[發(fā)明專利]基于上保護層下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310361457.4
• 申請日: 2023-04-07
• 公開（公告）號: CN116401869A
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉彥偉;韓紅凱;左偉芹;史燦;何艷艷;賈浩杰;石釗旗
• 申請（專利權(quán)）人: 河南理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/13;G06F17/12;G06F119/14
• 代理公司: 北京智宇正信知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11876
• 代理人: 李明卓

本發(fā)明屬于礦山開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于上保護層下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法。本發(fā)明將上保護層開采下伏不同層位關(guān)鍵層簡化為多層疊合彈性地基板，考慮下伏關(guān)鍵層個數(shù)、層位高低、厚度大小、剛度值和層間巖層組合條件對底板煤巖體卸壓效應(yīng)的影響，建立了基于上保護層開采下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的底板煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法，構(gòu)建了底板煤巖體應(yīng)力和變形預(yù)測方程；解決了現(xiàn)有預(yù)測方法將上保護層開采下伏煤巖體過度簡化，未考慮下伏煤巖體巖性非均質(zhì)變化特征以及關(guān)鍵層對底板煤巖體卸壓效應(yīng)影響的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于礦山開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于上保護層下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法。

背景技術(shù)

上保護層開采不僅引起了采場四周及頂板應(yīng)力的變化，而且底板煤巖體應(yīng)力也會隨著上保護層開采出現(xiàn)重新分布。科學(xué)準確的預(yù)測上保護層開采對底板煤巖體的卸壓效應(yīng)，對合理確定上保護層采高、指導(dǎo)卸壓瓦斯的高效抽采等具有重要意義。

現(xiàn)有研究表明，上保護層開采下伏巖層賦存條件會對底板煤巖體卸壓效應(yīng)產(chǎn)生影響。然而目前關(guān)于上保護層開采底板煤巖體卸壓效應(yīng)的理論預(yù)測方法，主要采用土力學(xué)理論，將底板煤巖體視為均質(zhì)的彈性體，計算上保護層開采底板煤巖體的卸壓效應(yīng)，但該方法并未考慮保護層開采下伏巖層巖性變化以及關(guān)鍵層對底板煤巖體卸壓效應(yīng)的影響，仍缺乏考慮上保護層下伏關(guān)鍵層條件的底板煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有上保護層開采底板煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法所存在的不足，本發(fā)明基于關(guān)鍵層理論和Winkler彈性地基板理論，將上保護層開采時下伏不同層位關(guān)鍵層簡化為多層疊合薄板，在考慮上保護層開采下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，預(yù)測底板煤巖體的應(yīng)力和變形。具體的，本發(fā)明提出了一種基于上保護層下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測方法，包括如下步驟：

S1，沿保護層工作面的平剖面，定義沿保護層工作面回采方向為x軸，沿切眼長度方向為y軸，開切眼起始位置為坐標原點，需要預(yù)測的煤巖體范圍為矩形ABCD；

S2，判別下伏巖層關(guān)鍵層分布，定義關(guān)鍵層由上至下依次為關(guān)鍵層i，1≤i≤n,i∈N⁺；

S3，將關(guān)鍵層簡化為多層疊合彈性地基薄板，建立考慮上保護層下伏關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤巖體卸壓效應(yīng)預(yù)測模型；

S4，建立下伏不同層位關(guān)鍵層i的多層疊合薄板撓度偏微分方程組，見式(1)

式中，w_i(x,y)為下伏不同層位關(guān)鍵層i的撓曲線方程，m；k_i為下伏不同層位關(guān)鍵層i的地基系數(shù)，N/m³；q_i為下伏不同層位關(guān)鍵層i及其載荷層的自重，Pa，當i＝1時，q₁為下伏關(guān)鍵層1及其與上保護層間煤巖層自重；D_i為下伏不同層位關(guān)鍵層i的彎曲剛度，N·m；σ₀(x,y)為上保護層采場支承壓力平面分布方程，Pa；

S5，確定邊界條件，見式(2)

式中，θ_xi(x,y)和θ_yi(x,y)分別為下伏不同層位關(guān)鍵層i沿x方向和y方向的轉(zhuǎn)角；

S6，根據(jù)式(3)Winkler彈性地基板撓度和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，利用式(2)的邊界條件，對式(1)進行求解，計算出上保護層開采下伏不同層位關(guān)鍵層i的撓曲線方程w_i(x,y)，減去開采前因初始垂直地應(yīng)力引起的地層初始壓縮量，得出上保護層開采引起的下伏不同層位關(guān)鍵層i的撓曲線方程，見式(4)

d_i(x,y)＝w_i(x,y)-T_i?(1≤i≤n,i∈N⁺)???(4)