[发明专利]一种基于关键层结构的地表偏态下沉系数预判方法

说明书

本发明公开了一种基于关键层结构的地表偏态下沉系数计算方法，分步骤计算关键层结构的初次断裂角、关键层结构的周期断裂角、地表下沉偏态系数。本发明的方法严谨、准确、简单，为煤矿井工回采的覆岩顶板变化和地表下沉安全的识别预测提供依据及建议。

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，更具体地，涉及一种基于关键层结构的地表偏态下沉系数预判方法。

背景技术

在采场煤层回采过后,由于上覆岩层移动,地表必将产生下沉，目前广泛采用概率积分法预计地表移动变形，这种方法忽略了上覆岩层的力学性质，且将覆岩层视为单一连续均匀介质的开采沉陷预计模型具有一定的缺陷。覆岩关键层对地表沉降起控制作用,松散层能够消化关键层的非均匀沉降,由此可见关键层的沉降状态决定了地表沉降状态。所以，煤层开采以后,只有关键层的断裂、弯曲形态决定地表下沉形态。在采用壁式采煤法进行回采和全部垮落法管理顶板以后,由于采场顶板上覆岩层破坏下沉，地表必然产生塌陷。目前进行地表移动变形预计广泛应用概率积分法，而这种方法的位态曲线类似于实际地表下沉形态，却没有考虑上覆岩层的力学性质和应力损伤。煤层开采以后，关键层下部岩层形成直接顶垮落，只有关键层的断裂幅度、弯曲形态决定地表下沉情形。关键层岩体的形成条件及演化历史决定了其特有的初始损伤特征，使之有别于其它类型岩体如岩浆岩或混凝土。研究关键层岩体在采动条件下的损伤断裂特征和冒落断裂程度，必须充分考虑自身原始损伤产状，总体来说，关键层岩体的初始损伤包括细观尺度和宏观尺度。因此，探求一种准确且便利的地表偏态下沉系数预判方法具有一定的经济意义和的紧迫的现实价值。

发明内容

本发明目的在于克服现有预测技术存在的不便，提供一种准确且便利的地表偏态下沉系数预判方法，为地表偏态下沉的预测预报提供比较重要的参考结果。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于关键层结构的地表偏态下沉系数预判方法，包括以下步骤：

步骤1，解析简支梁基本模型，计算关键层结构的初次断裂角θ₁：

现场试验，确定参数数值，包括：关键层结构的矩形截面的简支梁长度L，高度h，单位厚度的简支梁的上边界所受均匀分布的荷载q的作用，梁支承于两端，其支承压反力是按分布于两端界面内的剪力的形式作用于梁上，不计自重，以简支梁的重心为中心，结合现成试验确认断裂点的位置及坐标，以水平沿窄梁的方向为x轴，垂直向下的方向为y轴，断裂点的坐标为(x,y)；

根据损伤变量修正公式和基本顶初次来压原理，计算关键层结构的初次断裂角，计算公式为：

步骤2，解析悬臂梁基本模型，计算关键层结构的周期断裂角θ₂：

现场试验，确定参数数值，包括：关键层结构的矩形截面的悬臂梁长度L₁、高度h₁，单位厚度的悬臂梁右端面上所受切向分布力q₁的作用，梁支承于左端，不计自重，结合现成试验确认断裂点的位置及坐标，以悬臂梁的左端为中心，水平沿悬臂梁的方向为x轴，垂直向下的方向为y轴，断裂点的坐标(x,y)；

根据损伤变量修正公式和基本顶周期来压原理，计算关键层结构的周期断裂角，计算公式为：

步骤3，解析基于关键层结构的地表下沉偏态系数w_k：

根据工程实际情况，确定基本参数的数值，包括关键层结构的极限下沉位移量w₀、开采煤层到关键层位置的平均垂直距离∑h′、关键层总长度L₂、关键层位置距地表垂直深度h₂、采煤工作面的平均采高M；

计算基于关键层结构的地表下沉偏态系数w_k，计算公式为：