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申请/专利权人：中国矿业大学(北京)

摘要：本发明涉及煤矿开采矿山压力与数值计算技术领域，具体涉及基于压力拱和厚硬岩层理论的采场矿山来压预测方法；包括构建压力拱壳模型；引入中性轴的概念确定厚硬岩层的极限弯矩和极限剪切强度；确求出各厚硬岩层极限抗弯强度以及极限抗剪强度；工作面每步回采距离为v，每回采一步进行一次计算；计算压力拱壳，计算各厚硬岩层的悬露长度，基于悬露长度采用结构力学计算各厚硬岩层实际弯矩与剪力确定其破断情况；每回采一步进行一次判断，记录每次厚硬岩层破断对应的开采位置，该开采步距有厚硬岩层破断，即有矿压产生。本发明以压力拱壳理论为基础，同时考虑厚硬岩层的影响确定厚硬岩层的破断情况，对矿压的预测更加准确。

主权项：1.一种基于压力拱和厚硬岩层理论的采场矿山来压预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：构建压力拱壳模型在煤层开挖后，其上覆岩层重量全部由煤层处拱脚承担；将煤层上方的岩层类比成煤层时，每一层岩层都可以视为一个全新自其开始向上的拱壳，即对于自下而上的第i层岩层，其上覆岩层重量全部由其拱脚承担，拱脚的侧向应力为FLi采用下式计算： 式中，FLi为第i层岩层所受侧向压力；λ为侧压系数，为煤层及其上所有岩层的平均密度，g为重力加速度，H0为煤层底部距地面距离，h0为煤层厚度，为第i层及其以上岩层的平均密度，Hi为第i层岩层底部至地表的距离，hi为第i层岩层厚度；对应的竖向应力FHi采用下式计算： 式中，H为煤层埋深，Si为第i层岩层的拱壳相对于其下部岩层向中心收拢的距离，L为整体拱跨的一半；压力拱壳的拱轴线应当指向最大主应力所指方向，因此第i层岩层拱脚处的拱轴线发育角度为： 式中，θi为以第i层岩层为拱底时拱脚处拱轴线斜率；现将拱轴线发育路径简化为直线，则拱壳在斜率为θi，高度为hi的条件下，向中心发育的距离为： 式中，Si为第i层岩层的拱脚相对于其下部岩层向中心收拢的距离；联合式1.3至式1.6求出压力拱壳拱轴线；S2：厚硬岩层破断的计算引入中性轴的概念以便于厚硬岩层弯矩承载极限的计算，当岩梁受到弯矩作用时，岩梁将会产生弯曲，弯曲趋势正对的一侧受拉，另一侧受压，在受拉与受压的中间有一中性轴受力为0；假设抗压强度为抗拉强度的n倍；则能求出厚硬岩层的极限弯矩Me为： 式中，Et为岩体抗拉强度，Ec为岩体抗压强度；hi′为第i层岩层顶部到地表的距离，y1i为第i层受压区高度，y2i为第i层受拉区高度；当岩梁实际受到弯矩超过Me时，岩梁发生弯矩破坏；厚硬岩层的极限剪切强度Qe按下式求取：Qe＝τi·hi2.7式中，τi为第i层岩层的抗剪强度；当岩层所受剪力超过Qe则发生剪切破坏；S3：采场矿山来压预测S31：确定厚硬岩层层位；获取各厚硬岩层力学参数，带入式2.6及式2.7中，分别求出各厚硬岩层极限抗弯强度以及极限抗剪强度；S32：工作面每步回采距离为v，每回采一步进行一次后续计算；在累计回采n步时回采长度为nv，即2L＝nv；根据式1.4、式1.3由下至上逐层计算各岩层拱脚的竖直应力及侧向应力，再根据所得结果带入式1.6求得各岩层向中心发育的距离，连接各岩层向中心发育的位置点形成压力拱壳，此时的压力拱壳形状未考虑厚硬岩层对拱壳影响；S33：在步骤S32中计算的压力拱壳内，计算各厚硬岩层的悬露长度nv-2∑Si，基于悬露长度采用结构力学计算各厚硬岩层实际弯矩与剪力，当某厚硬岩层实际弯矩超出步骤S31计算的对应岩层极限抗弯强度，则认为该厚硬岩层发生弯矩破坏产生破断，该厚硬岩层除首次以两端固支梁形式破断外后以铰接岩梁形式破断；当某厚硬岩层实际剪力超出步骤S31计算的极限抗剪强度，则认为该厚硬岩层发生剪切破坏产生破断，该厚硬岩层除首次以两端固支梁形式破断外后以悬臂梁形式破断；S34：每回采一步重复步骤S32-S33进行一次判断，记录每次厚硬岩层破断对应的开采位置nv，该开采步距有厚硬岩层破断，即有矿压产生。

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