆岩内任一点N处在阶段Ⅲ由各个应力增量比所引起的分量；λxⅣ、λyⅣ、λxyⅣ为工作面覆岩内任一点N处在阶段Ⅳ由各个应力增量比所引起的分量；采用数学分析软件Matlab求得各阶段应力增量比在工作面覆岩内的传递特征；步骤二、确定覆岩的最大主应力、最小主应力和最大剪应力及分布假设工作面覆岩应力状态达到最大剪应力时覆岩发生破坏；步骤21、工作面覆岩内任一点N处的主应力为：其中，λ1为工作面覆岩内任一点N处的最大主应力；λ2为工作面覆岩内任一点N处的最小主应力；步骤22、工作面覆岩内任一点N处的最大剪应力τmax为：步骤23、根据工作面覆岩内任一点N处的最大主应力λ1、工作面覆岩内任一点N处的最小主应力λ2和工作面覆岩内任一点N处的最大剪应力τmax，采用数学分析软件Matlab求得工作面覆岩主最大主应力变化分布、最小主应力变化分布和剪应力变化分布；步骤三、确定工作面覆岩破坏高度工作面覆岩内任一点N处，剪应力先增大再减少；当应力恢复至原岩应力状态后，采动支承压力不再影响覆岩应力变化；以采空区恢复至原岩应力作为特征点，对覆岩三带进行划分；定义剪应力大于0的区域为断裂带，剪应力增高区为垮落带，剪应力为0的区域为弯曲下沉带，采用数学分析软件Matlab划分工作面覆岩的断裂带、垮落带和弯曲下沉带的分布，以得到工作面覆岩的断裂带和垮落带的高度。本专利技术的有益技术效果是：本专利技术的基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，采用理论分析的手段提高工作面覆岩破坏高度预测的准确性和科学性，工作面覆岩破坏高度预测结果可靠性高，方法所需基础参数均可通过实测或计算得出，实测数据获取容易，具有极高的适用性和技术经济性，对防治矿井突水等灾害具有重要意义，工程应用推广价值高。附图说明图1为本专利技术实施例基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法的流程图；图2为本专利技术实施例采动支承压力分布特征曲线图；图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、确定采动支承压力在覆岩中传递规律/n步骤11、获取工作面采动支承压力分布特征曲线，将工作面采动支承压力分布特征曲线采用线性函数描述，得到简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线；/n根据简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线，工作面煤壁前方应力先上升至应力峰值再逐渐减小至原岩应力保持不变；定义：工作面前方支承压力影响范围为d

【技术特征摘要】
1.一种基于半平面体理论的工作面覆岩破坏高度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定采动支承压力在覆岩中传递规律
步骤11、获取工作面采动支承压力分布特征曲线，将工作面采动支承压力分布特征曲线采用线性函数描述，得到简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线；
根据简化后的工作面采动支承压力分布特征曲线，工作面煤壁前方应力先上升至应力峰值再逐渐减小至原岩应力保持不变；定义：工作面前方支承压力影响范围为d1+d2；工作面前方原岩应力至应力峰值的范围为d1，为阶段Ⅰ；工作面煤壁至应力峰值位置的范围为d2，为阶段Ⅱ；工作面煤壁后方悬露岩层的范围为d3，为阶段Ⅲ；采空区已冒落矸石承受压实区的范围为d4，为阶段Ⅳ；
步骤12、获取工作面当前开采条件下的应力集中系数K、工作面前方支承压力影响范围d1+d2、工作面煤壁至应力峰值位置的范围d2和工作面煤壁后方悬露岩层的范围d3，由力学平衡条件，根据



得到采空区已冒落矸石承受压实区的范围d4；
步骤13、基本假设
均匀性、各向同性假设，连续性假设，无初始应力假设，小变形假设；
步骤14、以原岩应力为参照，引入应力增量比
其中，
λ为应力增量比；
p为原岩应力；
Δσ为应力增量变化值，Δσ＝σ-p，其中，σ为支承压力；
K为应力集中系数；
阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的应力增量比采用一次函数表示，阶段Ⅲ的应力增量比为定值，阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的应力增量比表达式为：



其中，
λ为应力增量比；
x为自变量；
a为斜率，是常数；
b为截距，是常数；
步骤15、假定上覆岩层为均质弹性半空间体，沿工作面推进方向取一纵向剖面，该纵向剖面的长度为y，高度为埋深H，厚度取1米形成半平面体，以半平面体为研究对象，将采动支承压力视为施加于该研究对象边界处的外力F，根据弹性力学“半平面体在边界受法向分布力”理论建立覆岩应力计算力学模型，求得工作面覆岩内任一点N处的应力：
设应力增量为上覆岩层半平面体边界上任一阶段所受的分布力，它在各点集度为σ；
设上覆岩层内任一点N处的坐标为(x，y)，x与y分别为任一点N处距离坐标原点处的铅直与水平距离；
与坐标原点相距ξ处，取微小长度dξ，将其上所受的外力dF＝σdξ看作一个微小集中力；
工作面覆岩...

【专利技术属性】
技术研发人员：邸帅，邸晟钧，付恩三，宋冠楠，时宝，刘懿，包若羽，
申请(专利权)人：应急管理部信息研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11