基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法技术

本发明专利技术属于煤矿充填开采技术领域，具体涉及一种基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法；通过虚功原理、割补法确定基本顶随工作面推进悬露距离达到基本顶初次来压步距进入塑性极限状态时，基本顶所承受的上覆载荷与悬露尺寸的对应关系，进而求得基本顶初次来压步距；同理求取直接顶初次破断步距；然后根据基本顶的倒四坡顶的沉降规律，围绕内部塑性铰线进行关键位置的充填，采用工字型三条带充填形式，并给出了工字型充填尺寸参数以使直接顶和基本顶都不产生破断。本发明专利技术利用板模型对顶板沉降规律进行研究，利用塑性力学理论对顶板破断块体尺寸进行量化分析，计算公式实用快捷，对采空区定点支护具有重要意义。对采空区定点支护具有重要意义。对采空区定点支护具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法


[0001]本专利技术属于煤矿充填开采
，具体涉及一种在低充填量、低成本条件下控制顶板稳定的充填开采设计方法，尤其是一种基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法。

技术介绍

[0002]井工开采作为煤矿开采的主要方式，采空区顶板随工作面推进弯曲下沉破断并传递到地表造成含水层、地表水系破坏以及地表沉陷等问题，严重危害地表建筑、公路、铁路以及水资源的储存。为了解决上述问题，提出了“绿色开采”的概念，充填开采作为绿色开采的前沿性技术，能有效地应对“三下”压煤、遗留煤柱等煤炭资源浪费问题以及地表沉陷、水土资源流失等环境问题。目前，煤矿应用的充填开采方法与技术主要有固体工作面充填开采、固体巷道充填、膏体工作面充填开采、覆岩离层注浆充填开采和高水材料充填开采等，但充填材料造价高，所需设备与系统体量过大以及充填技术不成熟等现实问题成为了充填开采的发展的瓶颈，严重制约了充填开采在井工煤矿的推广应用。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术基于顶板破断特征，提出在采空区关键位置构筑充填体，以达到减少充填材料用量，降低充填成本且控制地表沉陷的目的。具体的，本专利技术提出一种基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法，包括以下步骤：
[0004]第一步：通过虚功原理、割补法确定基本顶随工作面推进悬露距离达到基本顶初次来压步距进入塑性极限状态时，基本顶所承受的上覆载荷与悬露尺寸的对应关系，进而求得基本顶初次来压步距：
[0005]；
[0006]式中，b为基本顶初次来压步距，h为基本顶厚度，为基本顶的抗拉强度，a为工作面宽度，q为基本顶所承受的上覆载荷；
[0007]第二步：通过虚功原理、割补法确定直接顶随工作面推进悬露距离达到直接顶初次破断步距进入塑性极限状态时，直接顶所承受的上覆载荷与悬露尺寸的对应关系，进而求得直接顶初次破断步距：
[0008]；
[0009]式中，为直接顶初次破断步距，为直接顶厚度，为直接顶的抗拉强度，a为工作面宽度，为直接顶所承受的上覆载荷；
[0010]第三步：根据基本顶倒四坡顶的沉降规律，围绕内部塑性铰线进行关键位置充填，采用工字型三条带充填形式，两个端部条带分别与运输巷道、回风巷道平行，长度为基本顶初次来压步距b；两个端部条带宽度相同，其中一个端部条带的宽度范围为自中心塑性铰线第一端点开始向运输巷道方向延伸，延伸的宽度为，另一个端部条带的宽度范围是自中心塑性铰线第二端点开始向回风巷道方向延伸，延伸的宽度为，且，t表示中心塑性铰线第一端点到运输巷道的距离或中心塑性铰线第二端点到回风巷道的距离，；中间条带与运输巷道、回风巷道垂直，长度与中心塑性铰线相同，位于中心塑性铰线正下方，且中心塑性铰线对应中间条带的居中位置，中间条带宽度由基本顶初次来压步距b和直接顶初次破断步距确定，具体为，使直接顶和基本顶都不产生破断。
[0011]本专利技术的专利技术点与有益效果：本专利技术利用板模型对顶板沉降规律进行研究，弥补了梁模型无法对覆岩空间结构变形进行清晰解释的局限性。同时利用塑性力学理论对顶板破断块体尺寸进行量化分析，计算公式实用快捷，对采空区定点支护具有重要意义。并基于此提出了围绕内部塑性铰线关键位置的工字型充填方式，该方式可有效实现在低充填用量的基础上对顶板破断的关键位置进行高效支撑，降低顶板的下沉量，维护工作面空间的安全，从而达到降低充填成本、控制地表沉陷、实现绿色开采的目的。
附图说明
[0012]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0013]图1为基本顶塑性极限状态下的俯视图；
[0014]图2为割补法求倒四坡顶体积示意图；
[0015]图3为基本顶塑性极限状态下立体图；
[0016]图4为中心塑性铰线EF相对转角α以及边界塑性铰线AC相对转角β、边界塑性铰线BD相对转角β示意图；
[0017]图5为边界塑性铰线BA相对转角Φ、边界塑性铰线DC相对转角Φ示意图；
[0018]图6为本专利技术采用工字型充填条带进行关键位置充填示意图。
具体实施方式
[0019]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术进行更为详细的描述；本专利技术的基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法，特别适用于首采工作面，包括如下步骤：
[0020]第一步：通过虚功原理、割补法确定基本顶随工作面推进悬露距离刚达到基本顶初次来压步距b进入塑性极限状态时，基本顶所承受的上覆载荷q与悬露尺寸（包括宽度和长度，宽度指工作面的采宽，长度即是基本顶初次来压步距b）的对应关系，进而求取基本顶初次来压步距b。
[0021]具体的，如图1所示是基本顶初次来压垮落前的塑性极限状态下的俯视图，图中BA和DC分别对应基本顶位于工作面运输巷道与回风巷道的边界位置，BD对应基本顶位于切眼
的边界位置，CA对应基本顶位于工作面的推进位置；基本顶BDCA随着工作面推进到达塑性极限状态时，塑性铰线萌生，塑性极限状态是基本顶破断的临界状态，根据虚功原理，基本顶存在破断趋势，产生虚位移；破断块体相互铰接整体下沉，塑性铰线为基本顶最大弯矩位置，同时也是各个破断块体的铰接线，呈双Y形，如图1中的AE、BE、CF、DF、EF。图1中，AE、BE、DF、CF、EF为内部塑性铰线，其中EF为中心塑性铰线，BD、BA、AC、DC为边界塑性铰线；确定工作面宽度也是切眼长度为a，待计算的基本顶初次来压步距为b；中心塑性铰线EF的位置参数为t，t表示中心塑性铰线EF的端点到运输巷道或回风巷道的距离。如图2
‑
3所示，由于基本顶在工作面推进至b长度时既是基本顶的塑性极限状态也是其初次来压破断状态，破断后会形成AE'、BE'、CF'、DF'、E'F'五条铰接线，其中E'F'为中心铰接线。
[0022]根据虚功原理，外力虚功W计算公式如下：
[0023]；
[0024]式中，q为破坏机构所承受的载荷，即基本顶所承受的上覆载荷，为破坏机构发生的虚位移体积，为虚位移，x,y为计算破坏机构虚位移体积时设定的直角坐标系所对应的坐标轴。
[0025]如图2所示，以立体几何割补法计算虚位移体积，基本顶随着工作面推进到达塑性极限状态，基于虚功原理，基本顶会沿着内部塑性铰线破断产生虚位移，产生虚位移后基本顶相当于是凹下去了，形成倒四坡顶BDCA
‑
E'F'结构（基本顶初次来压破断后，虚位移变成真实位移同样产生倒四坡顶BDCA
‑
E'F'结构），倒四坡顶BDCA
‑
E'F'是由基本顶的初始状态与发生虚位移后状态组成，初始状态为BDCA
‑
EF，产生虚位移后向下凹陷形成破断块体中心铰接线E'F'，中心塑性铰线EF为中心铰接线E'F'的初始状态，倒四坡顶BDCA
‑
E'F'的体积即为破坏机构发生虚位移的体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于顶板破断形态的煤矿初采期工字型充填方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：通过虚功原理、割补法确定基本顶随工作面推进悬露距离达到基本顶初次来压步距进入塑性极限状态时，基本顶所承受的上覆载荷与悬露尺寸的对应关系，进而求得基本顶初次来压步距：；式中，b为基本顶初次来压步距，h为基本顶厚度，为基本顶的抗拉强度，a为工作面宽度，q为基本顶所承受的上覆载荷；第二步：通过虚功原理、割补法确定直接顶随工作面推进悬露距离达到直接顶初次破断步距进入塑性极限状态时，直接顶所承受的上覆载荷与悬露尺寸的对应关系，进而求得直接顶初次破断步距：；式中，为直接顶初次破断步距，为直接顶厚度，为直接顶的抗拉强度，a为工作面宽度，为直接顶所承受的上覆载荷；第三步：根据基本顶倒四...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，郭伟，戚庭野，李竹，崔家庆，崔业凯，马敬凯，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：