【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种大采高“台阶岩梁”失稳时支架阻力的计算方法，属于煤炭开采领域。
技术介绍
1、大采高、特大采高综采技术以其资源回收率高、含矸率低、安全高效等技术优势得到普遍认可，在内蒙古、陕西、山西、宁夏回族自治区等矿区的厚煤层开采中应用广泛。随着煤层一次采出厚度的增加，顶板活动空间明显加大，最终形成了由多岩层组成的“台阶岩梁”式等效直接顶结构，“台阶岩梁”之上的岩层形成“砌体梁”平衡结构，即综采顶板形成“台阶岩梁-砌体梁”结构。由于“台阶岩梁”厚度较大，支架承担该部分载荷增加，当支架支撑能力不足时，“台阶岩梁”在煤壁处发生组合断裂，失稳时“台阶岩梁”形成的载荷和“砌体梁”失稳形成的动载仅由支架承担，导致工作面发生大面积压架事故。“台阶岩梁”与支架共同参与对基本顶失稳载荷的承担，对支架的作用已不仅仅只是载荷，因此有必要对大采高“台阶岩梁”进行分析，探讨其的破断失稳机理，分析其对上覆岩层结构形成的作用及在支架与围岩相互作用中的影响。基于顶板运动特征提出确定大采高综采工作面液压支架工作阻力的方法。
2、国内外学者针对大采高条件下工作面来压时的覆岩破断特征、来压机理及围岩-支架关系等内容进行了深入的研究。于斌研究指出特厚煤层综放开采近场关键层为“竖o-x”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构，“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利。王金华提出了特厚煤层综放开采顶煤体“三带”结构模型,给出了各分带厚度的确定方法。韩军指出抚顺矿区巨厚煤层软弱覆岩条件下覆岩破坏高度与采出厚度呈线性正相关,覆岩破坏高度为采出厚度的8.
3、以上研究成果对大采高顶板破断来压机理及支护阻力等进行了深入的分析，但是开采实践表明现有理论仍然不能完全指导厚煤层的开采，灾害事故依旧频发，不能完全满足企业生产需求。主要缺点如下：
4、(1)已有研究成果主要是对于对于“台阶岩梁-砌体梁”结构失稳过程分析和模拟，但是失稳机理的力学分析模型较少涉及。
5、(2)现有研究成果很少涉及“台阶岩梁-砌体梁”结构失稳时“台阶岩梁”和“砌体梁”相互作用关系、荷载传递情况等内容进行分析和探讨。
6、(3)已有成果主要是将“台阶岩梁”失稳认为是整体破断，未考虑岩梁在形成过程中自身损伤特征对其破断的影响作用。因此必要对“台阶岩梁”破断失稳特征、失稳机理，及其在支架与围岩相互作用关系中的影响进一步研究。
7、(4)现有研究成果在计算支架工作阻力时往往将“台阶岩梁-砌体梁”结构作为整体计算其对支架的作用力大小，较少考虑其失稳过程中对支架的作用。因此需要构建模型进行深入讨论。
8、综上所述，现有技术存在大采高工作面“台阶岩梁-砌体梁”结构失稳来压时支架工作阻力的研究不能完全指导开采的问题。鉴于此，提出本专利技术。
技术实现思路
1、针对浅埋煤层大采高工作面“台阶岩梁-砌体梁”结构失稳来压时支架工作阻力不能满足生产实践的上述问题，本专利技术提供一种大采高“台阶岩梁”破断失稳时支架阻力的计算方法，将“台阶岩梁”中各岩层视为带边裂纹的岩梁，在外荷载作用下裂纹扩展贯通，通过断裂力学中研究裂纹的方法来研究“台阶岩梁”的垮落及支护条件，支架工作阻力通过断裂力学方法计算得到，得到的结果更加准确。
2、本专利技术主要是通过以下技术方案实现的：
3、一种大采高“台阶岩梁”破断失稳时支架阻力的计算方法，所述支架工作阻力r的计算公式为：
4、
5、式中，c为支架支撑力作用点与煤壁的距离；r1为岩层荷载，需通过“台阶岩梁”中各岩层进行迭代计算；h1为第1层“台阶岩梁”厚度，单位m；l1为第一层“台阶岩梁”长度，单位m；fσ、fτ、fm是计算应力强度因子的相关系数；a为边裂纹长度，单位m；q1为基本顶岩梁承受的上覆岩层荷载(需通过“台阶岩梁”各岩层进行迭代计算)，单位mpa；λ为裂纹扩展的压剪比系数；kc为岩石的断裂韧性，单位mn/m3/2；β为裂纹倾角，单位°。
6、fτ、fm、fσ分别由以下公式计算得到，其他参数均由实际测量及理论计算获得，
7、
8、
9、
10、进一步的，上述支架工作阻力r的确定方法为：
11、在外界复杂载荷的作用下，将“台阶岩梁”岩层简化为带任意倾角边裂缝的岩梁结构，当工作面推进到某一位置(岩梁破断步距)时，裂纹在外荷载作用下扩展和贯通。裂纹扩展和贯通过程就是岩梁的回转失稳过程。为了方便计算，根据“台阶岩梁”的几何特征，将模型各岩块简化为矩形，建立简化后的“台阶岩梁”力学模型，对其潜在不稳定岩梁中第i个岩层进行受力分析。“台阶岩梁”结构所受荷载包括上位“砌体梁”或“台阶岩梁”结构荷载ri和下部的支架或“台阶岩梁”支撑力qzi。由于在大采高条件下，梁端矸石难以对“台阶岩梁”形成支撑作用，因此矸石的支撑作用不作考虑。由于岩层裂缝是受到复杂荷载作用下的复合型裂纹，非单纯的i，ii或iii型裂纹，通常理解为压剪裂纹。裂缝尖端应力强度因子直接计算难度较大，因此将“台阶岩梁”的岩层视为带裂纹的有限板模型。
12、将“台阶岩梁”结构视为带含边斜裂纹的有限板模型，由于“台阶岩梁”不受水平应力作用，在分析裂缝受力时，只考虑剪应力和弯矩的作用，因此将其分解为剪应力和弯矩这两个基本荷载作用下的裂纹扩展模型进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大采高“台阶岩梁”失稳时支架阻力的计算方法，其特征在于，所述支架工作阻力R的计算公式为：
2.根据权利要求1所述的支架工作阻力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种大采高“台阶岩梁”失稳时支架阻力的计算方法，其特征在于，所述支架工作阻力r的计算公式...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵限维，杨登峰，曾爱平，白锦琳，李京涛，赵长征，郭晓东，林宁，姜飞，戴文婷，
申请(专利权)人：山东省煤田地质局物探测量队，
类型：发明
国别省市：
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