一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法技术

本发明专利技术涉及一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，该方法包括多层位坚硬岩层结构特征分析、多层位坚硬岩层初次失稳尺度计算、多层位坚硬岩层周期失稳尺度计算及多层位坚硬岩层矿压显现预测。本发明专利技术以板壳力学与塑性力学基础，提出适用于多层位坚硬岩层条件下近水平特厚煤层开采矿压分级预测方法，科学的分析了不同层位坚硬岩层对矿压显现的控制作用，实现了矿压显现的分级预测，该方法预测准确率较高，开辟了煤矿矿压分级预测的新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法
本专利技术属于煤矿开采
，尤其涉及特厚煤层矿井开采的一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法。
技术介绍
坚硬岩层具有强度高、厚度大、整体性强等特征，因而不易失稳。当工作面上方存在坚硬岩层时，来压步距可达上百米，特别是覆岩中存在多层坚硬岩层时，矿压显现问题将更为复杂，其失稳时可造成顶板大面积来压，将引起井下风暴，严重时可诱发瓦斯、水等次生灾害，威胁井下人员安全。针对这类矿井，实现较为准确的矿压分级预测是矿压防治、岩层控制的基础，有利于矿井安全高效生产，因此，本专利技术提供一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法实现较为准确的矿压分级预测。
技术实现思路
为了应对坚硬岩层覆岩失稳所带来力的矿井灾害，提高矿井安全高效生产，本专利技术提供一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法。一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、根据矿井钻孔柱状图，由下至上，计算确定坚硬岩层的数量和位置，直至确定出最上一层坚硬岩层位置，计算过程中满足以下判定标准：(1)：假设第1岩层为坚硬岩层，它控制范围达到第n岩层，则第n+1层为下一坚硬岩层，此时岩层载荷满足：qn+1<qn式中：qn+1—计算至第n+1岩层时，第1岩层所受载荷；qn—计算至第n岩层时，第1岩层所受载荷；(2)：假设覆岩中满足条件(1)的坚硬岩层共有k层，则还应满足坚硬岩层的强度条件：bj+1<bj式中：bj+1—第j+1岩层初次失稳尺度；>bj—第j岩层初次失稳尺度；步骤2、对多层位坚硬岩层进行结构特征分析，确定各坚硬岩层控制的结构形态，预测坚硬岩层结构失稳步距，具体步骤如下：步骤2-1：建立由低位坚硬岩层悬臂结构、中位坚硬岩层砌体结构至高位坚硬岩层压力拱结构渐进、复合失稳运动板式结构的多层位坚硬岩层系统模型；步骤2-2：分别确定低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层控制结构的周期失稳尺度，并计算结构失稳对应回采工作面的推进距离；步骤3：矿压显现预测，根据低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层的初次失稳尺度、周期失稳尺度、失稳前岩层下方自由空间高度和工作面推进距离对矿压显现进行分级预测。经预测，低位坚硬岩层初次失稳控制工作面初次来压，低位坚硬岩层周期失稳控制工作面小周期来压，中位坚硬岩层失稳控制工作面大周期来压，高位坚硬可形成空间范围内大尺度压力拱结构，当空间结构失稳时，易诱发动力显现。进一步地，所述步骤1中坚硬岩层载荷计算和初次失稳尺度所采用的计算公式分别为：式中：(qn)1—第n层岩层对第1层岩层的载荷，MPa；En—第n层岩层的弹性模量，GPa；μn—第n层岩层的泊松比；γn—第n层岩层的容重，kN/m3；hn—第n层岩层的厚度，m；其中：a模式：b模式：式中：b1i—坚硬岩层初次失稳尺度，m；ai—坚硬岩层沿工作面方向悬露长度，m；qi—坚硬岩层所受载荷，MPa；Msi—坚硬岩层极限弯矩，hi—坚硬岩层厚度，m；σsi—坚硬岩层抗拉强度，MPa；xi—坚硬岩层初次失稳a模式下坚硬岩层失稳几何参数；yi—坚硬岩层初次失稳b模式下坚硬岩层失稳几何参数。进一步地，所述步骤2-2中的周期失稳尺度计算方法如下：低位坚硬岩层初次失稳后，随着回采工作面继续推进，将导致其周期失稳，低位坚硬岩层周期失稳尺度求解为：其中：a模式：b模式：式中：xi—低位坚硬岩层周期失稳模式b模式下岩层失稳几何参数；yi—低位坚硬岩层周期失稳模式a模式下岩层失稳几何参数；工作面不断推进，低位坚硬岩层周期失稳，将导致中位坚硬岩层达到其初次失稳尺度，计算方法如上，中位坚硬岩层初次失稳后，也将产生周期失稳，同理，高位坚硬岩层也将产生初次失稳与周期失稳；中位坚硬岩层和高位坚硬岩层周期失稳尺度求解为：其中：b模式：a模式：a模式：xi—b模式下坚硬岩层失稳几何参数；y1i—a模式下坚硬岩层失稳几何参数；y2i—a模式下坚硬岩层失稳几何参数。进一步地，工作面推进距离与失稳尺度间关系如下：Li＝2Hi×cotδ+bi(5)式中，Li为工作面来压步距；Hi为坚硬岩层距煤层间距；δ岩层垮落角。有益效果：本专利技术以板壳力学与塑性力学基础，提出适用于多层位坚硬岩层条件下近水平特厚煤层开采矿压分级预测方法，揭示了坚硬岩层采场覆岩结构特征，确定了不同条件下坚硬岩层结构失稳尺度，阐明了覆岩结构失稳运动规律，合理解释了坚硬岩层条件下特厚煤层开采产生的矿压现象，矿压分级方法：低位坚硬岩层初次失稳，来压强度为中等；低位坚硬岩层周期失稳，来压强度为弱；中位坚硬岩层失稳，来压强度为中等；高位坚硬失稳，来压强度为强，实现了坚硬岩层覆岩失稳运动较为准确的预测，为煤矿安全高效生产提供了技术支撑。附图说明图1是本专利技术一种实施例的多层位坚硬岩层矿压分级预测方法流程图；图2是本专利技术一种实施例的低位坚硬岩层初次失稳破裂线示意图；图3是本专利技术一种实施例的低位坚硬岩层周期失稳破裂线示意图；图4是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层I初次失稳破裂线示意图；图5是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层I周期失稳破裂线示意图；图6是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层II初次失稳破裂线示意图；图7是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层II周期失稳破裂线示意图；图8是本专利技术一种实施例的高位坚硬岩层初次失稳破裂线示意图；图9是本专利技术一种实施例的高位坚硬岩层周期失稳破裂线示意图；图10是本专利技术一种实施例的低位坚硬岩层初次失稳剖面图；图11是本专利技术一种实施例的低位坚硬岩层第一次周期失稳剖面图；图12是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层I初次失稳剖面图；图13是本专利技术一种实施例的中位坚硬岩层II初次失稳剖面图；图14是本专利技术一种实施例的高位坚硬岩层初次失稳剖面图。图中，1、高位坚硬岩层，2、中位坚硬岩层II,3、中位坚硬岩层I，4、低位坚硬岩层。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，即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。下面结合附图1-14以大同矿区某坚硬岩层矿井为实施例，对本专利技术做进一步详细说明：根据煤矿工作面钻孔柱状及数据，根据上述坚硬岩层协同变形载荷计算公式及坚硬岩层初次失稳计算公式，从下向上逐层计算各上覆岩层的载荷，计算结果如下：第1步：硬岩层判定：q1＝γ1h1＝68.4kPa计算第2层对第1层的作用，则q2/1为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1、根据矿井钻孔柱状图，由下至上，计算确定坚硬岩层的数量和位置，直至确定出最上一层坚硬岩层位置，计算过程中满足以下判定标准：/n(1)：假设第1岩层为坚硬岩层，它控制范围达到第n岩层，则第n+1层为下一坚硬岩层，此时岩层载荷满足：q

【技术特征摘要】
1.一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据矿井钻孔柱状图，由下至上，计算确定坚硬岩层的数量和位置，直至确定出最上一层坚硬岩层位置，计算过程中满足以下判定标准：
(1)：假设第1岩层为坚硬岩层，它控制范围达到第n岩层，则第n+1层为下一坚硬岩层，此时岩层载荷满足：qn+1<qn
式中：qn+1—计算至第n+1岩层时，第1岩层所受载荷；
qn—计算至第n岩层时，第1岩层所受载荷；
(2)：假设覆岩中满足条件(1)的坚硬岩层共有k层，则还应满足坚硬岩层的强度条件：bj+1<bj
式中：bj+1—第j+1岩层初次失稳尺度；
bj—第j岩层初次失稳尺度；
步骤2、对多层位坚硬岩层进行结构特征分析，确定各坚硬岩层控制的结构形态，预测坚硬岩层结构失稳步距，具体步骤如下：
步骤2-1：建立由低位坚硬岩层悬臂结构、中位坚硬岩层砌体结构至高位坚硬岩层压力拱结构渐进、复合失稳运动板式结构的多层位坚硬岩层系统模型；
步骤2-2：分别确定低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层控制结构的周期失稳尺度，并计算结构失稳对应回采工作面的推进距离；
步骤3：矿压显现预测，根据低位坚硬岩层、中位坚硬岩层和高位坚硬岩层的初次失稳尺度、周期失稳尺度、失稳前岩层下方自由空间高度和工作面推进距离对矿压显现进行分级预测。


2.根据权利要求1所述的一种多层位坚硬岩层矿压分级预测方法，其特征在于，所述步骤1中坚硬岩层载荷计算和初次失稳尺度所采用的计算公式分别为：



式中：(qn)1—第n层岩层对第1层岩层的载荷，MPa；
En—第n层岩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云鹏，赵善坤，张宏伟，王寅，王新华，秦凯，任强，王博，
申请(专利权)人：煤炭科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11