r>[0071] 其中，Z表示坚硬岩层下方自由空间高度；Μ表示采高；hj表示第j岩层厚度；λ j 表示第j层岩石的残余碎涨系数，j = 1，. . .，i_l，i表示目标岩层。
[0072] 坚硬岩层承受载荷是指坚硬岩层以上临近的坚硬岩层以下的悬露状态岩层的总 重；工作面长度L为定值时，此时的坚硬岩层载荷只与工作面推进长度有关，坚硬岩层载荷 的计算公式如下：
[0074] 其中，Q表示坚硬岩层上覆载荷，γι表示第i层岩层容重；h表示第i层岩层厚度； t表示坚硬岩层上方到最近的坚硬岩层之间岩层的层数，X表示工作面向前推进的距离，L 表示工作面斜长，i表示目标岩层。
[0075] 将以上的应用板壳理论分析断裂带高度的方法命名为BJ-D断裂带高度计算方 法；
[0076] 本发明实施例中，通过BJ-D断裂带高度计算方法分析覆岩断裂带的发育情况，将 整个计算过程中的数据列于表3 :
[0077] 表3断裂带高度相关计算结果
[0079] 步骤4、由矿井内顶层向地表方向，依次判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂 时，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高 度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤5 ;否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；
[0080] 本发明实施例中，断裂带是否向上发育主要受到坚硬岩层是否断裂的影响，工作 面推进到某位置，极限位移小于自由空间高度，而且极限载荷小于坚硬岩层所承受的载荷 时则坚硬岩层发生断裂，再分析上一个坚硬岩层的断裂情况，依次类推，直到坚硬岩层不断 裂，则断裂带停止向上发育；
[0081] 由表3可得出，工作面逐渐向前推进过程中，当J1坚硬岩层推进至45. 0m时处于 两端固支状态，达到其临界载荷5. 067 X10SN，此时的极限位移为0. 314m，而其下方的自由 空间高度为〇. 352m，根据附图1判断J1坚硬岩层此时会断裂；工作面继续向前推进，此后 J1坚硬岩层一直都会处于一端简支一段固支状态，初次断裂后再推进26. 7m达到临界载荷 3. 004X 10SN，极限位移为0. 217m，对比下方的自由空间高度，J1坚硬岩层会断裂，J1坚硬 岩层会随着工作面不断向前推进呈现周期性断裂的现象。当J2坚硬岩层处于两端固支状 态时的极限位移为〇. 621m，下方的自由空间高度为0. 210m，J2坚硬岩层的极限位移大于其 下方的自由空间高度，所以J2坚硬岩层永远不会断裂。
[0082] 步骤5、判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂后，临界载荷是否小于坚硬岩层上 覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步 骤6 ;否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置；
[0083] 步骤6、返回执行步骤4,对上一层坚硬岩层断裂情况进行判断。
[0084] 本发明实施例中，由上述分析可知断裂带发育到J2坚硬岩层下方停止向上发育， 此时由上述计算结果对比表1中岩层分布情况，得到断裂带发育的高度为8. Om。
[0085] 本发明实施例中，在工作面的回顺布置两个观测孔，采用岩层窥视仪观察顶板的 岩层破坏情况，两个测孔分别距离开切眼20. 2m和48.3m。1号窥测孔的角度为28°，2号 孔的角度为33°。打孔之后每两天或三天进行观测，记录每次观测到断裂带发育的高度，并 记录下观测位置与开切眼之间的距离
[0086] 当工作面推进到40. 3m时1号观测孔的截图，如图2中图（a)与图（b)所示。当 工作面推进到45. 6m时1号孔观测的截图，如图3中图（a)与图（b)所示；从图2中图（a) 中可以看出截图位置出现了横向裂隙，说明覆岩已经遭到了破坏，图（b)中覆岩完好。考虑 钻孔的角度，可以看出覆岩的破坏高度小于3. 8m。从图3中图（a)中可看出当工作面推进 到45. 6m时，钻孔深度为13. 5m时覆岩已经破坏，而图（b)中钻孔深度为16. 4m时覆岩完 整，此时破坏带的深度小于7. 7m ;分析图2和图3可以看出当工作面推进至40. 3m至45. 6m 时出现了断裂带高度急速增加的现象，说明在此过程中有结构关键层发生断裂，造成断裂 带高度的突然增加；而且在接下来的观测过程中1号窥测孔观测到覆岩的破坏范围不再增 加，稳定在7. 7m高度；
[0087] 当工作面推进到67. 2m时2号观测孔的截图，如图4中图（a)与图（b)所示。当 工作面推进到72. 2m时2号孔观测的截图，如图5中图（a)与图（b)所示；从图4中图（a) 中可以看出截图左侧位置出现了破碎，说明覆岩已经遭到了破坏，图（b)中覆岩完好；可以 看出覆岩的破坏的最大深度小于12. 6m，此时破坏带的高度小于4.0m。从图5中图（a)中 可看出当工作面推进到72. 2m时，钻孔深度为13. 8m时覆岩已经破坏，而图（b)中钻孔深度 为15. lm时覆岩完整，此时破坏带的深度小于8. 2m。同样从图4和图5可以看出当工作面 推进至67. 2m至72. 2m过程中结构关键层发生断裂，造成断裂带高度的突然增加，之后观测 中断裂带稳定在8. 2m高度。
[0088] 窥测孔观测到断裂带发育的范围与理论计算的断裂带高度完全吻合，而且观测过 程中断裂带突然增加时工作面推进的距离与理论计算结果也一致。
【主权项】
1. 一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征在于，该方法包括 以下步骤： 步骤1、由矿井内顶层向地表方向，逐层确定坚硬岩层的位置； 步骤2、根据板壳理论确定每个坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂 后的临界载荷和对应极限位移； 步骤3、确定每个坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷； 步骤4、由矿井内顶层向地表方向，依次判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂时，临 界载荷是否小于坚硬岩层上覆载荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若 是，则断裂带继续发育，执行步骤5 ;否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置； 步骤5、判断目标坚硬岩层的顶板处于初次断裂后，临界载荷是否小于坚硬岩层上覆载 荷且极限位移是否小于坚硬岩层下方自由空间高度，若是，则断裂带继续发育，执行步骤6 ; 否则，断裂带停止发育，即获得断裂带高度位置； 步骤6、返回执行步骤4,对上一层坚硬岩层断裂情况进行判断。2. 根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，步骤2所述的坚硬岩层的顶板处于初次断裂时和顶板处于初次断裂后的临界载荷和 对应极限位移，其中，顶板处于初次断裂时的临界载荷根据剪切刚度、夹层板的抗变刚度和 工作面斜长获得；顶板处于初次断裂时的极限位移根据工作面向前推进的距离、剪切刚度、 夹层板的抗变刚度和工作面斜长获得；顶板处于初次断裂后的临界载荷根据影响系数、剪 切刚度、夹层板的抗变刚度和工作面斜长获得，顶板处于初次断裂后的极限位移根据工作 面向前推进的距离、工作面斜长获得和影响系数获得。3. 根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，步骤3所述的坚硬岩层下方自由空间高度，根据采高、岩层厚度和下位岩层的残余碎 涨系数获得。4. 根据权利要求1所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，步骤3所述的坚硬岩层上覆载荷，根据岩层容重、岩层厚度、坚硬岩层上方到最近的 坚硬岩层之间岩层的层数、工作面向前推进的距离和工作面斜长获得。5. 根据权利要求2所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，所述的顶板处于初次断裂时的临界载荷Q1，计算公式为：⑴ 其中，L表示工作面斜长，D表示夹层板的抗变刚度，|v表示泊松比；Η表 示坚硬岩层的厚度；Ε表示坚硬岩层弹性模量；C表示剪切刚度，C=GH，G表示剪切模量； 所述的顶板处于初次断裂时的极限位移Wl，计算公式为： 其中，X表示工作面向前推进的距离； 所述的顶板处于初次断裂后的临界载荷Q2，计算公式为： (2) (3) 其中，k表示影响系数 \,…^ ^ 所述的顶板处于初次断裂后的极限位移W2，计算公式为：6. 根据权利要求3所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，所述的坚硬岩层下方自由空间高度，计算公式如下： (5) 产i..其中，Z表示坚硬岩层下方自由空间高度；Μ表示采高；hj表示第j岩层厚度；λj表示 第j层岩石的残余碎涨系数，j= 1，...，i-1，i表示目标岩层。7. 根据权利要求4所述的基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，其特征 在于，所述的坚硬岩层上覆载荷，计算公式如下：(6) 其中，Q表示坚硬岩层上覆载荷，γi表示第i层岩层容重；hi表示第i层岩层厚度；t表示坚硬岩层上方到最近的坚硬岩层之间岩层的层数，X表示工作面向前推进的距离，L表 示工作面斜长，i表示目标岩层。
【专利摘要】本发明属于煤矿充填开采岩层控制领域，具体涉及一种基于板壳理论的充填开采覆岩断裂带高度确定方法，该方法首先判断坚硬岩层的位置，其次获得坚硬岩层的临界载荷与极限位移，再获得坚硬岩层下方自由空间高度和坚硬岩层上覆载荷，通过比较临界载荷与坚硬岩层上覆载荷、极限位移与坚硬岩层下方自由空间高度，判断断裂带是否发育；该方法中涉及的各项基础参数，均可以在工作面开采设计完成之后，根据地质资料、实验室试验等方法获得，本发明能够为充填开采过程中采取覆岩破坏的防治措施提供理论和数据依据，降低充填开采工作面覆岩破坏引发的灾害，本发明对充填开采覆岩活动规律的分析具有广泛的实用性。
【IPC分类】E21F17/00
【公开号】CN105257337
【申请号】CN201510680736
【发明人】杨艳国, 秦洪岩, 王猛, 高仙, 朱洪涛, 李洋, 范楠, 牛德林, 陈波
【申请人】辽宁工程技术大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月20日