一种采动诱导采空区侧向硬顶失稳产生的动载预测方法技术

一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，包括：(1)分析已采长壁工作面的工程地质环境，获得已稳定采空区侧向端部硬顶的结构特征，建立采空区侧向端部硬顶结构的力学解析模型，获得其失稳的力学判据；(2)随着相邻下区段工作面的回采，揭示采空区侧向端部硬顶结构的附加支承应力演化规律，确定结构力学失稳的极限附加支承应力，计算结构积累的弹性变形能；(3)建立等效动力偶力学分析模型，计算结构失稳时的动载强度，获得影响该动载强度的主要影响因素和影响规律。本发明专利技术提供了一种求解已稳定采空区侧向端部硬顶结构失稳产生动载强度的方法，为该区域内开挖空间的稳定性控制提供了理论依据。

A dynamic load prediction method for mining induced lateral hard roof instability in Goaf

A dynamic load forecasting method for lateral hard roof structure instability in goaf induced by mining includes: (1) analyzing the engineering geological environment of longwall working face, obtaining the structural characteristics of the lateral end hard roof of the stable goaf, establishing the mechanical analytical model of the lateral end hard roof structure of the goaf, and obtaining the mechanical criteria for its instability. (2) With the mining of adjacent lower working face, the evolution law of additional supporting stress of hard roof structure at lateral end of goaf is revealed, the ultimate additional supporting stress of structural mechanics instability is determined, and the accumulated elastic deformation energy of structure is calculated; (3) The equivalent dynamic couple mechanical analysis model is established to calculate dynamic load strength of structure instability. The main influencing factors and influence rules of the dynamic load strength are obtained. The invention provides a method for solving the dynamic load intensity caused by the instability of the hard roof structure at the lateral end of the stabilized goaf, and provides a theoretical basis for the stability control of the excavation space in the area.

【技术实现步骤摘要】
一种采动诱导采空区侧向硬顶失稳产生的动载预测方法
本专利技术属于无煤柱护巷
，尤其是一种适用于采动影响邻域内采空区侧向端部结构失稳产生动载强度的求解方法。
技术介绍
完全垮落法处理的采空区顶板在纵向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，裂隙带内的坚硬顶板破断后在采空区侧向端部形成承载结构，承载上方软弱岩层的重量及部分支承应力，处于应力平衡状态，是沿空留巷、沿空掘巷、迎采掘巷围岩的保护结构，并且也是无煤柱护巷技术的关键技术之一；但相邻下区段工作面回采产生的超前支承应力形成了对该承载结构的扰动，当该承载结构的强度和刚度不足以承载时，结构将从一种力学平衡状态演化为另一种平衡状态，演化的本质是结构改变引起应力场、位移场、裂隙场的改变，演化的结果是不同等级、不同类别的矿山压力显现，如何确定结构失稳产生的动载强度就成为该领域工程技术人员需要解决的难题。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服已有方法中的不足之处，提供一种经济实用、操作高效、精度较高的采空区侧向硬顶结构失稳产生动载强度的预测方法。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，包括以下三个步骤：第一步，获得靠近采空区侧向端部的坚硬顶板结构特征，建立采空区侧向端部硬顶结构的力学解析模型，获得其平衡失稳的力学判据；第二步，随着相邻下区段工作面的回采，揭示采空区侧向端部硬顶结构上支承应力的演化规律，确定该结构力学失稳的极限附加支承应力，计算确定结构失稳瞬间积累的弹性变形能；第三步，用动力偶等效结构失稳瞬间的力学状态，将失稳瞬间结构累积的弹性变形能转化为动力偶的作用，将动力偶对围岩的作用应力等效为结构失稳时的瞬时动载强度。进一步，所述的第一步中，靠近采空区侧向端部的坚硬顶板结构特征为：LI′＝ζLII,0≤ζ≤1(IV)式中：LII-下位硬顶结构的跨度，其单位为m；θ-下位硬顶结构的倾角，其单位为°；hm-采煤高度，其单位为m；L-顶板的周期断裂步距，其单位为m；s-工作面侧向长度，其单位为m；h1-下位硬顶结构的厚度，其单位为m；hI-软弱岩层的厚度，其单位为m；RT-下位硬顶结构的抗拉强度，其单位为MPa；γ1-下位硬顶结构和软弱岩层的平均容重，其单位为N/m3；LI′-上部硬顶悬臂结构的长度，其单位为m；ζ-上部硬顶悬臂结构的长度与下位硬顶结构长度的比值，其单位为1。进一步，所述的第一步中，获得其失稳的力学判据为：式中：F-工作面采动附加支承应力，其单位为MPa；ηp-下位硬顶结构与下位坚硬顶板间挤压强度系数，0≤ηp≤1；σc-下位硬顶结构的单轴抗压强度，其单位为MPa；φ-下位硬顶结构的内摩擦角，其单位为°；δ-上部硬顶悬臂结构自由端的极限挠度的倍数，0≤δ≤1；RT′-上部硬顶悬臂结构的抗拉强度，其单位为MPa；Fg-下位硬顶结构与其承载的软弱岩层总重应力，其单位为MPa，计算方法如式(VI)；Fg′-上部硬顶悬臂结构及其上方软弱层总重应力，其单位为MPa，计算方法如式(VII)；Fg＝γ1(LIIh1+LIIhIcosθ)(VI)Fg′＝γ2(h2+hII)LI′(VII)式中：γ2-上部硬顶悬臂结构及其承载软弱岩层的平均容重，其单位为kN/m3；h2-上部硬顶悬臂结构的厚度，其单位为m；hII-上部硬顶悬臂结构承载软弱岩层的累积厚度，其单位为m。进一步，所述的第二步中，采空区侧向端部硬顶结构上支承应力的演化规律：式中：a1，a2，a3，a4及a5是支承应力数学模型参数；w0-工作面煤壁前方煤体塑性区宽度，m；xd-距工作面煤壁的距离，m；γ′-地层的平均容重，kN/m3；H-地层埋深，m。进一步，所述的第二步中，结构力学失稳的极限附加支承应力为：式中：Fmax-工作面采动极限附加支承应力，其单位为MPa。进一步，所述的第二步中，结构失稳瞬间积累的弹性变形能为：式中：U-结构积累的弹性变形能，其单位为MJ。进一步，所述的第三步中，将失稳瞬间结构累积的弹性变形能转化为动力偶的作用，其中的动力偶为：式中：M-等效动力偶大小，其单位为MN·m。进一步，所述的第三步中，将动力偶对围岩的作用应力等效为结构失稳时的瞬时动载强度，其中的动载强度为：式中：σd-结构失稳时的动载强度，其单位为MPa。本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果是：本专利技术预测采动采空区侧向硬顶结构失稳产生动载强度及动载空间位置的方法更加经济、高效、精准，在本机
内具有广泛的实用性，与现有技术相比具有以下优点：(1)减少动载监测设备及其安装、维护费用，节省矿井安全生产综合成本；(2)力学模型可重复利用，适应条件广泛，求解过程高效；(3)工作面回采超前支承应力分布规律用于确定此类动载的空间位置。附图说明图1为本专利技术的工程背景示意图。图2为本专利技术的侧向硬顶结构示意图。其中，1-采空区，2-工作面，3-邻空巷道，4-实煤体巷道，5-区段煤柱，6-附加支承应力，7-下位硬顶结构，8-下位垮落硬顶结构，9-垮落软弱岩层，10-上部垮落硬顶结构，11-下位坚硬顶板，12-软弱岩层，13-上部坚硬顶板，14-上部硬顶悬臂结构。图3为本专利技术的附加支承应力分布图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1所示，以某矿15#煤层某采空区为例，其中开采煤层平均埋深600m，平均厚度6.5m，平均倾角4°，采空区1一侧为正在回采的工作面2，采空区1侧向长度为220m，该矿采用完全垮落法处理采空区1，坚硬顶板11垮落在采空区1侧向端部形成下位硬顶结构7、垮落硬顶结构8和垮落软弱岩层9，坚硬顶板13垮落在采空区1侧向端部形成上部未垮落的上部硬顶悬臂结构14和上部垮落硬顶结构10，如图2所示；所述矿工作面2倾斜长为220m，其两侧分别为邻空巷道3和实体煤巷道4，邻空巷道3与采空区1之间是区段煤柱5，附加支承应力6作用与区段煤柱5和邻空巷道3上方的上部硬顶结构13；工作面2采动之前，下位硬顶结构7、上部硬顶悬臂结构14处于静力平衡状态；工作面2回采时，前方15m～25m范围内的邻空巷道3内单体支柱被压崩倾倒，围岩出现瞬时剧烈变形等强动力灾害，发现是工作面2超前支承应力增加了附加支承应力6的大小，诱导采空区1侧向下位硬顶结构7和上部硬顶悬臂结构14失稳产生动载引起的邻空巷道3的动力灾害。一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，包括以下三个步骤：第一步：获得靠近采空区1侧向端部(A-A剖面)的坚硬顶板结构特征，如图2所示，建立采空区侧向端部硬顶结构的力学解析模型，如图2所示，获得其平衡失稳的力学判据。其中，所述的靠近采空区1侧向端部的坚硬顶板结构特征，可根据如下公式进行计算：LI′＝ζLII,0≤ζ≤1(IV)式中：LII-下位硬顶结构7的跨度，其单位为m；θ-下位硬顶结构7的倾角，其单位为°；hm-采煤高度，其单位为m；L-顶板的周期断裂步距，其单位为m；s-工作面侧向长度，其单位为m；h1-下位硬顶结构7的厚度，其单位为m；hI-软弱岩层12的厚度，其单位为m；RT-下位硬顶结构7的抗拉强度，其单位为MPa；γ1-下位硬顶结构7和软弱岩层12的平均容重，其单位为N/m3；LI′-上部硬顶悬臂结构14的长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，其特征在于，包括以下三个步骤：第一步，获得靠近采空区侧向端部的坚硬顶板结构特征，建立采空区侧向端部硬顶结构的力学解析模型，获得其平衡失稳的力学判据；第二步，随着相邻下区段工作面的回采，揭示采空区侧向端部硬顶结构上支承应力的演化规律，确定该结构力学失稳的极限附加支承应力，计算确定结构失稳瞬间积累的弹性变形能；第三步，用动力偶等效结构失稳瞬间的力学状态，将失稳瞬间结构累积的弹性变形能转化为动力偶的作用，将动力偶对围岩的作用应力等效为结构失稳时的瞬时动载强度。

【技术特征摘要】
1.一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，其特征在于，包括以下三个步骤：第一步，获得靠近采空区侧向端部的坚硬顶板结构特征，建立采空区侧向端部硬顶结构的力学解析模型，获得其平衡失稳的力学判据；第二步，随着相邻下区段工作面的回采，揭示采空区侧向端部硬顶结构上支承应力的演化规律，确定该结构力学失稳的极限附加支承应力，计算确定结构失稳瞬间积累的弹性变形能；第三步，用动力偶等效结构失稳瞬间的力学状态，将失稳瞬间结构累积的弹性变形能转化为动力偶的作用，将动力偶对围岩的作用应力等效为结构失稳时的瞬时动载强度。2.根据权利要求1所述的一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，其特征在于，所述的第一步中，靠近采空区侧向端部的坚硬顶板结构特征为：LI′＝ζLII,0≤ζ≤1(IV)式中：LII-下位硬顶结构的跨度，其单位为m；θ-下位硬顶结构的倾角，其单位为°；hm-采煤高度，其单位为m；L-顶板的周期断裂步距，其单位为m；s-工作面侧向长度，其单位为m；h1-下位硬顶结构的厚度，其单位为m；hI-软弱岩层的厚度，其单位为m；RT-下位硬顶结构的抗拉强度，其单位为MPa；γ1-下位硬顶结构和软弱岩层的平均容重，其单位为N/m3；LI＇-上部硬顶悬臂结构的长度，其单位为m；ζ-上部硬顶悬臂结构的长度与下位硬顶结构长度的比值，其单位为1。3.根据权利要求1所述的一种采动诱导采空区侧向硬顶结构失稳产生的动载预测方法，其特征在于，所述的第一步中，获得其失稳的力学判据为：式中：F-工作面采动附加支承应力，其单位为MPa；ηp-下位硬顶结构与下位坚硬顶板间挤压强度系数，0≤ηp≤1；σc-下位硬顶结构的单轴抗压强度，其单位为MPa；-下位硬顶结构的内摩擦角，其单位为°；δ-上部硬顶悬臂结构自由端的极限挠度的倍数，0≤δ≤1；RT′-上部硬顶悬臂结构的抗拉强度，其单位为MPa；Fg...

【专利技术属性】
技术研发人员：神文龙，曹正正，王襄禹，肖同强，王猛，柏建彪，许磊，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41