[发明专利]一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法

摘要

一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法，包括如下步骤：步骤一：分析煤层综合柱状图及覆岩物理力学性质覆岩特征及关键层分布；步骤二：根据关键层特征分析关键层初次断距及周期断距与工作面推进距离；步骤三：确定自由空间高度及关键层破断；步骤四：揭示坚硬覆岩矿压显现特征。在顶板覆岩煤层开采过程中，工作面前后方大范围内矿压显现剧烈及周期大压和周期小压等矿压显现异常的分析方法，解决了坚硬覆岩煤层工作面开采过程中矿压显现异常与坚硬顶板破断的关系，应用本发明可根据未开采区域的覆岩资料对即将开采的工作面矿压进行针对性的分析，效果明显，对正开采工作面提供矿压防治的理论与数据支持，对于坚硬覆岩煤层开采的矿压控制具有实用性。

主权项

1.一种坚硬覆岩复合矿压显现分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：确定关键层分布根据开采区域的综合柱状图及覆岩的物理力学参数，第一、假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第m层岩层与之协调变形，而第m+1层岩层不与之协调变形，则第m+1层岩层是第2层坚硬岩层，由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为其中式中q₁(x)|_m为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷；h_i、γ_i、E_i分别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i＝1，2，...，m)，则第m+1层对第1层坚硬岩层形成的载荷为：由于第m+1层为坚硬岩层，其挠度小于下部岩层的挠度，第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷，则必然有：q₁(x)|_m+1＜q₁(x)|_m，根据上述原则，由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置；第二、硬岩层破断距采用两端固支梁模型计算，则第k层硬岩层破断距L_k可由式计算，其中h_k为第k层硬岩层的厚度(m)，σ_k为第k层硬岩层的抗拉强度(MPa)，q_k为第k层硬岩层承受的载荷(kN/m²)；第三、第k层硬岩层若为关键层，其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距，即满足：L_k＜L_k+1，若第k层硬岩层破断距L_k大于其上方第k+1层硬岩层破断距，则将第k+1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距；根据以上三个过程，确定关键层分布位置；步骤二：根据下列式计算关键层初次断距lci和周期断距lzi及其与工作面推进距离L：其中，l_ci为第i关键层初次断距，l_zi为第i关键层周期断距，h_i为第i关键层厚度，σ_i为第i关键层的抗拉强度，k为第i关键层的弱化系数，岩体力学性质的参数取值岩块的1/5～1/3取值，q_i为第i关键层承受的载荷，L为工作面推进距离，H_i为第i关键层距工作面距离，为覆岩垮落角；步骤三：确定自由空间高度Δ及关键层破断根据下式计算自由空间高度Δ及关键层最大挠度ωmax：其中，L_k为关键层破断长度，h′为煤层高度，M为采高，η为顶煤放出率，k_M为煤层碎胀系数，L为工作面推进距离，h_k为垮落高度，为覆岩垮落角，k_Y为岩石碎胀系数，q为关键层所受均布载荷，L_X为关键层悬空长度，E为关键层弹性模量，ξ为关键层弹性模量弱化系数，h为关键层厚度；对于关键层的破断由以下条件判断：步骤四：揭示坚硬覆岩矿压显现特征根据下式计算关键层初次破断产生的集中应力Pc和周期破断产生的集中应力Pz及由此对工作面产生的集中应力系数k：其中，Lc为关键层初次断距，Lz为关键层周期断距，h为关键层厚度，q为关键层受到载荷，z为距离集中载荷P的垂直距离，x为距离煤壁的距离，l为应力达到峰值时距煤壁距离；之后根据关键层断距及其与工作面推进距离的关系，综合分析不同覆岩复合破断过程中集中应力及其系数的大小，根据集中应力系数k＞1.05确定覆岩破断应力影响范围，依据集中应力的大小，确定覆岩复合破断对工作面矿压的影响程度，进而确定工作面矿压的来源，为揭示矿压显现机理、防治矿压灾害等提供理论依据和数据，降低矿压显现的影响。