采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法与流程

本发明属于矿山井下等地下工程水害防治，涉及一种劣化弱胶结地层上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布函数的构建方法。

背景技术：

1、弱胶结地层遇水劣化问题一直是岩石力学和煤炭科技工作者非常关心的问题。在我国规划的14个大型煤炭基地中，神东基地、陕北基地、黄陇基地、宁东基地、蒙东基地、新疆基地均赋存有弱胶结地层，而上述6个煤炭基地资源保有储量占14个煤炭基地保有储量的54.09％。从地域上看，除了蒙东基地处于东北北部外，其余煤炭基地均分布在我国的西部和西北部，原因在于我国西部和西北部地区的主要富煤区成煤时代以早-中侏罗世为主，具有形成时代晚、成岩程度差等显著特征，致使含煤地层通常具有胶结程度不足，强度低、易崩解、易风化等典型工程力学特性，造成在煤炭资源开采过程中出现强矿压显现、动力溃砂等灾害，严重影响着西部矿区煤炭资源的安全、大规模开发。

2、采动后弱胶结地层受地下水浸泡而产生劣化、崩解，其物理力学性质极具降低，对上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布产生重要影响，这也是产生强矿压显现和动力溃砂的关键。而如何实现劣化弱胶结地层上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布函数表达是制定针对性预防措施的理论基础。但现有国内外相关文献中对于软化基础下的硬岩破断失稳过程中支承压力和载荷分布形态的研究，着重利用有限元计算和概率分布函数替代等方式，如潘岳等利用weibull分布函数模拟隆起增量载荷研究了硬岩破断规律，得到软化地基支承的顶板弯矩峰值和弯矩峰超前煤壁的距离均有较大增加，煤壁前方应变能储存区域和储存量大为增加，顶板挠度比全为弹性地基支承的顶板挠度大幅度增加；钱鸣高等利用有限元计算研究表明采动后关键层上部岩层的作用是非均布的，且载荷分布与支承压力分布规律都与软弱夹层的厚度和硬度有关，峰值位置远离煤壁后造成硬岩悬顶跨度增大，挠度增加，造成应变能存储区域和大小增大。若对软化地基的支承作用和岩层上覆隆起增量载荷分布规律进行深入研究，并实现能够表征软化地基性质和岩层赋存特征的函数表达，将阐明弱胶结地层遇水劣化对上硬岩层下方支承压力和基本顶上方载荷分布的影响。部分学者也针对采场支承压力公开了相关专利，但均未涉及支承压力和载荷分布曲线函数表达的构建方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，该方法能够有效刻画劣化弱胶结地层上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布特征，反映采动弱胶结顶板劣化对硬岩支承压力和基本定载荷影响的力学特征，为揭示西部矿区弱胶结顶板采场强矿压显现和动力溃砂灾害提供有效支撑。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，包括以下步骤：

4、步骤1，获取天然状态下弱胶结地层黏土矿物成分及含量、微观结构和空隙率以及天然状态下弱胶结地层及其上下地层的物理力学性质；测定遇水劣化的弱胶结地层试样的不同吸水时间下的微观结构和吸水量、不同吸水量下的岩石强度和变形参数、不同载荷下的岩石强度和变形参数及崩解性、不同空隙率和黏土矿物含量下的吸水量；

5、步骤2：根据步骤1获取的各参数及物理力学性质，搭建“硬-软-硬”覆岩结构的室内采动弱胶结地层相似材料物理模型试验平台，并采集模拟试验过程中劣化弱胶结地层上硬岩支承压力和下基本顶载荷分布数据，得到相似材料物理模型上硬岩支承压力和下基本顶载荷随采动的分布曲线；

6、步骤3：基于步骤2得到的分布曲线，标定采动弱胶结地层数值模拟计算参数，并开展不同影响因素下的数值模拟计算，得到不同影响因素下的采动弱胶结地层上硬岩层支承压力和下基本顶载荷分布数据：

7、步骤4：构建弱胶结地层劣化后上硬岩层支承压力和下基本顶载荷分布函数：根据步骤3中获取的分布数据，采用统计学基本原理对支承压力和载荷分布曲线进行分析，确定曲线函数的基本形式：

8、

9、式中，当x＜0时为支承压力和载荷分布曲线峰值前方函数表达式，此时n＝1；当0≤x≤l时为支承压力和载荷分布曲线峰值后方函数表达式，此时n＝2，其中l为采空区长度的一半；a、b为影响因素函数趋势决定系数；x为函数变量，即回采进尺；xc为峰值处对应变量值。

10、本发明还包括如下技术特征：

11、具体的，所述步骤1中获取的物理力学性质包括抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、粘聚力。

12、具体的，所述步骤2中，“硬-软-硬”覆岩结构地层上方的表土层采用黄土和水的混合物铺设，“硬-软-硬”覆岩结构地层采用沙子、石膏和水的混合物铺设，其中“软”的弱胶结地层混入黏土进行铺设；

13、通过测定“硬-软-硬”覆岩结构地层的铺设材料在不同配比下物理力学性质，确定符合步骤1中弱胶结地层及其上下地层的物理力学性质大小的铺设材料配比。

14、具体的，所述步骤2中，基于步骤1获取的弱胶结地层黏土矿物成分及含量、微观结构和空隙率以及不同吸水时间下的微观结构和吸水量、不同吸水量下的岩石强度和变形参数、不同载荷下的岩石强度和变形参数及崩解性、不同空隙率和黏土矿物含量下的吸水量，采用向相似材料物理模型中注入水分实现模拟试验过程。

15、具体的，所述步骤3中，采动弱胶结地层数值模拟计算是利用离散元数值模拟软件构建煤层回采模型，其中覆岩结构及其物理力学性质与步骤2中的相似材料物理模型一致；通过步骤2相似材料物理模型试验结果标定数值模拟计算参数，使数值模拟计算结果与相似材料物理模型试验结果相一致。

16、具体的，所述步骤3中的不同影响因素包括弱胶结地层黏土矿物含量、空隙率、厚度及基岩厚度。

17、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

18、本发明提供了一种劣化弱胶结地层上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布函数的构建方法，该方法基于弱胶结地层宏细观物理力学性质和西部矿区弱胶结地层典型覆岩结构，通过室内试验和数值计算，得到反映实际影响因素的上硬岩支承压力和下基本顶载荷分布的函数表达，实现上硬岩支承压力和下基本顶载荷分布随采动和弱胶结地层劣化性质变化而变化。

技术特征：

1.采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，所述步骤1中获取的物理力学性质包括抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、粘聚力。

3.如权利要求1所述的采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，所述步骤2中，“硬-软-硬”覆岩结构地层上方的表土层采用黄土和水的混合物铺设，“硬-软-硬”覆岩结构地层采用沙子、石膏和水的混合物铺设，其中“软”的弱胶结地层混入黏土进行铺设；

4.如权利要求1所述的采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，所述步骤2中，基于步骤1获取的弱胶结地层黏土矿物成分及含量、微观结构和空隙率以及不同吸水时间下的微观结构和吸水量、不同吸水量下的岩石强度和变形参数、不同载荷下的岩石强度和变形参数及崩解性、不同空隙率和黏土矿物含量下的吸水量，采用向相似材料物理模型中注入水分实现模拟试验过程。

5.如权利要求1所述的采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，所述步骤3中，采动弱胶结地层数值模拟计算是利用离散元数值模拟软件构建煤层回采模型，其中覆岩结构及其物理力学性质与步骤2中的相似材料物理模型一致；通过步骤2相似材料物理模型试验结果标定数值模拟计算参数，使数值模拟计算结果与相似材料物理模型试验结果相一致。

6.如权利要求1所述的采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，其特征在于，所述步骤3中的不同影响因素包括弱胶结地层黏土矿物含量、空隙率、厚度及基岩厚度。

技术总结
本发明公开了一种采动弱胶结地层上支承压力和下载荷分布函数构建方法，该方法基于弱胶结地层矿物成分、微观结构及物理力学性质，利用室内试验获取弱胶结地层遇水劣化性质随影响因素的响应规律，搭建“硬‑软‑硬”覆岩结构的采动覆岩破坏相似材料物理模型并获取上支承压力和下载荷随采动的分布曲线，基于该曲线标定符合室内试验的采动覆岩破坏规律的数值模拟计算参数，通过不同工况数值模拟计算得到不同影响因素下的上支持压力和下载荷分布数据，得到弱胶结地层遇水劣化的上方硬岩支承压力和下方基本顶载荷分布函数表达。本发明能有效刻画劣化弱胶结地层上支承压力和下载荷分布特征，为揭示弱胶结顶板采场强矿压显现和动力溃砂灾害提供支撑。

技术研发人员：柳昭星,郭小铭,刘英锋,王强民,张溪彧,周振方,冯龙飞,袁鹏
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13