CN111102009B - 一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，包括以下步骤：步骤一、确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；步骤二、确定非均布载荷梁的最大剪应力τmax；步骤三、通过公式一
Figure DDA0002321008910000011
来计算并确定基本顶的来压步距L；所述公式一中：h为非均布载荷梁的厚度，[τ]为非均布载荷梁的极限抗剪强度，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力。本发明提供一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法。

Description

一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法。
背景技术
一般认为是埋深不到150米，基载比小于1，顶板体现单一关键层结构特征，来压具有明显动载的煤层称之为浅埋煤层。一般将基岩厚度小于30米～50米的基岩称之为薄基岩。我国浅埋煤层资源丰富，主要分布于我国榆神府矿区，煤炭在其区域经济发展中起着重要的支撑作用。神府矿区工作面所在区域地表形态复杂，沟壑纵横，沟谷较深且陡峭，大部分区域煤层埋藏较浅，距离地表只有几十米，且薄基岩裸露较普遍，基岩以上被较厚的第四系黄土及新近系红土覆盖。与其他矿区开采煤层相比，其覆岩破断特征、失稳运动形式及采动裂缝演化规律具有显著的差异。受极限跨距的控制，基岩破断失稳直接引起覆盖层整体运动，产生贯通型地表裂缝。因此，对沟谷地形下浅埋薄基岩破断机理及其影响因素的进一步研究，可以为分析浅埋煤层开采贯通型裂缝的发育规律奠定重要基础。
现有研究成果在岩层结构破断失稳方面取得了丰硕的研究成果，但对于沟谷地形对薄基岩浅埋煤层开采过程中基岩破断失稳诱发采动裂缝动态演化的机理的研究较少，且浅埋煤层薄基岩、厚覆盖层的赋存特征，使得其开采时具有特殊的矿压显现特点。因而，针对此类开采条件下基本顶来压步距计算的研究，对于提高矿井安全生产及社会经济效益有着重要的影响意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
步骤二、确定非均布载荷梁的最大剪应力τmax；
步骤三、通过公式一
Figure GDA0002883214810000021
来计算并确定基本顶的来压步距L；所述公式一中：h为非均布载荷梁的厚度，[τ]为非均布载荷梁的极限抗剪强度，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力。
上述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤一中确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB包括如下步骤：
201、通过测量获取非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端埋深a和深埋端埋深b，通过实验测得覆盖层的平均体积力γ及覆盖层滑移面的摩擦因数
Figure GDA0002883214810000025
202、通过公式二
Figure GDA0002883214810000022
计算并确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
所述公式二中，FRA为非均布载荷梁上方覆盖层深埋端的支反力，FRB为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的支反力，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距，
Figure GDA0002883214810000023
为覆盖层滑移面的摩擦因数。
上述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：
所述公式二
Figure GDA0002883214810000024
是通过公式三
Figure GDA0002883214810000031
计算获取的；
所述公式三中：FRA为非均布载荷梁上方覆盖层深埋端的支反力，FRB为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的支反力，FAC为覆盖层在AC滑移面的摩擦力，FBD为覆盖层在BD滑移面的摩擦力，L为基本顶的来压步距，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，
Figure GDA0002883214810000035
为覆盖层滑移面的摩擦因数。
上述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤二中非均布载荷梁的最大剪应力τmax是通过公式四
Figure GDA0002883214810000032
来计算并确定；
所述公式四中，h为非均布载荷梁的厚度，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距。
上述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述公式四中非均布载荷梁的最大剪应力τmax是通过公式五
Figure GDA0002883214810000033
和公式六
Figure GDA0002883214810000034
来计算并确定。
所述公式五中，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距，x为截面任意位置，x∈[0，L]；
所述公式六中，FS(max)为非均布载荷梁在区间(0，L)上的最大受剪力，h为非均布载荷梁的厚度。
上述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤三中基本顶发生剪切破坏时，所受最大剪应力τmax应满足：所受最大剪应力τmax达到非均布载荷梁的极限抗剪强度[τ]。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明提供一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法。
2、本发明的计算方法简单，为一种薄基岩浅埋煤层来压步距的确定提供了科学的理论依据，使得来压步距的确定不再盲目，确保了薄基岩浅埋煤层来压步距的科学性，实用性强和合理性。
3、本发明揭示了上覆弱强度覆盖层厚度及坡度变化对采动裂缝间距的影响规律，为薄基岩浅埋煤层安全开采提供了科学的理论依据。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明围岩结构力学模型图。
图2为本发明中公式一生成的来压步距与埋深关系的三维图。
具体实施方式
下面结合安山煤矿125203工作面实际赋存情况对本发明内容进行进一步说明。
安山煤矿位于我国榆神府矿区，属于为典型的黄土峁梁地貌浅埋煤层，区内最低海拔为1075.9m、最高海拔为1364.5m，其落差较大，区域内煤层埋深20～70m左右的沟谷地形较多。
理论与实践表明，由于榆神府矿区基岩上方覆盖层属于半固结状态，强度极低，基岩强度较大且较薄，因而工作面回采后，在矿山压力影响下，当覆盖层自重应力大于其下滑所需的摩擦力时，覆盖层将随基本顶的破断而发生条柱式全厚切落，基岩承载结构实际所受压力为覆岩自重与其两侧摩擦力之差，形成如图1所述围岩结构力学模型图。
步骤一、确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
首先，通过测量获取非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端埋深a和深埋端埋深b，通过实验测得覆盖层的平均体积力γ及覆盖层滑移面的摩擦因数
Figure GDA0002883214810000057
125203工作面平均煤厚2.3m，属中厚煤层，结构简单，煤层倾角为0～1°。煤层水平标高为+1165m，地面标高为+1191～+1304m。工作面采用一次采全高，走向长壁综合机械化采煤法，全部跨落法处理顶板。从钻孔资料和已揭露情况看，顶板岩性大致稳定，伪顶平均厚0.2m，炭质页岩；直接顶为细粒砂岩，平均厚1.12m；基本顶为粉、细粒砂岩，平均厚12m，基岩以上被含沙土层所覆盖，覆盖层的平均体积力γ为20kN/m3。
其次，通过公式三
Figure GDA0002883214810000051
计算可以获取式二
Figure GDA0002883214810000052
然后由公式二计算并确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
所述公式三中：FRA为非均布载荷梁上方覆盖层深埋端的支反力，FRB为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的支反力，FAC为覆盖层在AC滑移面的摩擦力，FBD为覆盖层在BD滑移面的摩擦力，L为基本顶的来压步距，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，a的单位为m；b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，b的单位为m；γ为覆盖层的平均体积力，γ的单位为kN/m3；
Figure GDA0002883214810000053
为覆盖层滑移面的摩擦因数。
步骤二、确定非均布载荷梁的最大剪应力τmax；
通过公式五
Figure GDA0002883214810000054
和公式六
Figure GDA0002883214810000055
计算得到公式四
Figure GDA0002883214810000056
通过实验测得到基本顶极限抗剪强度[τ]为1.29MPa。
所述公式五中，a为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端的埋深，a的单位为m；b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，b的单位为m；γ为覆盖层的平均体积力，γ的单位为kN/m3；L为基本顶的来压步距，L的单位为m；x为截面任意位置，x∈[0，L]；
所述公式六中，FS(max)为非均布载荷梁在区间(0，L)上的最大受剪力，h为非均布载荷梁的厚度，h的单位为m。
步骤三、通过公式一
Figure GDA0002883214810000061
来计算并确定基本顶的来压步距L；该步骤中，所受最大剪应力τmax应满足：所受最大剪应力τmax达到非均布载荷梁的极限抗剪强度[τ]，
所述公式一中：h为非均布载荷梁的厚度，[τ]为非均布载荷梁的极限抗剪强度，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，a的单位为m；b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，b的单位为m；γ为覆盖层的平均体积力，γ的单位为kN/m3。
应用基本顶的来压步距L通过公式七
Figure GDA0002883214810000062
对其规律做了进一步研究分析，建立来压步距与埋深关系的三维图，如图2所示。本发明在于进一步完善浅埋煤层开采理论计算体系，建立了上覆松散覆盖层作用下的基本顶受力模型，即“非均布载荷梁”结构模型。通过对非均布载荷梁结构的力学分析，推导了围岩结构稳定性的判别条件，确定了基本顶两端压力、剪力及来压步距等参数的计算公式，揭示了上覆松散覆盖层厚度及坡度变化对采动裂缝间距的影响规律，为薄基岩浅埋煤层安全开采提供了科学的理论依据。通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算，最终获得合理的基本顶两端压力、剪力及来压步距等参数；使得薄基岩浅埋煤层相关开采参数的选取不再盲目，确保了参数确定的科学性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
步骤二、确定非均布载荷梁的最大剪应力τmax；
步骤三、通过公式一
Figure FDA0002913533910000011
来计算并确定基本顶的来压步距L；所述公式一中：h为非均布载荷梁的厚度，[τ]为非均布载荷梁的极限抗剪强度，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力。
2.按照权利要求1所述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤一中确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB包括如下步骤：
201、通过测量获取非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端埋深a和深埋端埋深b，通过实验测得覆盖层的平均体积力γ及覆盖层滑移面的摩擦因数
Figure FDA0002913533910000012
202、通过公式二
Figure FDA0002913533910000013
计算并确定非均布载荷梁两端处的支反力FRA和FRB；
所述公式二中，FRA为非均布载荷梁上方覆盖层深埋端的支反力，FRB为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的支反力，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距，
Figure FDA0002913533910000014
为覆盖层滑移面的摩擦因数。
3.按照权利要求2所述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：
所述公式二
Figure FDA0002913533910000021
是通过公式三
Figure FDA0002913533910000022
计算获取的；
所述公式三中：FRA为非均布载荷梁上方覆盖层深埋端的支反力，FRB为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的支反力，FAC为覆盖层在AC滑移面的摩擦力，FBD为覆盖层在BD滑移面的摩擦力，L为基本顶的来压步距，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，
Figure FDA0002913533910000025
为覆盖层滑移面的摩擦因数。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤二中非均布载荷梁的最大剪应力τmax是通过公式四
Figure FDA0002913533910000026
来计算并确定；
所述公式四中，h为非均布载荷梁的厚度，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距。
5.按照权利要求4所述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述公式四中非均布载荷梁的最大剪应力τmax是通过公式五
Figure FDA0002913533910000023
和公式六
Figure FDA0002913533910000024
来计算并确定。
所述公式五中，a为非均布载荷梁上方覆盖层浅埋端的埋深，b为非均布载荷梁上方覆盖层的深埋端的埋深，γ为覆盖层的平均体积力，L为基本顶的来压步距，FS(x)为距原点为x的基岩断面上所受到的剪力，x为截面任意位置，x∈[0，L]；
所述公式六中，FS(max)为非均布载荷梁在区间(0，L)上的最大受剪力，h为非均布载荷梁的厚度。
6.按照权利要求5所述的一种薄基岩浅埋煤层来压步距的计算方法，其特征在于：所述步骤三中基本顶发生剪切破坏时，所受最大剪应力τmax应满足：所受最大剪应力τmax达到非均布载荷梁的极限抗剪强度[τ]。
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