工作面极限开采宽度计算方法、可读存储介质及电子设备技术

本发明专利技术公开了一种工作面极限开采宽度计算方法、可读存储介质及电子设备，其方法包括：A、根据关键层理论从覆岩岩层中确定形成分层拱条件的厚硬岩层；B、随应力拱的工作面逐步推进，计算应力拱位于厚硬岩层下方及应力拱跨越厚硬岩层的厚硬岩层未破断、破断情况下的拱高；C、设定应力拱的拱高等于覆岩总厚度H0为开采宽度的极限临界条件，计算得到工作面极限开采宽度。本发明专利技术根据刚度条件判别式、强度条件判别式确定厚硬岩层，随应力拱的工作面逐步推进，根据空顶距条件、厚硬岩层极限破断距条件进行是否破断判定并分别计算出拱高，进而计算得到拱的工作面极限开采宽度，为煤矿开采设计和沉陷控制提供技术支撑。和沉陷控制提供技术支撑。和沉陷控制提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
工作面极限开采宽度计算方法、可读存储介质及电子设备


[0001]本专利技术涉及矿山开采沉陷及安全采矿领域，尤其涉及一种基于分层拱理念的工作面极限开采宽度计算方法、可读存储介质及电子设备。

技术介绍

[0002]煤炭资源是一种主体能源，煤炭在一次能源消费中的占比超50％，对工业化和现代化发展具有重要促进作用。然而，煤炭开采会不可避免在地下形成大量采动空间，造成岩层移动与破坏，导致地下水与瓦斯运移、地表下沉甚至塌陷以及生态损伤，这些也给矿区生态文明建设带来严峻挑战。相关研究表明，地下煤层开采岩，覆岩内应力传递路径发生偏移，形成应力拱结构，拱结构承担并传递上覆岩土层荷载，对采动覆岩起到支撑作用，从而控制地表沉降，减缓地表损伤。
[0003]应力拱作为采动覆岩的一种宏观承载结构，随着工作面开采尺寸增加，拱的跨度和高度不断增加，并在高度发育至地表时发生失稳。然而，当上覆岩层岩性非均质，存在明显的厚硬岩层时，拱的发育过程将变得更加复杂。厚硬岩层会影响应力拱发育，当厚硬岩层处于未破断状态，硬岩下方应力拱的拱高将在厚硬岩层底部发育终止，并无法突破该岩层，上方采动覆岩会在厚硬岩层顶部重新起拱，形成“分层拱”现象。然而当采宽继续增加，厚硬岩层破断，分层拱又会结合，形成一个完整的新拱。近年来，相关学者采用数值模拟、相似模拟、理论分析等方法对采动覆岩拱结构的发育过程、结构形态和稳定性等进行了研究，并取得了一定的进展。但针对覆岩中存在厚硬岩层条件下拱高和拱结构临界失稳时工作面极限开采宽度的计算问题仍有待研究，也没有相关技术解决方案。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决
技术介绍
所指出的技术问题，提供一种工作面极限开采宽度计算方法、可读存储介质及电子设备，根据刚度条件判别式、强度条件判别式对目标矿区上覆岩层进行逐层判断，以确定具备形成分层拱条件的厚硬岩层；随应力拱的工作面逐步推进，根据厚硬岩层的空顶距条件、厚硬岩层极限破断距条件进行厚硬岩层是否破断判定，并分别计算出厚硬岩层未破断、已破断的拱高，进而计算得到含有厚硬岩层覆岩的拱的个作面极限开采宽度，为煤矿开采设计和沉陷控制提供技术支撑。
[0005]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0006]一种工作面极限开采宽度计算方法，其方法包括：
[0007]A、煤层以上为覆岩，覆岩包含n层岩层，根据关键层理论从n层岩层中确定形成分层拱条件的厚硬岩层S；
[0008]B、煤层上方构筑应力拱，随应力拱的工作面逐步推进，应力拱的拱高计算方法如下：
[0009]B1、若应力拱位于厚硬岩层S下方，则应力拱的拱高a1的计算方法如下：
[0010]a1＝bK
j
，其中a1为拱高，b为拱跨度，K
j
为椭圆拱的拱形系数，j表示应力拱的拱顶
所在岩层，0＜j≤n；
[0011]B2、若应力拱跨越厚硬岩层S，判断厚硬岩层是否破断并以此分成厚硬岩层未破断、厚硬岩层破断两种情况，具体如下：
[0012]B21、岩厚硬岩层未破断，应力拱包括上应力拱和下应力拱，厚硬岩层上方形成上应力拱，厚硬岩层下方形成下应力拱，则上、下应力拱的总拱高a2按照如下公式计算得到：
[0013]a2＝[L1‑
2H
s
cotψ+0.1(M
‑
ε
P
H
S
+H
S
)(H0‑
H
s
)]K2+H
s
+h
s
其中，L1为下应力拱的开采宽度，H
s
为厚硬岩层S的层位高度，h
s
为厚硬岩层S的自身度度，M为采厚，ε
p
为破断岩层残余碎胀系数，H0为覆岩总厚度，K2为上应力拱的拱形系数，ψ表示覆岩的破断角；
[0014]B22、岩厚硬岩层破断，厚硬岩层破断的新应力拱的拱高a3按照如下公式计算得到：
[0015]a3＝(L3+0.1MH0)K3，其中L3为新应力拱的开采宽度，M为采厚，K3为新应力拱的拱形系数；
[0016]C、设定应力拱的拱高等于覆岩总厚度H0为开采宽度的极限临界条件，计算得到工作面极限开采宽度，方法如下：
[0017]C1、厚硬岩层未破断条件下的通过如下公式计算得到：
[0018][0019]C2、厚硬岩层破断条件下的通过如下公式计算得到：
[0020][0021]为了更好地实现本专利技术，应力拱的拱形系数(包括K1、K2、K3)按照如下公式得到：
[0022]其中C表示应力拱相关岩层岩性的普氏硬度系数，e为数学常数，A、B根据数值模拟反演或现场实测数据确定的系数；岩应力拱位于厚硬岩层S下方，则H
k
取值为H
j
；岩厚硬岩层未破断条件，则H
k
取值为H0‑
H
s
；岩厚硬岩层破断条件，则H
k
取值为H0。
[0023]优选地，本专利技术厚硬岩层S通过如下方法确定：
[0024]A1、以岩层S1为假定厚硬岩层，0＜S1＜n，通过如下刚度条件与强度条件分别进行判定：
[0025]A11、刚度条件判别式如下：
[0026]其中E、γ分别表示岩层的弹性模量和重力密度；
[0027]A12、强度条件判别式如下：
[0028]l
s1
＜l
n+1
，其中l
s1
为第s1层岩层的破断距，l
m+1
为第m+1层岩层的破断距；
[0029]A13、对覆岩所有岩层判断，直到同时满足刚度条件判别式、强度条件判别式，即可确定岩层m+1为厚硬岩层。
[0030]优选地，本专利技术厚硬岩层是否破断的判断方法如下：
[0031]B200、以厚硬岩层的空顶距条件、厚硬岩层极限破断距条件分别进行判定；
[0032]B201、厚硬岩层的空顶距条件如下：
[0033]M
‑
(ε
p
‑
1)H
k1
‑
W
s
是否大于零，若大于零，则厚硬岩层下方出现空顶，其中M为采厚，ε
p
为破断岩层残余碎胀系数，W
s
为地表最大下沉量；
[0034]B202、厚硬岩层极限破断距条件如下：
[0035]其中L
S
表示表示厚硬岩层的横向悬露长度，R
T
为厚硬岩层的抗拉强度，q
s
表示厚硬岩层所承受的荷载；
[0036]B203、同时满足M
‑
(ε
p
‑
1)H
k1
‑
W
s
＞0、时，则判定厚硬岩层已破断。
[0037]作为本专利技术另一种优选的刚度条件判别式技术方案，方法A11中刚度条件判别式采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工作面极限开采宽度计算方法，其特征在于：其方法包括：A、煤层以上为覆岩，覆岩包含n层岩层，根据关键层理论从n层岩层中确定形成分层拱条件的厚硬岩层S；B、煤层上方构筑应力拱，随应力拱的工作面逐步推进，应力拱的拱高计算方法如下：B1、若应力拱位于厚硬岩层S下方，则应力拱的拱高a1的计算方法如F：a1＝bK
j
，其中a1为拱高，b为拱跨度，K
j
为椭圆拱的拱形系数，j表示应力拱的拱顶所在岩层，0＜j≤n；B2、若应力拱跨越厚硬岩层S，判断厚硬岩层是否破断并以此分成厚硬岩层未破断、厚硬岩层破断两种情况，具体如下：B21、若厚硬岩层未破断，应力拱包括上应力拱和下应力拱，厚硬岩层上方形成上应力拱，厚硬岩层下方形成下应力拱，则上、下应力拱的总拱高a2按照如下公式计算得到：a2＝[L1‑
2H
s cotψ+0.1(M
‑
ε
P
H
S
+H
S
)(H0‑
H
s
)]K2+H
s
+h
s
其中，L1为下应力拱的开采宽度，H
s
为厚硬岩层S的层位高度，h
s
为厚硬岩层S的自身厚度，M为采厚，ε
p
为破断岩层残余碎胀系数，H0为覆岩总厚度，K2为上应力拱的拱形系数，ψ表示覆岩的破断角；B22、若厚硬岩层破断，厚硬岩层破断的新应力拱的拱高a3按照如下公式计算得到：a3＝(L3+0.1MH0)K3，其中L3为新应力拱的开采宽度，M为采厚，K3为新应力拱的拱形系数；C、设定应力拱的拱高等于覆岩总厚度H0为开采宽度的极限临界条件，计算得到工作面极限开采宽度，方法如下：C1、厚硬岩层未破断条件下的通过如下公式计算得到：C2、厚硬岩层破断条件下的通过如下公式计算得到：2.按照权利要求1所述的工作面极限开采宽度计算方法，其特征在于：应力拱的拱形系数按照如下公式得到：其中C表示应力拱相关岩层岩性的普氏硬度系数，e为数学常数，A、B根据数值模拟反演或现场实测数据确定的系数；若应力拱位于厚硬岩层S下方，则H
k
取值为H
j
；若厚硬岩层未破断条件，则H
k
取值为H0‑
H
s
；若厚硬岩层破断条件，则H
k
取值为H0。3.按照权利要求1所述的工作面极限开采宽度计算方法，其特征在于：所述厚硬岩层S通过如下方法确定：A1、以岩层S1为假定厚硬岩层，0＜S1＜n，通过如下刚度条件与强度条件分别进行判定：A11、刚度条件判别式如下：其中E、γ分别表示岩层的弹性模量和重力密度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全生，阎跃观，朱元昊，郭俊廷，张琰君，李军，张村，滕腾，张成业，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：