本发明属于大采高采场煤壁超前支承技术领域，具体是涉及一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法。
背景技术
大采高(一次开采煤层高度达3.5m以上)开采厚煤层具有工作面布置简单，巷道掘进量小，资源采出率高等优点，但大采高采场煤壁高度大，自稳性低，煤壁极易发生片帮。大倾角(倾角为35°～55°)大采高采场目前数量虽然较少，但大倾角厚煤层多为焦煤等稀缺优质性资源，开采技术不当势必会降低优质资源采出率，造成资源浪费。鉴于大倾角大采高开采技术的诸多优势及应用前景，大倾角大采高将是大倾角厚煤层机械化开采的重要发展方向，而大倾角条件下大采高采场力学环境更为复杂，煤壁稳定性影响因素增加，煤壁片帮几率更大。因此，对于大采高采场而言，无论是一般倾角还是大倾角，煤壁片帮均是普遍存在的技术难题。煤体开采，采场围岩力学状态失衡，覆岩向采空区运移形成矿山压力，并在岩体等介质作用下发生力学转移，在煤壁前方一定范围内形成超前支承压力作用影响区，迫使煤体发生塑性变形、运移。当达到一定程度时，煤体将脱离煤壁形成片帮，超前支承压力对于片帮发生及其程度具有关键性作用，故研究大采高采场煤壁超前支承压力力学行为对煤壁片帮控制具有重要意义。
煤壁稳定是大采高采场高效机械化生产的关键，而保证煤壁稳定则有赖于对超前支承压力力学行为的充分性掌握与把控。目前，对于煤壁的研究主要集中在片帮失稳形式、易发生位置、机理等，缺乏系统性研究超前支承压力力学行为、峰值系数，致使煤壁承载状态、片帮程度等情况不明，为了有效控制大采高采场煤壁片帮，亟需一种方法来准确确定超前支承压力力学行为及峰值系数，以此达到科学有效性片帮防控的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，该方法能够研究煤壁前方超前支承压力分布规律及其对煤体的破坏作用效能，可更为准确的确定超前支承压力峰值系数。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定采场煤、岩的力学参数；
步骤二、利用步骤一中所确定的力学参数，借助flac3d数值计算软件建立大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型；
步骤三、对步骤二中所建立的大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型设定模拟工作面，并对所设定的模拟工作面进行推采计算，根据推采计算得到的数据来进行计算，以获取大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k1；
步骤四、通过大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验，来获取大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2；
步骤五、将步骤三中获取的k1和步骤四中获取的k2进行求平均，得到大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤一中所述采场煤、岩力学参数的确定，是按照如下步骤进行的：
步骤101、在采场钻取煤、岩样品；
步骤102、将步骤101中钻取的煤、岩样品制备成多个标准试件；
步骤103、将步骤102中制备的多个标准试件中的一部分标准试件进行劈裂试验、一部分标准试件进行抗压试验、剩余标准试件进行剪切试验，所述抗压试验、劈裂试验和剪切试验的次数均为3～5次；所述劈裂试验中得到了多个实测抗拉强度，所述抗压试验中得到了多个实测泊松比和多个实测弹性模量，所述剪切试验中得到了多个实测内摩擦角和多个实测粘聚力；
步骤104、将步骤103中得到的多个实测抗拉强度求平均获得平均抗拉强度，将步骤103中得到的多个实测泊松比求平均获得平均泊松比，将多个实测弹性模量求平均获得平均弹性模量；将步骤103中得到的多个实测内摩擦角求平均获得平均内摩擦角，将多个实测粘聚力求平均获得平均粘聚力。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤二中所述大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型的建立，是按照如下步骤进行的：
步骤201、收集大采高采场的地质资料；
步骤202、根据步骤201收集的地质资料中煤层赋存地质条件，确定所建立的模型尺寸，在确定的模型的前面、后面、左面、右面均留置长度不小于25m的边界，模型中煤、岩层的层位、层厚与所述地质资料中的综合地层柱状图相对应，模型中设定的模拟工作面的长度与采场工作面的长度保持相等；
步骤203、将步骤103中获得的平均抗拉强度、平均泊松比、平均弹性模量、平均内摩擦角和平均粘聚力均赋予数值模型，并依据地质资料中煤层埋深对模型中模拟岩层施加一个初始应力，使得模型中模拟岩层的应力与原岩应力相同。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤三中所述对所设定的模拟工作面进行推采计算，是按照如下步骤进行的：
步骤3011、在步骤二中建立的大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型的模拟工作面煤壁前方至边界区域内，沿煤层的顶面长度方向布置多条相平行的测线，每相邻两条测线之间的距离为1m～3m；
步骤3012、在所布置的测线上设置测点，每相邻两个测点之间的距离为0.5m～1m；
步骤3013、在模拟工作面处进行模拟开采，在模拟开采的过程中在测点处进行压力测量，以获取各个测点的压力值。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤三中所述根据推采计算得到的数据来进行计算，是按照如下步骤进行的：
步骤3021、将步骤3013中获取的各个测点的压力值导入具有数据处理功能的excel软件或具有数据处理功能的origin软件中；
步骤3022、利用excel软件或者origin软件将各条测线中距煤壁同一距离处的测点压力值求平均，并拟合绘制各测点压力值与该测点距煤壁距离的曲线图；
步骤3023、在测点压力值与该测点距煤壁距离的曲线图上找出数值模型压力峰值、数值模型压力平衡值，及数值模型压力峰值所对应的测点距煤壁的位置，压力平衡值为煤体所受原岩应力；
步骤3024、将数值模型压力峰值除以数值模型压力平衡值，数值模型压力峰值与数值模型压力平衡值相除的值即为大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k1。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤四中所述大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验，是按照如下步骤进行的：
步骤4011、按照实际采场铺装相似材料模型，相似材料模型与实际采场的相似比cl为1:10～1:50，模拟煤层上方的模拟岩层的厚度为5cm～10cm，铺装相似材料模型时在模拟采场煤壁前方沿模拟煤层顶面长度方向预埋多个间隔距离相等的压力传感器，每相邻两个压力传感器的距离为2cm～3cm；
步骤4012、在相似材料模型上表面水平铺设多块相互拼接的钢板，在钢板的上方设置液压缸固定梁，在液压缸固定梁与钢板之间设置加载装置和备用加载装置，通过加载装置对钢板施加一个向下的压力，以模拟围岩初始应力状态；
步骤4013、模拟煤体开采过程；
步骤4014、确定加载区域，模拟煤体开采过程中，煤壁前方一定距离内会形成超前支承压力影响区，依据步骤3023中模拟计算结果获取的压力峰值所对应的测点距煤壁的位置来确定加载区域，调整大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验的备用加载装置位置进行区域加载；
步骤4015、确定备用加载装置的理论加载数值，首先，通过公式σ＝k1γh计算出实际采场加载数值σ，其中，k1为步骤三中确定的大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数、γ为岩层容重、h为埋深，岩层容重γ、埋深h均通过查找步骤201中收集的大采高采场地质资料来得到的；其次，按照公式σ’＝σ/cσ计算获得理论加载数值σ’，其中，cσ为相似材料模型与实际采场的应力相似比，σ为实际采场加载数值；
步骤4016、备用加载装置对钢板进行加载，直至煤壁发生破坏，备用加载装置对钢板的加载按照加载数值逐步增加的方式来进行加载，加载初始值为理论加载数值σ’的20％～30％。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：步骤四中所述大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2获取，是按照如下步骤进行的：
步骤4021、将各个压力传感器记录的数据导出，再将距煤壁同一距离处的各个压力传感器监测数值求平均；
步骤4022、拟合绘制各压力传感器监测点的压力值与该测点距煤壁距离的曲线图；
步骤4023、在压力传感器监测点的压力值与该测点距煤壁距离的曲线图上找出相似材料模型压力峰值、相似材料模型压力平衡值，及相似材料模型压力峰值所对应的测点距模拟煤壁的位置，相似材料模型压力平衡值为相似材料模型煤体所受原岩应力；
步骤4024、将相似材料模型压力峰值除以相似材料模型压力平衡值，相似材料模型压力峰值与相似材料模型压力平衡值相除的值即为大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：所述加载装置和备用加载装置均为液压油缸。
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：所述相似材料模型与实际采场的相似比为1:30，模拟煤层上方的模拟岩层的厚度为8cm，铺装相似材料模型时在模拟采场煤壁前方沿模拟煤层顶面长度方向预埋多个间隔距离相等的压力传感器，每相邻两个压力传感器的距离为2.5cm；
上述的一种大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数的确定方法，其特征在于：所述加载初始值为理论加载数值的25％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用数值模型和相似材料实验相结合的手段来确定采场煤壁超前支承压力峰值系数，数值准确、可靠，为防控片帮提供准确、可靠的数据支撑。
2、本发明以现场实际条件建立数值计算模型和相似材料模型，能够更好的契合现场生产实际，确保所获取的峰值系数数值的可信度。
3、本发明在做相似材料实验时根据数值计算模型获取的支承压力峰值位置，再通过对相似材料模型支承压力峰值位置进行局部加载，可更为真实模拟煤体承载环境。
4、本发明通过大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验，来获取大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2，实验现象直观，能清楚反映开采过程中超前支承压力分布、演变规律，煤体运移规律，可以此确定煤壁易片帮位置，明确片帮防控重点位置。
5、本发明利用大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型；获取各测点压力，通过计算，拟合绘制各测点压力值与该测点距煤壁距离的曲线图；实验现象直观，能清楚反映开采过程中超前支承压力分布、演变规律，煤体运移规律，可以此确定煤壁易片帮位置，明确片帮防控重点位置。
6、本发明确定的超前支承压力峰值系数k，可结合矿压理论中的极限平衡理论确定煤壁塑性区范围，从而确定煤壁片帮深度。
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为本发明大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验的相似材料模型的结构示意图。
图2为本发明大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型的测线和测点布设的位置示意图。
附图标记说明:
1—模拟煤层；2—模拟岩层；3—钢板；
4—液压缸固定梁；5—液压缸托盘；6—液压缸；
7—备用加载装置；8—模拟采场；9—测线；
10—测点；11—煤层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明包括如下步骤：
步骤一、确定采场煤、岩的力学参数，具体是按照如下步骤进行的：
步骤101、在采场钻取煤、岩样品；
步骤102、将步骤101中钻取的煤、岩样品制备成多个标准试件；
步骤103、将步骤102中制备的多个标准试件中的一部分标准试件进行劈裂试验、一部分标准试件进行抗压试验、剩余标准试件进行剪切试验，所述抗压试验、劈裂试验和剪切试验的次数均为3～5次；所述劈裂试验中得到了多个实测抗拉强度，所述抗压试验中得到了多个实测泊松比和多个实测弹性模量，所述剪切试验中得到了多个实测内摩擦角和多个实测粘聚力；
步骤104、将步骤103中得到的多个实测抗拉强度求平均获得平均抗拉强度，将步骤103中得到的多个实测泊松比求平均获得平均泊松比，将多个实测弹性模量求平均获得平均弹性模量；将步骤103中得到的多个实测内摩擦角求平均获得平均内摩擦角，将多个实测粘聚力求平均获得平均粘聚力。
步骤二、利用步骤一中所确定的力学参数，借助flac3d数值计算软件建立大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型；
所述大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型的建立，具体是按照如下步骤进行的：
步骤201、收集大采高采场的地质资料；
步骤202、根据步骤201收集的地质资料中煤层赋存地质条件，确定所建立的模型尺寸，在确定的模型的前面、后面、左面、右面均留置长度不小于25m的边界，模型中煤、岩层的层位、层厚与所述地质资料中的综合地层柱状图相对应，模型中设定的模拟工作面的长度与采场工作面的长度保持相等；
步骤203、将步骤103中获得的平均抗拉强度、平均泊松比、平均弹性模量、平均内摩擦角和平均粘聚力均赋予数值模型，并依据地质资料中煤层埋深对模型中模拟岩层施加一个初始应力，使得模型中模拟岩层的应力与原岩应力相同。
步骤三、对步骤二中所建立的大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型设定模拟工作面，并对所设定的模拟工作面进行推采计算，根据推采计算得到的数据来进行计算，以获取大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k1；
所述对所设定的模拟工作面进行推采计算，具体是按照如下步骤进行的：
步骤3011、在步骤二中建立的大采高采场煤壁力学演变规律数值计算模型的模拟工作面煤壁前方至边界区域内，如图2所示，沿煤层11的顶面长度方向布置多条相平行的测线9，每相邻两条测线9之间的距离为1m～3m；
步骤3012、在所布置的测线9上设置测点10，每相邻两个测点10之间的距离为0.5m～1m；
步骤3013、在模拟工作面处进行模拟开采，在模拟开采的过程中在测点10处进行压力测量，以获取各个测点10的压力值。
所述根据推采计算得到的数据来进行计算，具体是按照如下步骤进行的：
步骤3021、将步骤3013中获取的各个测点10的压力值导入具有数据处理功能的excel软件或具有数据处理功能的origin软件中；
步骤3022、利用excel软件或者origin软件将各条测线9中距煤壁同一距离处的测点10压力值求平均，并拟合绘制各测点压力值与该测点距煤壁距离的曲线图；
步骤3023、在测点压力值与该测点距煤壁距离的曲线图上找出数值模型压力峰值、数值模型压力平衡值，及数值模型压力峰值所对应的测点距煤壁的位置，压力平衡值为煤体所受原岩应力；
步骤3024、将数值模型压力峰值除以数值模型压力平衡值，数值模型压力峰值与数值模型压力平衡值相除的值即为大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k1。
步骤四、通过大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验，来获取大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2；
结合图1，所述大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验，具体是按照如下步骤进行的：
步骤4011、按照实际采场铺装相似材料模型，相似材料模型与实际采场的相似比cl为1:10～1:50，所述模拟煤层1上方的模拟岩层2的厚度为5cm～10cm，铺装相似材料模型时在模拟采场8煤壁前方沿模拟煤层1顶面长度方向预埋多个间隔距离相等的压力传感器，每相邻两个压力传感器的距离为2cm～3cm；
步骤4012、在相似材料模型上表面水平铺设多块相互拼接的钢板3，在钢板3的上方设置液压缸固定梁4，在液压缸固定梁4与钢板3之间设置加载装置和备用加载装置7，通过加载装置对钢板3施加一个向下的压力，以模拟围岩初始应力状态；
本实施例中，所述加载装置和备用加载装置7均为液压油缸。所示液压缸固定梁4设置在钢板3的上方且液压缸固定梁4与钢板3之间留有安装液压缸6的空间，所示液压缸6的上端固定在液压缸固定梁4上，所示液压缸6的下端为伸缩端，所述液压缸6的下端设置有液压缸托盘5，所示液压缸6的伸缩端伸出后通过其下端的液压缸托盘5对其下方对应的钢板3施加一个力，进而实现模拟围岩的初始应力状态，钢板自身也可以模拟部分未铺装岩层，所述备用加载装置7包括一个备用加载装置液压缸和一个备用加载装置液压缸托盘，所述备用加载装置液压缸的上端可移动的固定在液压缸固定梁4上，所述备用加载装置液压缸的下端与备用加载装置液压缸托盘固定连接。
步骤4013、模拟煤体开采过程；
步骤4014、确定加载区域，模拟煤体开采过程中，煤壁前方一定距离内会形成超前支承压力影响区，依据步骤3023中模拟计算结果获取的压力峰值所对应的测点距煤壁的位置来确定加载区域，调整大采高采场煤壁力学演变规律相似材料实验的备用加载装置位置进行区域加载；
步骤4015、确定备用加载装置的理论加载数值，首先，通过公式σ＝k1γh计算出实际采场加载数值σ，其中，k1为步骤三中确定的大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数、γ为岩层容重、h为埋深，岩层容重γ、埋深h均通过查找步骤201中收集的大采高采场地质资料来得到的；其次，按照公式σ’＝σ/cσ计算获得理论加载数值σ’，其中，cσ为相似材料模型与实际采场的应力相似比，σ为实际采场加载数值，相似材料模型与实际采场的应力相似比cσ通过公式cσ＝cl*cγ计算获得，其中cγ为岩层容重与相似材料容重之比，cl为相似材料模型与实际采场的相似比；
步骤4016、备用加载装置对钢板进行加载，直至煤壁发生破坏，备用加载装置对钢板的加载按照加载数值逐步增加的方式来进行加载，加载初始值为理论加载数值σ’的20％～30％。
本实施例中，所述加载初始值优选为理论加载数值的25％。
本实施例中，所述相似材料模型与实际采场的相似比优选为1:30，模拟煤层上方的模拟岩层的厚度优选为8cm，铺装相似材料模型时在模拟采场煤壁前方沿模拟煤层顶面长度方向预埋多个间隔距离相等的压力传感器，每相邻两个压力传感器的距离优选为2.5cm。
步骤四中所述大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2获取，具体是按照如下步骤进行的：
步骤4021、将各个压力传感器记录的数据导出，再将距煤壁同一距离处的各个压力传感器监测数值求平均；
步骤4022、拟合绘制各压力传感器监测点的压力值与该测点距煤壁距离的曲线图；
步骤4023、在压力传感器监测点的压力值与该测点距煤壁距离的曲线图上找出相似材料模型压力峰值、相似材料模型压力平衡值，及相似材料模型压力峰值所对应的测点距模拟煤壁的位置，相似材料模型压力平衡值为相似材料模型煤体所受原岩应力；
步骤4024、将相似材料模型压力峰值除以相似材料模型压力平衡值，相似材料模型压力峰值与相似材料模型压力平衡值相除的值即为大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k2。
步骤五、将步骤三中获取的k1和步骤四中获取的k2进行求平均，得到大采高采场煤壁超前支承压力峰值系数k。
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。