基于采动覆岩关键层“板-梁”结构的应力场预测方法技术

本发明专利技术属于矿山开采技术领域，具体涉及基于采动覆岩关键层“板

【技术实现步骤摘要】
基于采动覆岩关键层“板
‑
梁”结构的应力场预测方法


[0001]本专利技术属于矿山开采
，具体涉及基于采动覆岩关键层“板
‑
梁”结构的应力场预测方法。

技术介绍

[0002]煤炭开采打破了初始的地应力平衡，引起采场周围及上覆岩层的应力重新分布，从而在采动覆岩形成了应力场。科学准确预测采动覆岩应力场的空间分布，对指导煤与瓦斯突出、冲击地压和巷道变形失稳等灾害的预警与防治具有重要意义。
[0003]现有研究表明，覆岩关键层的赋存条件与破断运动特征决定了应力场的分布。然而目前关于采动覆岩应力场的理论预测方法，集中于预测采场支承压力方面，而煤层支承压力仅是采动覆岩应力场的一小部分，仍无法预测采动条件下覆岩不同层位关键层的采动应力分布。而且现有采场支承压力预测方法，如基于极限平衡理论的支承压力预测方法、基于综合移动角起于支承压力分布边缘的支承压力预测方法、基于Winkler弹性地基梁的支承压力预测方法等，并未考虑覆岩不同层位关键层的特性或简单地将不同层位关键层简化为梁处理，而实际上将弯曲下沉带、实体煤侧等未破断关键层简化为“板”更为符合实际。现有应力场预测方法并不适用于覆岩存在典型厚硬关键层的开采条件，常导致预测结果与现场实测结果相差甚远，尚未建立不同层位关键层破断运动与采动覆岩应力场的定量关系，仍缺乏考虑覆岩不同层位关键层赋存与破断运动特征、采空区形状与尺寸等因素的应力场预测方法。

技术实现思路

[0004]为此，针对现有应力场预测方法所存在的不足，本专利技术提出了基于采动覆岩关键层“板
‑
梁”结构的应力场预测方法，实现对覆岩不同层位关键层和采场支承压力分布的定量预测。
[0005]具体的，本专利技术的预测方法包括如下步骤：
[0006]S1，沿地层层面剖面对采动区域分区，定义沿工作面回采方向为x轴，沿切眼长度方向为y轴，开切眼起始位置为坐标原点；定义矩形采空区区域为Ω2，实体煤侧区域为Ω1，其中实体煤侧极限平衡区范围为Ω
p
，实体煤侧弹性区范围为Ω
e
；采空区的四个端点自坐标原点开始逆时针分别为B1、B2、B3、B4；实体煤侧区域的四个端点逆时针分别为A1、A2、A3、A4，且A1与B1对应；
[0007]S2，利用岩层控制的关键层理论判别上覆岩层关键层的分布，并确定垮落带、裂隙带和弯曲下沉带范围，定义关键层由下至上依次为关键层i，1≤i≤n,i∈N
+
，其中，处于裂隙带的关键层自下而上依次为关键层1至关键层m
‑
1，处于弯曲下沉带的关键层自下而上依次为关键层m至关键层n；
[0008]S3，将实体煤侧不同层位关键层i，1≤i≤n,i∈N
+
，和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i，m≤i≤n,i∈N
+
，简化为多层叠合弹性地基薄板，采空区侧裂隙带不同层位破断
关键层i，1≤i≤m
‑
1,i∈N
+
，简化为多层叠合砌体梁，建立应力场预测模型；
[0009]S4，建立实体煤侧不同层位关键层和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层的多层叠合弹性地基薄板挠度偏微分方程，分别为式(1)和式(2)
[0010][0011][0012]式中，w
i
(x,y)为实体煤侧不同层位关键层i的挠度，m；w
ci
(x,y)为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i的挠度，m；k
i
为不同层位关键层i的地基系数，N/m3；k
cm
为采空区侧关键层m的地基系数，N/m3；q
i
为不同层位关键层i及其载荷层的自重，Pa；D
i
为不同层位关键层i的弯曲刚度，N
·
m；
[0013]S5，确定边界条件式(3)和式(5)，确定连续条件式(4)
[0014][0015][0016][0017]式中，θ
xi
(x,y)和θ
yi
(x,y)分别为实体煤侧弯曲下沉带不同层位关键层i沿x方向和y方向的转角；θ
cxi
(x,y)和θ
cyi
(x,y)分别为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i沿x方
向和y方向的转角；M
xi
(x,y)和M
yi
(x,y)分别为实体煤侧不同层位关键层i沿x方向和y方向的弯矩；M
cxi
(x,y)和M
cyi
(x,y)分别为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i沿x方向和y方向的弯矩；Q
xi
(x,y)和Q
yi
(x,y)分别为实体煤侧不同层位关键层i沿x方向和y方向的剪力；Q
cxi
(x,y)和Q
cyi
(x,y)分别为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i沿x方向和y方向的剪力；l0为裂隙带关键层破断块体的单位宽度，m；l
i
为采空区侧裂隙带不同层位关键层i破断块体的长度，m；
[0018]S6，根据式(6)Winkler弹性地基板挠度、转角、弯矩和剪力之间的关系，利用式(3)和(5)的边界条件以及式(4)的连续性条件，对式(1)和式(2)进行求解，计算出采动覆岩实体煤侧不同层位关键层i的挠曲线方程w
i
(x,y)和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i的挠曲线方程w
ci
(x,y)
[0019][0020]式中，θ
x
(x,y)、θ
y
(x,y)分别为沿x方向和y方向的转角；M
x
(x,y)、M
y
(x,y)分别为沿x方向和y方向的弯矩；Q
x
(x,y)、Q
y
(x,y)分别为沿x方向和y方向的剪力；
[0021]S7，根据Winkler弹性地基薄板挠度、载荷和地基系数间的关系，确定采动覆岩实体煤侧不同层位关键层i和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，分别见式(8)和(9)
[0022][0023][0024]式中，σ
i
(x,y)分别为实体煤侧不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，Pa；σ
ci
(x,y)为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，Pa；
[0025]S8，确定采空区1/4等分区域裂隙带不同层位破断关键层i下的采动应力平面分布方程，1≤i≤m
‑
1,i∈N
+
，式(10)；利用对称性能够得到整个采空区区域Ω2裂隙带不同层位破断关键层i下的采动应力平面分布
[0026][0027]式中，σ
ci
(x,y)为采空区侧裂隙带不同层位破断关键层i下的采动应力平面分布方
程，Pa；
[0028]S9，基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于采动覆岩关键层“板
‑
梁”结构的应力场预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，沿地层层面剖面对采动区域分区，定义沿工作面回采方向为x轴，沿切眼长度方向为y轴，开切眼起始位置为坐标原点；定义矩形采空区区域为Ω2，实体煤侧区域为Ω1；S2，利用岩层控制的关键层理论判别上覆岩层关键层的分布，并确定垮落带、裂隙带和弯曲下沉带范围，定义关键层由下至上依次为关键层i，1≤i≤n,i∈N
+
，其中，处于裂隙带的关键层自下而上依次为关键层1至关键层m
‑
1，处于弯曲下沉带的关键层自下而上依次为关键层m至关键层n；S3，将实体煤侧不同层位关键层i，1≤i≤n,i∈N
+
，和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i，m≤i≤n,i∈N
+
，简化为多层叠合弹性地基薄板，采空区侧裂隙带不同层位破断关键层i，1≤i≤m
‑
1,i∈N
+
，简化为多层叠合砌体梁，建立应力场预测模型；S4，建立实体煤侧不同层位关键层和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层的多层叠合弹性地基薄板挠度偏微分方程，分别为式(1)和式(2)弹性地基薄板挠度偏微分方程，分别为式(1)和式(2)式中，w
i
(x,y)为实体煤侧不同层位关键层i的挠度，m；w
ci
(x,y)为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i的挠度，m；k
i
为不同层位关键层i的地基系数，N/m3；k
cm
为采空区侧关键层m的地基系数，N/m3；q
i
为不同层位关键层i及其载荷层的自重，Pa；D
i
为不同层位关键层i的弯曲刚度，N
·
m；S5，确定边界条件式和连续条件式；S6，根据Winkler弹性地基板挠度、转角、弯矩和剪力之间的关系以及步骤S5确定的边界条件和连续性条件，对式(1)和式(2)进行求解，计算出采动覆岩实体煤侧不同层位关键层i的挠曲线方程w
i
(x,y)和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i的挠曲线方程w
ci
(x,y)；S7，根据Winkler弹性地基薄板挠度、载荷和地基系数间的关系，确定采动覆岩实体煤侧不同层位关键层i和采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，分别见式(8)和(9)分别见式(8)和(9)式中，σ
i
(x,y)分别为实体煤侧不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，Pa；σ
ci
(x,y)为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层i下的采动应力平面分布方程，Pa；S8，确定采空区1/4等分区域裂隙带不同层位破断关键层i下的采动应力平面分布方程，1≤i≤m
‑
1,i∈N
+
，见式(10)；利用对称性能够得到整个采空区区域Ω2裂隙带不同层位破断关键层...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩红凯，刘彦伟，左伟芹，李怀珍，史灿，何艳艳，贾浩杰，胡政权，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：