一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法技术

本发明专利技术公开了一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法。该方法包括：建立浅埋煤层大采高综采工作面“支架‑煤壁‑顶板”结构模型；建立老顶关键层周期性破断力学模型，确定老顶关键层岩梁拉破断的判别条件；当老顶关键层出现超前拉破断时，建立等效直接顶弹性基础梁力学模型，确定等效直接顶岩层拉破断判别式；当等效直接顶出现超前拉破断时，确定浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮条件。将浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮与顶板活动及支架控制有机结合，全面准确反映了煤壁的受力状态，揭示浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮机理，确定煤壁片帮的判别条件，为控制煤壁稳定和进行安全开采提供了科学依据。

A discrimination method of coal wall spalling in fully mechanized mining face with large mining height in shallow seam

The invention discloses a method for discriminating coal wall spalling of fully mechanized mining face with large mining height in shallow coal seam. The method includes: establishing the structural model of \support coal wall roof\ in fully mechanized face with large mining height in shallow coal seam; establishing the mechanics model of periodic breaking of key stratum of main roof to determine the criteria of rock beam breaking in key stratum of main roof; establishing the mechanics of equivalent direct roof elastic foundation beam when the key stratum of main roof breaks ahead of time. Model, determine the equivalent direct roof rock pull-out fracture discriminant; when the equivalent direct roof pull-out fracture occurs, determine the shallow coal seam high mining face coal wall strip conditions. Combining the slice-wall with roof movement and support control in large mining height working face of shallow coal seam, this paper fully and accurately reflects the stress state of coal wall, reveals the mechanism of slice-wall in large mining height working face of shallow coal seam, determines the discriminant conditions of slice-wall, and provides scientific basis for controlling the stability of coal wall and carrying out safe mining.

【技术实现步骤摘要】
一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法
本专利技术涉及浅埋煤层开采
，更具体的涉及一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法。
技术介绍
我国西部地区煤炭资源富集，神府东胜煤田是我国最大的煤田，该区域煤层埋深较浅、赋存稳定、地质构造简单、厚度大、开采条件优越，形成了许多千万吨级的大矿井。生产实践表明，适宜条件下采用大采高综采能实现厚煤层的高产高效开采，近10年来，神华神东公司通过国外引进和自主研发，使大采高综采设备及技术获得迅速发展，大采高一次采全高开采技术已经成为该地区厚煤层开采的主要方法。随着经济技术水平的提高，大采高工作面煤壁高度不断增大，据最新研究成果，8.2m特厚煤层超大采高工作面一次采全厚开采技术难题已经取得新突破，这意味着大采高综采技术将进一步刷新工作面高产高效记录。由于工作面一次割煤高度达6～8m，直接顶冒落后不能充分充填采空区，基本顶来压时矿山压力显现剧烈，围岩控制难度大，极易诱发煤壁失稳事故，这已成为制约大采高综采产能发挥的关键因素。工作面推进过程中，采场小结构内的顶板压力是由煤壁和支架共同承担，顶板、支架与煤壁三者形成了相互作用的一个整体，煤壁稳定性受顶板与支架的共同影响，因此，煤壁的稳定性应以“顶板-煤壁-支架”系统为基础，分析其失稳机理，以确定合理的煤壁稳定判别条件。近年来，随着开采高度不断增大，煤壁片帮问题日益突出。工作面煤壁片帮不仅影响工作面正常生产和经济效益，也影响人员及设备安全，对安全生产构成严重威胁。煤壁片帮影响因素多，机理复杂，各学派通过不同角度对片帮机理进行了阐述，但总体缺乏系统性和针对性。现有的煤壁片帮机理研究成果主要包括：大采高工作面煤壁滑面力学模型、柱条力学模型、顶板-煤壁-支架力学模型等。针对浅埋厚煤层大采高开采，以上方法主要存在的不足为：煤壁滑面力学模型：一般适用于煤质较软的煤层失稳类型，陕北赋存煤层多以中硬煤质为主，存在本质区别；柱条力学模型：基于陕北大采高中硬煤质建立，但缺乏对顶板和支架作用因素的分析；顶板-煤壁-支架力学模型：缺少对三者之间作用的定量分析。综上所述，现有的理论分析并不完全适用于浅埋煤层大采高综采工作面，现有研究缺乏对采场顶板、煤壁及支架三者相互作用关系的定量分析，而这种定量分析正是煤壁片帮机理分析的关键和基础。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，用以解决现有技术中存在的问题。本专利技术实施例提供一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，包括：基于浅埋煤层大采高工作面等效直接顶和老顶关键层台阶岩梁结构，建立浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型；根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立老顶关键层周期性破断力学模型；根据老顶关键层周期性破断力学模型，通过公式(1)，确定老顶关键层岩梁拉破断的判别条件；根据老顶关键层岩梁拉破断的判别条件，当老顶关键层出现超前拉破断时，根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立等效直接顶弹性基础梁力学模型；根据等效直接顶弹性基础梁力学模型，通过公式(2)，确定等效直接顶岩层拉破断判别式；根据等效直接顶岩层拉破断判别式，当等效直接顶出现超前拉破断时，通过公式(3)，确定浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮条件；所述公式(1)，如下所述：式(1)中，L为老顶关键层岩梁悬伸长度；x为老顶关键层超前煤壁破断距离；h为老顶关键层的厚度；σt为老顶关键层抗拉强度；k为等效直接顶和煤层弹性地基系数，E为老顶关键层岩梁弹性模量，I为老顶关键层岩梁惯性矩；所述公式(2)，如下所述：式(2)中，M0为煤壁处x＝0的直接顶岩梁弯矩；Q0为煤壁处x＝0的直接顶岩梁剪力；σt'为等效直接顶岩层的单轴抗拉强度为；x'等效直接顶超前煤壁破断距离；所述公式(3)，如下所述：p≥pm式(3)中，p为煤壁处的顶板载荷且其中，km为煤层弹性地基系数且Em为煤层弹性模量，E1为等效直接顶弹性模量，I1为等效直接顶惯性矩且I1＝∑h3/12；pm为煤壁残余强度且其中，Im为煤条截面中心轴惯性矩；Eem为受损煤体的弹性模量。进一步地，所述浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，具体包括：工作面前方老顶关键层出现超前拉裂隙；随工作面推进，老顶关键层裂隙扩展；工作面推进至超前裂隙位置附近，老顶关键层破断，回转下沉，形成台阶岩梁铰接结构。进一步地，所述根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立老顶关键层周期性破断力学模型；具体包括：将厚度M的煤层和∑h的等效直接顶视为弹性基础，老顶关键层视为位于弹性基础上的梁；上覆岩层对老顶关键层的作用力视为均布载荷q；支架作用因平衡自煤壁悬伸段直接顶岩层重量而抵消，忽略不计；等效直接顶和煤层弹性地基对老顶关键层的反力简化为均布载荷q1；设老顶关键层周期性破断步距为L0，由岩梁悬伸长度L和超前破断距离x两部分组成，即L0＝L+x；老顶关键层岩梁悬伸段受后部岩块的作用力简化为R＝0.5qL0，建立老顶关键层周期性破断力学模型。进一步地，所述等效直接顶和煤层弹性地基系数k为：进一步地，所述等效直接顶超前煤壁破断距离x'为：本专利技术实施例中，提供一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，与现有技术相比，其有益效果如下：本专利技术专利以浅埋煤层大采高综采工作面顶板结构和煤壁片帮机理为基础，确定一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，有利于对工作面煤壁片帮的可能性提前进行预判，减少或避免因煤壁片帮引起的安全事故和经济损失，为此类矿井的安全开采提供理论依据。即，将浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮与顶板活动及支架控制有机结合，全面准确反映了煤壁的受力状态，揭示浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮机理，确定煤壁片帮的判别条件，为控制煤壁稳定和进行安全开采提供了科学依据。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的浅埋煤层大采高工作面“煤壁-支架-顶板”结构模型；图3a为本专利技术实施例提供的工作面周期来压煤壁鼓帮示意图；图3b为本专利技术实施例提供的工作面周期来压煤壁片帮示意图；图4为本专利技术实施例提供的老顶关键层周期性破断力学模型；图5为本专利技术实施例提供的等效直接顶弹性基础梁力学模型；图6为本专利技术实施例提供的煤壁弧形煤条力学模型；图7a为本专利技术实施例提供的煤壁承载能力与采高的关系图；图7b为本专利技术实施例提供的煤壁承载能力与受损煤体弹性模量的关系图；图8为本专利技术实施例提供的顶板挠曲下沉曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法流程图。如图1所示，该方法包括：步骤S1：基于浅埋煤层大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，其特征在于，包括：基于浅埋煤层大采高工作面等效直接顶和老顶关键层台阶岩梁结构，建立浅埋煤层大采高综采工作面“支架‑煤壁‑顶板”结构模型；根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架‑煤壁‑顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立老顶关键层周期性破断力学模型；根据老顶关键层周期性破断力学模型，通过公式(1)，确定老顶关键层岩梁拉破断的判别条件；根据老顶关键层岩梁拉破断的判别条件，当老顶关键层出现超前拉破断时，根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架‑煤壁‑顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立等效直接顶弹性基础梁力学模型；根据等效直接顶弹性基础梁力学模型，通过公式(2)，确定等效直接顶岩层拉破断判别式；根据等效直接顶岩层拉破断判别式，当等效直接顶出现超前拉破断时，通过公式(3)，确定浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮条件；所述公式(1)，如下所述：

【技术特征摘要】
1.一种浅埋煤层大采高综采工作面煤壁片帮的判别方法，其特征在于，包括：基于浅埋煤层大采高工作面等效直接顶和老顶关键层台阶岩梁结构，建立浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型；根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立老顶关键层周期性破断力学模型；根据老顶关键层周期性破断力学模型，通过公式(1)，确定老顶关键层岩梁拉破断的判别条件；根据老顶关键层岩梁拉破断的判别条件，当老顶关键层出现超前拉破断时，根据浅埋煤层大采高综采工作面“支架-煤壁-顶板”结构模型，结合浅埋煤层大采高工作面顶板关键层发生周期破断的阶段，建立等效直接顶弹性基础梁力学模型；根据等效直接顶弹性基础梁力学模型，通过公式(2)，确定等效直接顶岩层拉破断判别式；根据等效直接顶岩层拉破断判别式，当等效直接顶出现超前拉破断时，通过公式(3)，确定浅埋煤层大采高工作面煤壁片帮条件；所述公式(1)，如下所述：式(1)中，L为老顶关键层岩梁悬伸长度；x为老顶关键层超前煤壁破断距离；h为老顶关键层的厚度；σt为老顶关键层抗拉强度；k为等效直接顶和煤层弹性地基系数，E为老顶关键层岩梁弹性模量，I为老顶关键层岩梁惯性矩；所述公式(2)，如下所述：式(2)中，M0为煤壁处x＝0的直接顶岩梁弯矩；Q0为煤壁处x＝0的直接顶岩梁剪力；σt'为等效直接顶岩层的单轴抗拉强度为；x'等效直接顶超前煤壁破断距离；所述公式(3)，如下所述：p≥pm式(3)中，p为煤壁处的顶板载荷且其中，km为煤层弹性地基系数且Em为煤层...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆享，徐璟，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61