一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法

技术领域

本发明属于巷道支护技术领域，具体涉及一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法。

背景技术

沿空留巷作为一种常见的无煤柱开采技术，是通过巷内支护和巷旁支护对上一区段工作面巷道进行保留，用于下工作面的排水、通风和运输等。该技术提高了煤炭回收率，有效降低了掘进率，缓解了采掘接续困难这一问题，是目前应用较为广泛的一种绿色、安全、高效的开采技术。沿空留巷期间随着工作面回采，采空区侧实体煤上方顶板失去原实体煤的支撑，转而通过巷旁充填体承载，留巷区域顶板受上覆岩体作用、顶板自重、实体煤支撑、巷内支护和充填体作用的共同影响下，发生断裂后形成具有一定承载能力且相对稳定的砌体梁结构。由此可见，留巷顶板的破断位置对巷道围岩稳定性起到了至关重要的的作用。目前国内外专家学者虽然对于沿空留巷顶板破断次数、位置等相关研究取得了可喜的成果，但对基本顶发生两次破断的位置和顺序认识还有所不足。顶板是否发生破断以及破断顺序受到岩层物理力学性质、煤层赋存条件、煤层厚度、充填体宽度等多因素的影响，结合沿空留巷力学模型分析，沿空留巷基本顶破断情况有以下三种可能：(a)采空区侧顶板先发生破断、(b)实体煤侧顶板先发生破断、(c)采空区侧与实体煤侧顶板均不发生破断。因此，针对沿空留巷尚未确定基本顶两次破断的位置和顺序的空白。解决现有技术方法在沿空留巷巷道支护中带来的问题，特提供一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法，该方法操作过程简单、评价结果可靠、参数可定量描述、并能指导巷道支护情况，同时，还能便于相关从业人员对保证巷道围岩稳定性采取相关措施时提供理论依据。

一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法,其特征在于，包括如下步骤:

步骤一：建立沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型，并对力学模型中实体煤侧顶板处的受力情况进行简化，简化为固支边界条件；将沿空留巷基本顶破断在模型中假设存在破断位置A和破断位置B，其中结构滑落失稳支护力包括基本顶上覆岩层作用力q

具体的,步骤1中,沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型通过位于留巷巷道上方直接顶与基本顶的破断结构特征进行建立，沿空留巷巷内顶板结构模型采用短砌体-砌体的结构模型，其中，直接顶破断形成短砌体结构，关键层破断形成砌体梁结构；

步骤二：根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别计算力学模型中极限平衡区支承应力σ

其中，在沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型中，煤层直接顶水平力通过煤层与顶板岩层交界面的粘聚力提供，短砌体的水平力通过岩块与切顶作用切落破碎岩体的摩擦阻力提供；基本顶的破断结构特征采用基本顶岩块的水平力,其中,基本顶岩块的水平力通过岩块与矸石的摩擦阻力提供，基本顶岩块断破的岩块回转角为最大值；

式中，c

其中，基本顶结构滑落失稳传递作用力q

步骤三：沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型,基本顶上覆软弱岩层自重q1,作用于基本顶，确定基本顶结构滑落失稳传递作用力q

F

式中，；x

其中，基本顶结构滑落失稳传应力传递q

步骤四：基本顶滑落失稳条件通过砌体梁结构破断形成的岩块进行力学分析；

对在位置A处破断时形成的AB岩块进行力学平衡分析，可得到其破断时剪力N

N

其中，q

对在位置B处破断时形成的BC岩块进行力学平衡分析，可得到剪力N

其中，q

基本顶破断位置A处产生的弯矩M

基本顶破断位置B处产生的弯矩M

步骤五：岩石通常在不同方向上具有不同的强度和断裂特性，这是由于岩石内部的晶体结构和缺陷分布不均匀所导致的。在许多情况下，岩石在受力时会表现出较强的抗压能力，而在受到拉伸力时相对较弱。考虑到岩石破坏以拉破坏为主的特点，确定基本顶不发生破坏时应满足的强度条件，可由下式计算得出：

步骤六：判断岩石是否发生破断通常需要考虑岩石的弯矩和受到的剪力，岩石受到的弯矩会导致岩石发生破坏，通常是在岩石的拉伸面上产生断裂，将弯矩值与顶板的抗拉强度进行比较，若所承受的弯矩大于其抗拉强度，则岩石可能发生拉伸破坏；根据公式(9)和公式(11)计算出的M

步骤七：剪切力会导致岩石产生剪切应力，剪切应力会导致岩石内部的切割和位移，可能导致剪切破坏，从而产生失稳破断。此时顶板的抗拉强度满足以下条件，根据上式进一步整理可得在A处破断的失稳系数K1，若K

步骤八：同理，根据公式(9)和公式(11)计算出的M

根据上式进一步整理可得在B处破断的失稳系数K

K

本发明提供的一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法，方法操作过程简单、评价结果可靠、评价参数可定量描述、评价周期较短，并能显著提高注浆效果评价的精确性，同时，还能便于作业人员直接对注浆封堵固结效果进行观测。

附图说明

图1是本发明的力学模型图。

图2是本发明沿空留巷基本顶破断位置模型图。

图3是本发明沿空留巷平面布置图。

图4是本发明基本顶控制岩层滑落失稳力学模型图。

图5是本发明基本顶受力分析图。

图6是本发明基本顶覆岩载荷传递图。

具体实施方式

本发明一个实施例中,提供了一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法,更加合理、准确的对沿空留巷顶板侧向破断位置进行确定,解决现有技术方法在沿空留巷巷道支护中带来的顶板破断位置判断困难的问题。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述:

具体的,根据图1-6所示,该沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法,包括如下步骤:

步骤一：建立沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型，并对力学模型中实体煤侧顶板处的受力情况进行简化，简化为固支边界条件，同时，将根据，沿空留巷基本顶破断的在模型中假设存在破断位置A和破断位置B，其中结构滑落失稳支护力包括基本顶上覆岩层作用力q

具体的,步骤一中,沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型通过位于留巷巷道上方直接顶与基本顶的破断结构特征进行建立，沿空留巷巷内顶板结构模型采用短砌体-砌体的结构模型，其中，直接顶破断形成短砌体结构；关键层破断形成砌体梁结构；

步骤二：根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别计算力学模型中极限平衡区支承应力σ

式中，c

其中，基本顶结构滑落失稳传递作用力q

步骤三：沿空留巷实体煤帮与顶板相互作用力学模型,基本顶上覆软弱岩层自重q1,作用于基本顶，确定基本顶结构滑落失稳传递作用力q

F

式中，；x

其中，基本顶结构滑落失稳传应力传递q

步骤四：根据图4所示，基本顶滑落失稳条件通过砌体梁结构破断形成的岩块进行力学分析；

对在位置A处破断时形成的AB岩块进行力学平衡分析，可得到其破断时剪力N

N

其中，q

对在位置B处破断时形成的BC岩块进行力学平衡分析，可得到剪力N

其中，q

基本顶破断位置A处产生的弯矩M

基本顶破断位置B处产生的弯矩M

步骤五：岩石通常在不同方向上具有不同的强度和断裂特性，这是由于岩石内部的晶体结构和缺陷分布不均匀所导致的；在许多情况下，岩石在受力时会表现出较强的抗压能力，而在受到拉伸力时相对较弱；考虑到岩石破坏以拉破坏为主的特点，确定基本顶不发生破坏时应满足的强度条件，可由下式计算得出：

步骤六：判断岩石是否发生破断通常需要考虑岩石的弯矩和受到的剪力，岩石受到的弯矩会导致岩石发生破坏，通常是在岩石的拉伸面上产生断裂，将弯矩值与顶板的抗拉强度进行比较，若所承受的弯矩大于其抗拉强度，则岩石可能发生拉伸破坏；根据公式(9)和公式(11)计算出的M

步骤七：剪切力会导致岩石产生剪切应力，剪切应力会导致岩石内部的切割和位移，可能导致剪切破坏，从而产生失稳破断。此时顶板的抗拉强度满足以下条件，根据上式进一步整理可得在A处破断的失稳系数K1，若K

步骤八：同理，根据公式(9)和公式(11)计算出的M

根据上式进一步整理可得在B处破断的失稳系数K

K

实施例

为研究某矿94103工作面回风顺槽顶板两次破断顺序，利用上述提供的一种沿空留巷顶板侧向破断位置判定方法，基于94103工作面工程地质条件对94103工作面回风顺槽进行顶板破断顺序的分析。

根据某矿94103工作面回风顺槽相关数据可知，基本顶周期来压步距最大为20m，直接顶平均厚度6.7m，基本顶平均厚14.3m，煤层厚度2.0m，煤层倾角平均为7°；工作面平均长度为150m，采深H＝800m。94103工作面回风顺槽地质技术参数如下：c

其基本顶产生侧向破断形成砌体梁结构,切顶控制岩层破断形成短砌体结构,组成留巷顶板的“短砌体-砌体”结构模型。

极限平衡区支承应力：

其中，c

极限平衡区宽度x

其中，α表示煤层倾角，°；γ表示上覆岩层容重，N/m

顶板的侧向破断极限跨距L

其中：S表示工作面长度，m；L

实体煤的承载能力σ

实体煤对顶板的支撑力F

其中：x

充填体对顶板的支撑力F

F

对在位置A处破断时形成的AB岩块进行力学平衡分析，可得到其破断时剪力N

N

其中，q

对在位置B处破断时形成的BC岩块进行力学平衡分析，可得到剪力NB计算公式和弯矩计算公式如下：

其中，q

基本顶破断位置A处产生的弯矩M

基本顶破断位置B处产生的弯矩M

岩石通常在不同方向上具有不同的强度和断裂特性，这是由于岩石内部的晶体结构和缺陷分布不均匀所导致的。在许多情况下，岩石在受力时会表现出较强的抗压能力，而在受到拉伸力时相对较弱。考虑到岩石破坏以拉破坏为主的特点，确定基本顶不发生破坏时应满足的强度条件，可由下式计算得出：

判断岩石是否发生破断通常需要考虑岩石的弯矩和受到的剪力，岩石受到的弯矩会导致岩石发生破坏，通常是在岩石的拉伸面上产生断裂，将弯矩值与顶板的抗拉强度进行比较，若所承受的弯矩大于其抗拉强度，则岩石可能发生拉伸破坏；根据公式(9)和公式(11)计算出的M

步骤七：剪切力会导致岩石产生剪切应力，剪切应力会导致岩石内部的切割和位移，可能导致剪切破坏，从而产生失稳破断。此时顶板的抗拉强度满足以下条件，根据上式进一步整理可得在A处破断的失稳系数K1，若K

步骤八：同理，根据公式(9)和公式(11)计算出的M

根据上式进一步整理可得在B处破断的失稳系数K

K

将已知参数代入上式可得，K

采用单一变量法计算得到沿空留巷基本顶失稳系数与基本顶上部软弱岩层自重q

表1沿空留巷基本顶破断位置