基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法

摘要

本发明公开了一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，涉及地表变形预计技术领域；包括如下步骤：(1)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；(3)推导出充填率与地表变形的数学关系；(4)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值。本发明能够有效的建立充填采煤区域岩层的地质和力学模型，使地表变形预计结果更为准确，为准确指导“三下”开采提供了保障；不依赖开采沉陷预计参数，与现有预计方法相比具有更为普遍的适用性。

主权项

一种基于连续曲形梁岩层结构的充填采煤地表变形预计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)利用钻探和物探技术获得详细的采矿地质参数；(2)在分析充填体和覆岩破坏机理的基础上，建立充填采煤岩层连续曲形梁力学模型；(3)采用力学计算推导出充填率与地表变形的数学关系；(4)将采矿地质参数代入充填率与地表变形的数学表达式中，得到充填率与地表变形的量化关系，计算出一定充填率条件下地表变形的预计值；其中，步骤(3)中所述充填率与地表变形的数学关系推断过程如下：(a)距离煤壁x处横截面上直接顶的弯矩为：式中，为上覆岩层施加到直接顶载荷，与煤层埋藏深度有关，其中，γi为容重，h_i为岩层厚度，i为上覆岩层，i＝1,2,3...；q_c(t)为充填体支撑强度，是与充填材料和时间t有关的变量；距离煤壁x处横截面上直接顶的挠度为：式中，M为煤层厚度；h₀为初始充填高度；0≤x≤L₀，L₀为充填体压实距离，与充填材料和采充工艺有关；E₁、I₁分别为直接顶的弹性模量、惯性矩；(b)岩层间离层的判断及计算：式中，q_i为上覆岩层施加给第i层岩层的载荷；E_i、I_i分别为第i层岩层的弹性模量、惯性矩；S_i,i+1为第i、i+1岩层间的离层值；(c)地表最大下沉值W₀为：(d)地表最大倾斜值i₀为：(e)地表最大曲率值K₀为：(f)地表最大水平变形值ε₀为：$\begin{array}{c}{ϵ}_0=\tan \frac{{\theta }_1}{2}\frac{(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\gamma }_i{h}_i-q_c(t\left)\right)L_0^2}{2E_1{I}_1}\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{6E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{6E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0^2\right)}^2}}{\left(\sec \frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{6E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0^2\right)}^2·\frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{6E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0^3\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\tan \frac{\arcsin \frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{6E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0^2}{2}\frac{E_{i+1}{I}_{i+1}{q}_i-E_i{I}_i{q}_{i+1}}{2E_i{E}_{i+1}{I}_i{I}_{i+1}}{L}_0^2\end{array}$式中，θ1为第1层岩层的转角。