一种科学制造技术

本发明专利技术属于矿山压力与岩层控制技术领域，公开了一种科学

【技术实现步骤摘要】
一种科学、定量的关键层破断角的推测方法、系统


[0001]本专利技术属于矿山压力与岩层控制
，尤其涉及一种科学
、
定量的关键层破断角的推测方法
、
系统
。

技术介绍

[0002]随着浅部煤炭资源的枯竭，我国矿井的开采深度逐年增加，矿压问题日益严重
。
工作面回采过程中，煤层顶板悬露面积逐步增大，顶板逐步积累弹性势能，当悬露的长度达到顶板的极限跨距开始发生破断，并释放所累积的能量，对工作面及巷道中的人员
、
机械设备等造成损害，产生不良社会影响等
。
[0003]目前针对此类灾害的主要防治方法为工作面切顶卸压，但是面对工作面不同的覆岩状况，应以何种角度对工作面顶板进行切顶，尚未形成统一的理论体系
。
只有了解岩层的破断角的自然规律，才能在进行切顶时顺应这一规律，使切顶卸压工作经济高效进行
。
所以对关键层破断角进行研究可以更加方便地了解上覆岩层的破断形成结构，得到的结论可以应用于危险易发区，消除安全隐患
。
因此通过力学分析与模拟实验对破断角进行研究，获得关键层破断角的推测方法尤为重要
。
国内许多学者也对采场上覆岩层破断形成的结构进行了研究，其大多数使用的都是三角函数估算法，三角函数估算法参考的是如下三篇学术论文：
[1]蒋金泉，张培鹏，秦广鹏，等
.
高位主关键层破断失稳及微震活动分析
[J].
岩土力学；
[2]张润兵
.
杨柳煤矿上覆双层厚硬火成岩破断运移规律研究
[D].
徐州
:
中国矿业大学；
[3]杨培举，何烨，郭卫彬
.
采场上覆巨厚坚硬岩浆岩致灾机理与防控措施
[J].
煤炭学报
。
但是，由于岩性
、
厚度以及载荷等的不同，各个关键层形成的破断角也均不相同
。
[0004]综上所述，仅通过简单的几何关系去确定破断角具有一定的主观性与随意性，所以仅依靠一些简单的方法进行顶板控制操作具有很大的危险性，需要通过别的方法得到精确的破断角的角度
。
[0005]由于关键层破断角的原位测量和统计受到现场条件和测量手段的限制，在现场无法完整地反应岩层的破断情况
。
所以通过力学分析与模拟实验对破断角进行研究，可以获得现场实测无法得到的结论
。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007](1)
面对工作面不同的覆岩状况，应以何种角度对工作面顶板进行切顶，目前尚未形成统一的理论体系
。
[0008](2)
目前仅通过简单的几何关系确定破断角具有一定的主观性与随意性，所以仅依靠一些简单的方法进行顶板控制操作具有很大的危险性
。
[0009](3)
由于关键层破断角的原位测量和统计受到现场条件和测量手段的限制，在现场无法完整地反应岩层的破断情况
。

技术实现思路

[0010]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种科学
、
定量的关键
层破断角的推测方法
、
系统，所述技术方案如下：
[0011]本专利技术是这样实现的，一种科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，包括以下步骤：
[0012]S1
，基于弹性力学与岩体力学，建立采场上覆岩层破断的梁力学模型；对关键层岩梁力学模型进行受力分析，求得边界条件；在破断岩块满足断块挤压结构条件下，配合边界条件求得应力函数，最后求得应力分量；在关键层岩梁当中取一块单元体，对单元体进行受力分析，将应力分量代入公式计算，取得破断角
β
的取值范围；
[0013]S2
，进行采场覆岩关键层破断角的相似模拟实验分析，并将相似模拟实验结果与公式计算结果进行比对，得到最终结果；
[0014]S3
，对岩石内部的内摩擦角
、
岩石的厚度以及岩石破断时的悬跨长度进行分析，确定关键层破断角的影响因素，最后确定破断角角度
。
[0015]在
S1
中，对关键层岩梁力学模型进行受力分析后，通过公式计算，在破断岩块满足断块挤压结构的情况下，根据以下公式求得应力分量
σ
x
,
σ
y
,
τ
xy
，则：
[0016][0017]式中，
σ
x
为单元体
x
方向主应力，
σ
y
为单元体
y
方向主应力，
τ
xy
为单元体所受剪应力，
y
为单元体与关键层厚度中线的垂直距离，
h
为关键层厚度，
N
′
为自由端所受集中力，
Q
′
为自由端所受集中力，
x
为单元体与关键层厚度中线的水平距离，
Δ
为弯曲挠度，
q
为关键层所承受载荷，
q
c
为关键层上覆的均布载荷
。
[0018]在
S1
中，在关键层岩梁当中取一块单元体，对单元体进行受力分析，将应力分量代入公式计算，取得破断角
β
的取值范围，包括：根据矿方提供的矿井地质资料以及岩石力学性能测试报告，使实验模型与采场工作面原型之间的几何相似
、
强度相似参数的一致；采用相似材料模拟试验台，搭建采场覆岩关键层破断角的相似模拟实验；实验过程中，根据时间相似进行工作面回采，利用高清摄像机拍摄记录采场上覆关键层的断裂形态，并与公式计算结果相比对，得到最终结果
。
[0019]进一步，对单元体进行受力分析，包括：与
σ
x
作用面夹角
α
的平面上，
σ1的表达式由以下公式对
α
求导获得：
[0020][0021]则
σ1的表达式由以下公式表示：
[0022][0023]θ1作为最大主应力
σ1与
σ
x
的夹角，利用以下公式求得：
[0024][0025]式中，
α
为作用面夹角，
σ1为岩层破断面跟最大主应力，
σ
n
为最大主应力，
σ
x
为单元体
x
方向主应力，
σ
y
为单元体
y
方向主应力，
τ
xy
为单元体所受剪应力，
θ1为最大主应力
σ1与
σ
x
的夹角<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1
，基于弹性力学与岩体力学，建立采场上覆岩层破断的梁力学模型；对关键层岩梁力学模型进行受力分析，求得边界条件；在破断岩块满足断块挤压结构条件下，配合边界条件求得应力函数，最后求得应力分量；在关键层岩梁当中取一块单元体，对单元体进行受力分析，将应力分量代入公式计算，取得破断角
β
的取值范围；
S2
，进行采场覆岩关键层破断角的相似模拟实验分析，并将相似模拟实验结果与公式计算结果进行比对，得到最终结果；
S3
，对岩石内部的内摩擦角
、
岩石的厚度以及岩石破断时的悬跨长度进行分析，确定关键层破断角的影响因素，最后确定破断角角度
。2.
根据权利要求1所述科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，其特征在于，在
S1
中，对关键层岩梁力学模型进行受力分析后，通过公式计算，在破断岩块满足断块挤压结构的情况下，根据以下公式求得应力分量
σ
x
,
σ
y
,
τ
xy
，则：式中，
σ
x
为单元体
x
方向主应力，
σ
y
为单元体
y
方向主应力，
τ
xy
为单元体所受剪应力，
y
为单元体与关键层厚度中线的垂直距离，
h
为关键层厚度，
N
′
为自由端所受集中力，
Q
′
为自由端所受集中力，
x
为单元体与关键层厚度中线的水平距离，
Δ
为弯曲挠度，
q
为关键层所承受载荷，
q
c
为关键层上覆的均布载荷
。3.
根据权利要求1所述科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，其特征在于，在
S1
中，在关键层岩梁当中取一块单元体，对单元体进行受力分析，将应力分量代入公式计算，取得破断角
β
的取值范围，包括：根据矿方提供的矿井地质资料以及岩石力学性能测试报告，使实验模型与采场工作面原型之间的几何相似
、
强度相似参数的一致；采用相似材料模拟试验台，搭建采场覆岩关键层破断角的相似模拟实验；实验过程中，根据时间相似进行工作面回采，利用高清摄像机拍摄记录采场上覆关键层的断裂形态，并与公式计算结果相比对，得到最终结果
。4.
根据权利要求3所述科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，其特征在于，对单元体进行受力分析，包括：与
σ
x
作用面夹角
α
的平面上，
σ1的表达式由以下公式对
α
求导获得：则
σ1的表达式由以下公式表示：
θ1作为最大主应力
σ1与
σ
x
的夹角，利用以下公式求得：式中，
α
为作用面夹角，
σ1为岩层破断面跟最大主应力，
σ
n
为最大主应力，
σ
x
为单元体
x
方向主应力，
σ
y
为单元体
y
方向主应力，
τ
xy
为单元体所受剪应力，
θ1为最大主应力
σ1与
σ
x
的夹角
。5.
根据权利要求2所述科学
、
定量的关键层破断角的推测方法，其特征在于，将应力分量
σ
x
,
σ
y
,
τ
xy
的计算公式代入到
θ1的计算公式中，令
x
＝
0,y
＝0，得到公式为：通过摩尔库伦准则得出岩层破断面跟最大主应力
σ1的夹角
θ2，由以下公式表示：由几何关系可知
β
的求值公式为：
β
＝
θ1+
θ2则：式中，
σ
x
为单元体
x
方向主应力，
σ
y
为单元体
y
方向主应力，
τ
xy
为单元体所受剪应力，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：许斌，张沿，徐维正，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：