[發明專利]綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法

在審

• 申請號: 202210568229.X
• 申請日: 2022-05-24
• 公開（公告）號: CN115081189A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 王博楠
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12;E21C41/18;G06F119/14
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

1.綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1、對回撤通道的圍巖變形和應力進行監測，獲取綜采工作面與回撤通道貫通后的頂板下沉量和煤柱應力集中系數；

進行工作面地質結構和礦壓觀測資料分析，確定煤層賦存參數、圍巖力學參數、礦壓參數和工程參數；

步驟2、建立3種不同基本頂破壞形式下的回撤通道圍巖受力模型，推導相應的回撤通道頂板下沉量理論計算公式；

步驟3、將現場頂板下沉量監測數據代入理論計算公式，反演基本頂破斷位置。

2.根據權利要求1所述綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法，其特征在于，步驟1中所述對回撤通道的圍巖變形和應力進行監測具體為：對3～5個監測站的回撤通道的頂板下沉量和煤柱應力變化進行監測，獲得監測數據。

3.根據權利要求1所述綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法，其特征在于，步驟1所述煤柱應力集中系數計算方法為：

其中，k_b為回撤通道煤柱側幫的應力集中系數；σ₀為監測的初始原巖應力；σ_m為綜采工作面與回撤通道貫通后監測得到的峰值應力。

4.根據權利要求1所述綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法，其特征在于，步驟1中所述煤層賦存參數、圍巖力學參數、礦壓參數和工程參數具體包括：直接頂巖層彈性模量E₀、煤層彈性模量E_c、基本頂巖層內摩擦角直接頂巖層重度γ₀、基本頂巖層重度γ₁、直接頂厚度h₀、基本頂破斷后形成的關鍵塊及其上覆巖層厚度h₁、側壓力系數λ、基本頂破斷位置處應力集中系數k、回撤通道埋深H、工作面周期來壓步距即關鍵塊長度l。

5.根據權利要求1所述綜采工作面回撤通道頂板穩定性反演判別方法，其特征在于，步驟2中所述推導相應的回撤通道頂板下沉量理論計算公式包括以下3中情況：

1)當基本頂在工作面后方破斷時，頂板簡化為一邊固支、受均布載荷q₁作用的懸臂巖梁，q₁表示為：

根據懸臂梁撓曲線方程，得到回撤通道跨中撓度，即基本頂在工作面后方破斷時的回撤通道頂板下沉量u₁：

其中d₁為基本頂在工作面后方破斷時的斷裂位置，w₁為回撤通道寬度f₁為回撤通道內垛式液壓支架支護強度，f₂為工作面掩護式液壓支架支護強度；

2)當基本頂在回撤通道與工作面上方破斷時，頂板簡化為一段一邊固支、受均布載荷q₁作用的短懸臂巖梁，以及一段在基本頂破斷后形成的關鍵塊及其上覆巖層荷載q₂作用的回轉下沉巖梁，其中q₂＝γ₁h₁；短懸臂梁部分的頂板下沉量u_2a為：

其中d₂為基本頂在回撤通道上方破斷時的斷裂位置；

回轉下沉巖梁部分的頂板下沉量通過能量守恒原理求解：

W₁+W₂＝W₃+W₄+W₅ (5)

其中，W₁為關鍵塊及其上覆巖層回轉下沉釋放的變形能，W₂為直接頂回轉下沉釋放的變形能，W₃為直接頂吸收的關鍵塊及其上覆巖層釋放的變形能，W₄為回撤通道內垛式液壓支架支撐頂板變形做功，W₅為工作面掩護式液壓支架支撐頂板變形做功；

各部分變形能分別為：

其中α為基本頂回轉角，M為采高，k_c為巖層碎脹系數，w₂為工作面掩護式支架控頂距；

由能量守恒原理，求解回轉下沉巖梁部分的頂板下沉量u_2b為：

將短懸臂巖梁和回轉下沉巖梁的下沉量疊加，得到基本頂在回撤通道上方破斷時的回撤通道頂板下沉量：

3)當基本頂在煤柱上方破斷時，頂板簡化為全段在基本頂破斷后形成的關鍵塊及其上覆巖層荷載q₂作用的回轉下沉巖梁，頂板下沉量同樣可通過能量守恒原理求解：

其中，意義與前述W₁、W₂、W₃、W₄、W₅相同，為煤柱吸收的關鍵塊及其上覆巖層釋放的變形能；

各部分變形能分別為：

其中d₃為基本頂在煤柱上方破斷時的斷裂位置。

由能量守恒原理，得到基本頂在煤柱上方破斷時的回撤通道頂板下沉量u₃為：