一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，包括：1、建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；2、建立动载应力在岩层内传播衰减的数学模型，获得随传播距离的增加其强度衰减规律；3、基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；4、将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。本发明专利技术确定采空区一侧煤层内动载应力强度的解析解，考虑了支承应力、煤岩属性、结构面属性、动载应力波参数的影响，能高效、精准预测动载应力强度分布。

【技术实现步骤摘要】
一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法
本专利技术涉及井下动载应力强度预测
，特别是涉及一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法。
技术介绍
采场顶板活动是矿山压力显现的根源，当地下工程结构(巷道围岩、回采工作面、支护体、采空区顶板等)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(冒顶、片帮、底鼓、沉降、瞬时大变形、冲击矿压、支护体失效等)，演化的效应是危害井下工作人员的生命安全，制约矿井的安全高效生产。采动坚硬顶板断裂、结构失稳过程中不仅在未开采煤层内形成支承应力，而且伴随动载应力的波扰，当动载作用于承压状态的煤系地层时，作用区域内的煤岩体振动离开平衡位置，与邻近煤岩体发生了相对运动，将受到邻近煤岩体给予的作用力，同时也给邻近煤岩体以反作用力，使邻近煤岩体也振动离开平衡位置，这种振动以应力波的形式向周围煤岩层传播，当动载应力强度足够大时，邻空巷道等井下开挖空间将受到安全威胁，严重时会出现冲击矿压等煤岩动力灾害。受介质属性、层间结构面、入射角度、传播距离等因素的影响，应力波强度呈衰减趋势，掌握其在煤岩体内的时空演化规律，对地下固体矿产资源安全高效开采具有重要的指导意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种经济实用、操作高效、精度较高的采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法。本专利技术的采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，包括以下步骤：第一步：基于应力波在层状岩层中的传递理论，建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；第二步：基于应力波在固体介质中传播的吸收理论，建立动载应力在岩层内传播衰减的平衡微分方程，求解该平衡微分方程的数学模型，获得动载应力随传播距离增加的强度衰减规律；第三步：基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；第四步：将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。进一步的，所述第一步中，动载应力穿越层间结构面时的强度衰减规律Ti为：式中：Ti、动载应力穿越第i层层间结构面时的衰减系数，单位：1；i、第i层层间结构面和岩层，单位：层；vTPi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射纵波的振动速度大小，单位：m/s；vIPi、动载应力穿越第i层层间结构面时入射纵波的振动速度大小，单位：m/s；求解vTPi和vIPi的迭代公式为：式中：vRPi、动载应力穿越第i层层间结构面时反射纵波的振动速度大小，单位：m/s；vRSi、动载应力穿越第i层层间结构面时反射横波的振动速度大小，单位：m/s；vTSi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射横波的振动速度大小，单位：m/s；(、迭代步数，单位：1；gi1、gi2、gi3、gi4、gi5、gi6、fi1、fi2、fi3、fi4、fi5、fi6、fi7、fi8、fi9、fi10为迭代方程的系数，与结构面两侧岩层物理力学参数有关，具体运算函数为：式中：ρi、第i层岩层的密度，单位：kg/m3；μi、第i层岩层的泊松比，单位：1；kni、第i层层间结构面的法向刚度，单位：MPa；ksi、第i层层间结构面的切向刚度，单位：MPa；Δt、迭代时间步，单位：s；βPi、动载应力穿越第i层层间结构面时纵波的入射角和反射角，单位：°；βSi、动载应力穿越第i层层间结构面时横波的反射角，单位：°；βPi+1、动载应力穿越第i层层间结构面时纵波的透射角，单位：°；βsi+1、动载应力穿越第i层层间结构面时横波的透射角，单位：°；CPi和CSi分别为第i层岩层内纵波的传播速度和横波的传播速度，单位：m/s，可由下式计算：式中：Ei、第i层岩层的弹性模量，单位：MPa；k、应力集中系数，单位：1；γ、岩层的平均容重，单位：N/m3；H、地层平均埋深，单位：m。进一步的，所述第一步中，动载应力穿越层间结构面时的波动方向变化规律为：进一步的，所述第二步中，动载应力在岩层内的强度衰减规律Λi为：式中：Λi、动载应力在第i层岩层内的强度衰减系数，单位：1；ζi、动载应力在第i层岩层内的强度衰减因子，单位：1；hi、第i层岩层的厚度，单位：m。进一步的，所述第三步中，动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律T为：式中：T、动载应力穿越n层层状顶板时的传递衰减系数，单位：1；n、动载应力穿越的岩层和层间结构面的层数，单位：层。本专利技术较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本专利技术基于动载应力在层间结构面的强度衰减规律和波动方向变化规律以及其在岩层内的强度衰减规律，建立了顶板动载源动载强度与下位煤岩层任一点动载响应强度的函数关系，从而确定了采空区一侧煤层内动载应力强度的解析解，该解析解考虑了支承应力、煤岩属性、结构面属性、动载应力波参数的影响，能够经济、高效、精准的预测采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。附图说明图1为本专利技术中动载应力波在地层中的传播物理模型示意图。图2为本专利技术中第i层岩层和第i层层间结构面内的动载应力波传播衰减模型示意图。图3为本专利技术实施例中的工作面附近底层剖面图。图4为本专利技术实施例中动载应力波的距离-衰减系数关系曲线图。图5为本专利技术实施例中动载应力强度分布规律图。图中：1、第1层岩层，2、第2层岩层，3、第i-1层岩层，4、第i层岩层，5、第n-1层岩层，6、第n层岩层，7、第1层层间结构面，8、第2层层间结构面，9、第i-1层层间结构面，10、第i层层间结构面，11、第i+1层层间结构面，12、第n层层间结构面，13、动载应力波震源，14、动载应力波扰区域，15、动载应力波扰范围，16、第i-1层岩层的密度、泊松比、弹性模量、纵波传播速度和横波传播速度，17、第i层岩层的密度、泊松比、弹性模量、纵波传播速度和横波传播速度，18、动载应力波在第i层岩层内的传播距离。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。实施例如图1～2所示，一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，包括以下步骤：第一步：基于应力波在层状岩层中的传递理论，建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；第二步：基于应力波在固体介质中传播的吸收理论，建立动载应力在岩层内传播衰减的平衡微分方程，求解该平衡微分方程的数学模型，获得动载应力随传播距离增加的强度衰减规律；第三步：基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；第四步：将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。进一步的，所述的第一步中，动载应力穿越层间结构面时的强度衰减规律Ti为：式中：Ti、动载应力穿越第i层层间结构面时的衰减系数，单位：1；i、第i层层间结构面和岩层，单位：层；vTPi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射纵波的振动速度大小，单位：m/s；vIPi、动载应力穿越第i层层间结构面时入射纵波的振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：基于应力波在层状岩层中的传递理论，建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；第二步：基于应力波在固体介质中传播的吸收理论，建立动载应力在岩层内传播衰减的平衡微分方程，求解该平衡微分方程的数学模型，获得动载应力随传播距离增加的强度衰减规律；第三步：基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；第四步：将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。

【技术特征摘要】
1.一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：基于应力波在层状岩层中的传递理论，建立动载应力在层间结构面内传播衰减的力学模型，解析获得其穿越层间结构面时的强度衰减规律和波动方向变化规律；第二步：基于应力波在固体介质中传播的吸收理论，建立动载应力在岩层内传播衰减的平衡微分方程，求解该平衡微分方程的数学模型，获得动载应力随传播距离增加的强度衰减规律；第三步：基于上方的力学模型和数学模型，建立采动影响区顶板承载传力解析分析模型，揭示动载穿越多层层状顶板时的传递衰减规律；第四步：将已知的模型参数带入到该传递衰减规律内，计算采空区一侧煤层内的动载应力强度分布规律。2.根据权利要求1所述的一种采空区侧向煤层内动载应力强度的预测方法，其特征在于，所述第一步中，动载应力穿越层间结构面时的强度衰减规律Ti为：式中：Ti、动载应力穿越第i层层间结构面时的衰减系数，单位：1；i、第i层层间结构面和岩层，单位：层；vTPi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射纵波的振动速度大小，单位：m/s；vIPi、动载应力穿越第i层层间结构面时入射纵波的振动速度大小，单位：m/s；求解vTPi和vIPi的迭代公式为：式中：vRPi、动载应力穿越第i层层间结构面时反射纵波的振动速度大小，单位：m/s；vRSi、动载应力穿越第i层层间结构面时反射横波的振动速度大小，单位：m/s；vTSi、动载应力穿越第i层层间结构面时透射横波的振动速度大小，单位：m/s；j、迭代步数，单位：1；gi1、gi2、gi3、gi4、gi5、gi6、fi1、fi2、fi3、fi4、fi5、fi6、fi7、fi8、fi9、fi10为迭代方程的...

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