CN104268364A - 一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，其所述方法是假定n个距离顶板高度y_i（i=1，2，3，…，n）的圆心和n个滑移圆弧半径R_j（j=1，2，3，…，n），由y_i和R_j定义n×n个滑移面S_ij，并求其危险系数K_ij；作n×n个滑移面S_ij的滑移危险系数K曲面，用K=1平面与K曲面相交形成K_cr=1曲线；定义滑移面与顶板交点到煤壁距离为滑移面深度d，作n×n个滑移面S_ij的滑移深度d曲面，将K_cr=1曲线在d曲面上投影形成临界滑移深度d_cr曲线；在d_cr曲线上找出最大值d_crmax（y_cr，R_cr），由y_cr和R_cr所确定的滑移面为最大深度临界滑移面，其d_crmax值为煤壁滑移片帮深度，在大采高工作面煤壁管理中将以此深度设计防治煤壁片帮的控制措施及其参数。

Description

一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法

技术领域

本发明属于煤炭开采回采工作面围岩控制技术领域，尤其涉及一种确定回采工作面煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法。

背景技术

厚及特厚煤层在我国煤炭资源中约占40%，目前大采高综采一次开采高度为3.5~7.0m，大采高综放一次开采厚度为5~20m，其中底层割煤高度3~5m。然而，实践证明大采高综采/放工作面由于煤壁高度的加大，矿压显现更加剧烈，特别是极易发生煤壁片帮。严重的煤壁片帮不仅影响工作面的正常生产，而且还威胁着矿工的生命安全。因此，控制煤壁片帮成为大采高综采/放开采的关键技术问题。

在煤壁片帮方面，现有的研究成果多集中在影响煤壁片帮的因素分析、片帮机理研究、片帮方式、片帮形式和类型以及防治煤壁片帮的技术措施上，尚无查到一种系统有效的预测煤壁片帮深度及其对滑移危险性评价的方法，这一现状直接限制了控制煤壁片帮方法及其参数的准确确定。文献《大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术》（煤炭科学技术,2008,36（9）:1-3，24）采用库仑-摩尔强度理论，得出的压剪式煤壁片帮最大深度的计算式为Δa=M tan(45^°-φ/2)和滑落式煤壁片帮最大深度的计算式为Δb=M tan(90^°-φ)，可见该计算式中仅考虑了煤壁高度M和煤的内摩擦角φ，所考虑因素单一，并且其预测值与实际片帮深度相差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够准确确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法。所述方法的内容与步骤为：

1）作图给出煤层顶板CE和底板AF，连接AC形成高度为M的煤壁，在顶板CE之上距CE距离为y_i（i=1，2，3，…，n）作与CE平行的直线L_i，以A为圆心，以R_j（j=1，2，3，…，n）为半径作圆弧ω_j，ω_j与L_i相交成n×n个交点O_ij，再以O_ij为圆心，R_j为半径作圆弧，所作圆弧与煤层底板交点均为A点，和煤层顶板相交成n×n个交点B_ij，形成n×n个圆弧                                                 _ij，定义圆弧 _ij为假定的n×n个滑移面S_ij，且定义点B_ij到C点的距离CB_ij为滑移面S_ij的滑移深度d_ij（n×n个）；根据煤层采高和采场矿山压力显现情况，估计煤壁的最大深度滑移面的滑移深度d_ij max，根据煤壁片帮及煤壁加固的工程特点，取最大深度滑移面滑移深度d_ij max的预测精度为0.05~0.3m，则将d_ij划分为宽度b_ijm=0.05~0.3m的k个垂直煤条，将k个垂直煤条由外向里编号，计算或量出各煤条的高度h_ijm（m=1，2，…，k）和各煤条底部滑移面切线与顶底板平面的夹角 _ijm（m=1，2，…，k）。

2）根据式（1）计算顶板作用在每个煤条上的垂直应力q_ijm：

               (1) 

式（1）中，为顶板作用在煤条上的垂直应力，kPa；c为煤的内聚力，kPa；为煤的内摩擦角，°；p为支架护帮板的水平推力，在此可不予考虑，取p=0；x_ijm为煤条中心距煤壁边缘的距离；和为广义Mises准则系数。

3）根据式（2）计算假定滑移面S_ij的滑移危险系数K_ij。如果K_ij＞1，所假定的滑移面是稳定的；K_ij=1，所假定滑移面是临界滑移面；K_ij＜1，所假定的滑移面是不稳定的。

                        （2）

式（2）中，为假定滑移面S_ij的滑移危险系数；；为煤的内摩擦角，°；c为煤的内聚力，kPa；为顶板与煤条接触面上的法向作用力，kN，；b_ijm为煤条的宽度，m；为工作面沿推进方向的倾角，°，仰斜取正，俯斜取负；f_ijm为顶板对煤条的摩擦阻力，kN，；W_ijm为煤条自重，kN，，为煤的容重，kN/m³；x_ijm为圆心O_ij到F_ijm的力臂，m，。

4）作由y_i和R_j所定义的n×n个滑移面S_ij（y_i，R_j）的滑移危险系数K曲面，用K=1的平面与K曲面相交形成K_cr=1曲线；作n×n个滑移面S_ij的滑移深度d曲面，将K_cr=1曲线在d曲面上投影形成临界滑移深度d_cr曲线；在d_cr曲线上找出最大值d_crmax（y_cr，R_cr），由y_cr和R_cr所确定的滑移面为最大深度临界滑移面，其d_crmax值为煤壁滑移片帮深度，在大采高工作面煤壁管理中将以此深度设计防治煤壁片帮的控制措施及其参数。

本发明提供的一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，其特征在于提出一种考虑煤壁高度M、顶板压力F、煤的内聚力c和煤的内摩擦角等多因素的能够更加准确地预测煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，与现有技术《大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术》（煤炭科学技术,2008,36（9）:1-3，24）相比，考虑因素较全面，预测结果更加准确。如：斜沟煤矿18107工作面采高6.2m，煤层的容重为14.4 kN/m³，残余粘聚力c为0.5MPa，内摩擦角为35°，采用现有技术预测该工作面压剪式和滑落式的片帮深度分别为3.23m和8.85m，采用本发明方法预测该工作面煤壁滑移片帮深度为2.2m，而现场实测结果表明，该工作面煤壁片帮深度最大为2.08m，因此，本发明对煤壁滑移片帮深度的预测更加接近实测结果，为控制煤壁片帮方法和参数的选取提供了一种简单、实用和预测结果更加准确的方法，具有重要的科学意义和工程实用价值。

附图说明

附图1是确定工作面煤壁和滑移面方法示意图。

附图2是确定煤壁滑移面垂直煤条划分及其参数方法示意图。

附图3是确定煤壁滑移面滑移危险系数和滑移深度的方法示意图。

附图4是确定最大深度临界滑移面的方法示意图。

附图5是确定某矿一个工作面煤壁-滑移面示意图。

附图6是确定某工作面煤壁滑移面垂直煤条划分示意图。

附图7是确定某工作面煤壁滑移面滑移危险系数和滑移面深度的示意图。

附图8是确定某工作面煤壁最大深度临界滑移面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的描述：

实施本发明所提供的一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

步骤一、如图5所示，CE为所采煤层顶板，AF为所采煤层底板，AC为工作面煤壁，高度6.2m，在顶板CE以上距CE距离为y₃=4m处作平行于CE的直线L₃，以A为圆心，半径R₃=25m作圆弧ω₃和直线L₃相交于点O₃₃，以O₃₃为圆心，O₃₃A=R₃=25m为半径作圆弧和顶板CE交于点B₃₃，圆弧 ₃₃为y₃=4m和R₃=25m所确定的滑移面S₃₃，再取圆心距顶板高度y₁=0m，y₂=2m，y₄=6m，y₅=8m和滑移面半径R₁=21m，R₂=23m，R₄=27m，R₅=30m，由y_i和R_j组合确定25个滑移面S_ij（y_i，R_j），见表1，25个滑移面S_ij的深度d_ij（y_i，R_j）见表2。根据该煤层采高和采场矿山压力显现情况，估计煤壁的最大深度滑移面的滑移深度d_ij max为2.5m，根据煤壁片帮及煤壁加固的工程特点，取最大深度滑移面滑移深度的预测精度为0.2m，则将d_ij划分为宽度b_ijm=0.2m的k个垂直煤条，将k个垂直煤条由外向里编号，计算或量出各煤条的高度h_ijm（m=1，2，…，k）和各煤条底部滑移面切线与顶底板平面的夹角 _ijm（m=1，2，…，k）。例如图6为滑移面 ₃₃上滑移煤体AB₃₃C的煤条划分示意图，共划分k=9个煤条，煤条宽度为0.2m，煤条几何参数见表3。

表1  y_i和R_j确定的滑移面

表2  y_i和R_j确定的滑移面深度d_ij/ m

表3  滑移面 ₃₃上煤条几何参数

煤条编号m	高度h33m/m	夹角 33m /(°)
			1	5.90	67
2	5.37	68
			3	4.86	69
4	4.31	71
			5	3.72	72
6	3.08	74
			7	2.36	75
8	1.54	77
			9	0.57	79

步骤二、根据式（1）计算顶板作用在每个煤条上的垂直应力q_ijm。例如顶板作用在滑移面 ₃₃上9个煤条的垂直应力见表4（m=1，2，…，9）。

表4 顶板作用在滑移面 ₃₃上煤条的垂直应力

煤条编号m	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										垂直应力q33m /kPa	1900	2333	2837	3425	4110	4908	5839	6924	8188

步骤三、在工作面取完整性较好的煤样，测得其容重为14.4kN/m³、内聚力为500kPa和内摩擦角为35°；将顶板作用在滑移面 ₃₃上9个煤条的垂直应力、煤条的几何参数和物理力学参数代入式（2）中采用迭代法计算滑移面 ₃₃的滑移危险系数为0.972153；同理可计算出其余24个滑移面危险系数，整理由y_i和R_j所定义的5×5个滑移面S_ij的滑移危险系数K_ij（y_i，R_j）见表5。

表5  假定滑移面上的危险系数K_ij

步骤四、如图7所示，作由y_i和R_j所定义的5×5个滑移面S_ij的滑移危险系数K曲面，用K=1的平面与K曲面相交形成K_cr=1曲线；作5×5个滑移面S_ij（y_i，R_j）的滑移深度d曲面，将K_cr=1曲线在d曲面上投影形成d曲线，在d曲线上找出最大值2.2m（5.71m，26.65m），由y=5.71m，R=26.65m所确定的滑移面为最大深度临界滑移面，见图8所示，其2.2m为煤壁滑移片帮深度，在大采高工作面煤壁管理中将以此深度设计防治煤壁片帮的控制措施及其参数。

Claims (1)

1.一种确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，其特征在于提出一种考虑煤壁高度M、顶板压力F、煤的内聚力c和煤的内摩擦角                                                因素的能够更加准确地确定煤壁滑移片帮深度及其滑移危险性的方法，具体的技术方案为：

Ⅰ、作图给出煤层顶板CE和底板AF，连接AC形成高度为M的煤壁，在顶板CE之上距CE距离为y_i（i=1，2，3，…，n）作与CE平行的直线L_i，以A为圆心，以R_j（j=1，2，3，…，n）为半径作圆弧ω_j，ω_j与L_i相交成n×n个交点O_ij，再以O_ij为圆心，R_j为半径作圆弧，所作圆弧与煤层底板交点均为A点，和煤层顶板相交成n×n个交点B_ij，形成n×n个圆弧 _ij，定义圆弧 _ij为假定的n×n个滑移面S_ij，且定义点B_ij到C点的距离CB_ij为滑移面S_ij的滑移深度d_ij（n×n个）；根据煤层采高和采场矿山压力显现情况，估计煤壁的最大深度滑移面的滑移深度d_ij max，根据煤壁片帮及煤壁加固的工程特点，取最大深度滑移面滑移深度d_ij max的预测精度为0.05~0.3m，则将d_ij划分为宽度b_ijm=0.05~0.3m的k个垂直煤条，将k个垂直煤条由外向里编号，计算或量出各煤条的高度h_ijm（m=1，2，…，k）和各煤条底部滑移面切线与顶底板平面的夹角 _ijm（m=1，2，…，k）；

Ⅱ、根据式（1）计算顶板作用在每个煤条上的垂直应力q_ijm；

           （1）

Ⅲ、根据式（2）计算假定滑移面S_ij的滑移危险系数K_ij；

             （2）

Ⅳ、作由y_i和R_j所定义的n×n个滑移面S_ij（y_i，R_j）的滑移危险系数K曲面，用K=1的平面与K曲面相交形成K_cr=1曲线；作n×n个滑移面S_ij的滑移深度d曲面，将K_cr=1曲线在d曲面上投影形成临界滑移深度d_cr曲线；在d_cr曲线上找出最大值d_crmax（y_cr，R_cr），由y_cr和R_cr所确定的滑移面为最大深度临界滑移面，其d_crmax值为煤壁滑移片帮深度，在大采高工作面煤壁管理中将以此深度设计防治煤壁滑移片帮的控制措施及其参数。