工作面端头应力集中系数的获取方法技术

本发明专利技术公开了一种工作面端头应力集中系数的获取方法，包括步骤：1)建立采场开采稳定后的采矿区模型，2)获取采矿区覆岩破坏高度；3)获取上覆岩层转移的总重力；4)获取大倾角煤层倾向方向充分采动边界线与水平线的夹角；5)获取作用于下部岩柱体的压力Fa1；6)获取煤体应力增高区内的应力σa和在煤体处的垂直应力σa(v)；7)获得应力集中系数k。本发明专利技术通过建立采矿区模型，并利用在封闭系统内能量守恒定律，建立了关于工作面卸压区高度、覆岩破坏角度等的平衡公式，间接得出工作面端头应力集中系数K的求解方法，该求解方法能适用性较强，将其用于采场结构几何计算，能很大的提高工作面开采的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及采矿
，特别涉及一种获取采矿工作面端头应力集中系数的方法。
技术介绍
自中国煤炭工业界推广长壁开采技术以来，国内众多学者对其研究得出一系列有益结果，并进行了推广应用。经过多年的发展，在长壁开采技术中延伸出众多能够缓解工作面交替紧张、减少资源浪费的技术方法，如：沿空留巷技术、沿空掘巷技术、留小煤柱掘巷技术等。以上技术在特定的地质条件下已取得了成熟，但当涉及到大采高、矿压显现剧烈、大倾角等煤层条件时却显得无能为力。目前针对以上技术提出了众多理论及方法：李化敏将留巷上覆关键层抽象成梁结构，建立围岩大结构平衡理论，计算支护阻力，有效指导巷内支护、巷旁支护等。经过李迎富发展，针对关健块建立三角板结构，论述了支护与关健块稳定性的关系。以上理论均认为覆岩“大结构”是影响巷道围岩变形和稳定的直接原因，同时指出控制关健块的旋转下沉是留巷成功与否的关键。为得出巷道支护阻力精确解，学者们确立了大结构的尺寸、形状等数据计算方法，如表1所示，钱鸣高、李化敏等多位学者应用弹性力学原理针对巷道煤壁边缘到深部的受力规律，计算得出煤壁塑性区范围以及关健块在煤壁侧断裂位置；学者将采场关键层抽象成板结构，并按照采场初次来压、周期来压时关键层结构之间的作用关系，假设板结构边界条件分别为四边固支、三边固支一边简支，从而计算得出采场顶板初次来压、周期来压时关健块长度；国外Colwell学者在实际生产中应用经验公式(4)计算充分采动角及冒落带高度，国内外计算方法、适用条件略有差异，但在计算精度要求不高的条件下能够有效指导生产。表1采场结构几何计算统计表1内公式中：hd为巷道高度(m)；px为巷帮煤体的支护阻力(MPa)；c0、分别为煤岩层界面的凝聚力(MPa)、内摩擦角(°)；k为应力集中系数；H为埋深(m)；γ为上覆岩层平均容重(kN/m3)；λ为侧压系数，λ＝μm/(1-μm)；μm为煤体的泊松比；S0为工作面长度(m)；li为断裂板长度(m)；l为基本顶初次垮落步距(m)；HM为煤层中线到地表距离；H0为覆岩破坏高度；hs为采高。在上述理论指导下，针对顶板大结构在各时期的运动规律，明确巷旁、巷内支护在顶板岩层各阶段的作用，并且在实践中针对不同成巷方式对其采空侧巷旁支护分别提出不同的研究重点：1.煤柱宽度研究、2.巷旁支护阻力研究、3.巷旁支护宽度研究等。但是研究发现，即使是在顶板岩层岩石参数、采场结构几何参数符合实际，将参数带入理论公式后，发现计算得出的支护参数结果与现场实测仍存在较大差异。研究发现学者们在选取煤帮应力集中系数时存在随意性，往往k值取为常数，却不给出选择理由，导致K值与实际有较大出入。在薄煤层、近水平条件下应力集中系数的选择对生产影响或许不太重要，但涉及大采高、急倾斜煤层时必须高度重视应力集中系数对围岩结构造成的影响。而错误地估计应力集中系数，也将对工作面开采造成安全隐患。宋镇骐等采用数值模拟针对煤帮应力集中系数与影响因素之间的关系发现，煤岩物理力学参数、采高、埋深、围岩物理力学参数等共同决定着集中系数的大小。显然Majdi提出的公式已经不再适用，式中：hs为采高；Ep为煤岩弹性模量；Eg为矸石弹性模量；LW为工作面倾向宽度。因此需要重新找到一种适用性较强的端头应力集中系数计算方法，以用于采场结构几何计算，提高工作面开采安全性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种工作面端头应力集中系数的获取方法，以找到一种适用性较强的端头应力集中系数计算方法，用于采场结构几何计算，提高工作面开采安全性。本专利技术工作面端头应力集中系数的获取方法，包括以下步骤：1)建立采场开采稳定后的采矿区模型，所述采矿区模型的工作面长度为Lw，工作面平均埋深为H，工作面采高为hs，采矿区覆岩破坏高度为hd，煤层采出体积为Vm，工作面面积为Sm，应力释放区体积为V，应力释放区面积为S，煤层倾角为α；2)通过公式获得采矿区覆岩破坏高度；3)通过公式Fa＝σa·Sa＝γHaLw·1m＝γLW(H-Hd)·1m获得上覆岩层转移的总重力，其中Fa为采空区上覆岩层总重量，σa为卸压区上部覆岩层应力，Sa为工作面表面积，Ha为卸压区距地表高度；4)通过公式确定大倾角煤层倾向方向充分采动边界线与水平线的夹角，其中β1、β2分别为上、下山充分采动边界线与水平线夹角；D0为充分采动时距开采线水平距离；k1为与岩层物理力学参数有关的参数，取值范围为0.5～0.8；5)通过公式获得作用于下部岩柱体的压力Fa1；6)通过公式获得煤体应力增高区内的应力σa，并通过公式σa(v)＝σacosα获得在煤体处的垂直应力σa(v)；7)通过公式获得应力集中系数k。本专利技术的有益效果：本专利技术工作面端头应力集中系数的获取方法，通过建立采矿区模型，并利用在封闭系统内能量守恒定律，考虑到工作面开采后，煤层中储存的应变能发生释放、转移时造成工作面上覆岩层发生破坏、堆积的原因，从而建立了关于工作面卸压区高度、覆岩破坏角度等的平衡公式，间接得出工作面端头应力集中系数K的求解方法，该求解方法能适用性较强，将其用于采场结构几何计算，能很大的提高工作面开采的安全性。附图说明图1为采矿区模型的立体结构示意图；图2为图1中沿A-A的剖视结构示意图；图3为采矿区模型的力学模型图；图4为应力集中系数分布曲线图；图5为矸石应力-应变曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。本实施例工作面端头应力集中系数的获取方法，包括以下步骤：1)建立采场开采稳定后的采矿区模型，所述采矿区模型的工作面长度为Lw，工作面平均埋深为H，工作面采高为hs，采矿区覆岩破坏高度为hd，煤层采出体积为Vm，工作面面积为Sm，应力释放区体积为V，应力释放区面积为S，煤层倾角为α；2)通过公式获得采矿区覆岩破坏高度，Hd即为hd；3)通过公式Fa＝σa·Sa＝γHaLw·1m＝γLW(H-Hd)·1m获得上覆岩层转移的总重力，其中Fa为采空区上覆岩层总重量，σa为卸压区上部覆岩层应力，Sa为工作面表面积，Ha为卸压区距地表高度；请补充1m的具体含义；4)通过公式确定大倾角煤层倾向方向充分采动边界线与水平线的夹角，其中β1、β2分别为上、下山充分采动边界线与水平线夹角；D0为充分采动时距开采线水平距离；k1为与岩层物理力学参数有关的参数，取值范围为0.5～0.8；5)通过公式获得作用于下部岩柱体的压力Fa1；6)通过公式获得煤体应力增高区内的应力σa，并通过公式σa(v)＝σacosα获得在煤体处的垂直应力σa(v)；7)通过公式获得应力集中系数k。本实施例中公式的获得过程如下：第一步：根据能量守恒定律，在一个封闭采矿区系统内，系统内总能量是守恒的，而工作面的开采活动会导致煤体及围岩组成的封闭系统内能量平衡受到干扰，封闭系统能量失稳到再平衡过程中能量发生了转移。由于煤层开挖后采空区侧直接顶垮落、堆积，导致直接顶储存的应变能释放并向围岩内转移。而能量的释放转移又造成顶板覆岩发生变形、离层、塑性破坏等。随着工作面的推进，采空区侧顶板发生持续破坏，直至矸石压实并稳定，这就形成了采空区围岩卸压区。应力向采空区两侧转移形成压力集中区。因此，可以认为煤体中储存的弹性能的释放、转移是造成覆岩破坏、堆积的原因，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工作面端头应力集中系数的获取方法，其特征在于：包括以下步骤：1)建立采场开采稳定后的采矿区模型，所述采矿区模型的工作面长度为Lw，工作面平均埋深为H，工作面采高为hs，采矿区覆岩破坏高度为hd，煤层采出体积为Vm，工作面面积为Sm，应力释放区体积为V，应力释放区面积为S，煤层倾角为α；2)通过公式获得采矿区覆岩破坏高度；3)通过公式Fa＝σa·Sa＝γHaLw·1m＝γLW(H‑Hd)·1m获得上覆岩层转移的总重力，其中Fa为采空区上覆岩层总重量，σa为卸压区上部覆岩层应力，Sa为工作面表面积，Ha为卸压区距地表高度；4)通过公式确定大倾角煤层倾向方向充分采动边界线与水平线的夹角，其中β1、β2分别为上、下山充分采动边界线与水平线夹角；D0为充分采动时距开采线水平距离；k1为与岩层物理力学参数有关的参数，取值范围为0.5～0.8；5)通过公式获得作用于下部岩柱体的压力Fa1；6)通过公式获得煤体应力增高区内的应力σa，并通过公式σa(v)＝σacosα获得在煤体处的垂直应力σa(v)；7)通过公式获得应力集中系数k。

【技术特征摘要】
1.一种工作面端头应力集中系数的获取方法，其特征在于：包括以下步骤：1)建立采场开采稳定后的采矿区模型，所述采矿区模型的工作面长度为Lw，工作面平均埋深为H，工作面采高为hs，采矿区覆岩破坏高度为hd，煤层采出体积为Vm，工作面面积为Sm，应力释放区体积为V，应力释放区面积为S，煤层倾角为α；2)通过公式获得采矿区覆岩破坏高度；3)通过公式Fa＝σa·Sa＝γHaLw·1m＝γLW(H-Hd)·1m获得上覆岩层转移的总重力，其中Fa为采空区上覆岩层总重量，σa为卸...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐建新，张宇宁，腾俊洋，代张音，王艳磊，段金成，张路，舒国钧，刘姝，陈丹，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50