[发明专利]基于上保护层下伏关键层结构的煤岩体卸压效应预测方法

说明书

本发明属于矿山开采技术领域，具体涉及基于上保护层下伏关键层结构的煤岩体卸压效应预测方法。本发明将上保护层开采下伏不同层位关键层简化为多层叠合弹性地基板，考虑下伏关键层个数、层位高低、厚度大小、刚度值和层间岩层组合条件对底板煤岩体卸压效应的影响，建立了基于上保护层开采下伏关键层结构的底板煤岩体卸压效应预测方法，构建了底板煤岩体应力和变形预测方程；解决了现有预测方法将上保护层开采下伏煤岩体过度简化，未考虑下伏煤岩体岩性非均质变化特征以及关键层对底板煤岩体卸压效应影响的问题。

技术领域

本发明属于矿山开采技术领域，具体涉及基于上保护层下伏关键层结构的煤岩体卸压效应预测方法。

背景技术

上保护层开采不仅引起了采场四周及顶板应力的变化，而且底板煤岩体应力也会随着上保护层开采出现重新分布。科学准确的预测上保护层开采对底板煤岩体的卸压效应，对合理确定上保护层采高、指导卸压瓦斯的高效抽采等具有重要意义。

现有研究表明，上保护层开采下伏岩层赋存条件会对底板煤岩体卸压效应产生影响。然而目前关于上保护层开采底板煤岩体卸压效应的理论预测方法，主要采用土力学理论，将底板煤岩体视为均质的弹性体，计算上保护层开采底板煤岩体的卸压效应，但该方法并未考虑保护层开采下伏岩层岩性变化以及关键层对底板煤岩体卸压效应的影响，仍缺乏考虑上保护层下伏关键层条件的底板煤岩体卸压效应预测方法。

发明内容

针对现有上保护层开采底板煤岩体卸压效应预测方法所存在的不足，本发明基于关键层理论和Winkler弹性地基板理论，将上保护层开采时下伏不同层位关键层简化为多层叠合薄板，在考虑上保护层开采下伏关键层结构的基础上，预测底板煤岩体的应力和变形。具体的，本发明提出了一种基于上保护层下伏关键层结构的煤岩体卸压效应预测方法，包括如下步骤：

S1，沿保护层工作面的平剖面，定义沿保护层工作面回采方向为x轴，沿切眼长度方向为y轴，开切眼起始位置为坐标原点，需要预测的煤岩体范围为矩形ABCD；

S2，判别下伏岩层关键层分布，定义关键层由上至下依次为关键层i，1≤i≤n,i∈N⁺；

S3，将关键层简化为多层叠合弹性地基薄板，建立考虑上保护层下伏关键层结构的煤岩体卸压效应预测模型；

S4，建立下伏不同层位关键层i的多层叠合薄板挠度偏微分方程组，见式(1)

式中，w_i(x,y)为下伏不同层位关键层i的挠曲线方程，m；k_i为下伏不同层位关键层i的地基系数，N/m³；q_i为下伏不同层位关键层i及其载荷层的自重，Pa，当i＝1时，q₁为下伏关键层1及其与上保护层间煤岩层自重；D_i为下伏不同层位关键层i的弯曲刚度，N·m；σ₀(x,y)为上保护层采场支承压力平面分布方程，Pa；

S5，确定边界条件，见式(2)

式中，θ_xi(x,y)和θ_yi(x,y)分别为下伏不同层位关键层i沿x方向和y方向的转角；

S6，根据式(3)Winkler弹性地基板挠度和转角之间的关系，利用式(2)的边界条件，对式(1)进行求解，计算出上保护层开采下伏不同层位关键层i的挠曲线方程w_i(x,y)，减去开采前因初始垂直地应力引起的地层初始压缩量，得出上保护层开采引起的下伏不同层位关键层i的挠曲线方程，见式(4)

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