一种采场底板垂直应力的计算方法及其应用

本发明属于煤矿开采，具体涉及一种采场底板垂直应力的计算方法及其应用。

背景技术：

1、研究不同深度下采场底板垂直应力，能提高煤炭开采的安全性，减少人员设备的损失，为矿井创造安全的生产条件。在近距离煤层开采中。由于下煤层顶板受到上位煤层煤壁集中应力的损伤破坏，使得下煤层巷道围岩的完整性以及物理力学性质发生改变，在下煤层开采时工作面极易发生顶板冒落、回采巷道的围岩变形大、支护困难、矿压显现十分明显等问题。因此研究近距离煤层中下行开采时上煤层垂直应力传递深度以及传递规律对下煤层的超前动压影响程度及明确应力集中区域有重大意义。

2、地下采场底板的开挖破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体的运动和岩体内部应力的重新分布，这个过程使得采场周围岩体和支护设备产生运动或变形。基于此需要对采场底板垂直应力进行研究分析。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种采场底板垂直应力的计算方法，该方法采用理论分析的方法，将上煤层采场的应力结构进行划分，对采场底板应力分布与变化规律进行研究，为煤矿开采提供可靠的理论依据。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种采场底板垂直应力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s101、当上工作面回采时采区围岩达到一个新的应力平衡状态。新的应力平衡状态下，回采区和煤柱下方的底板应力将出现明显的非对称性。应力的非均匀分布将导致底板围岩垂直应力发生明显改变。以上工作面推进方向为x轴正方向、垂直x方向向下为z轴正方向建立直角坐标系，将采场底板的空间应力分解为初始原岩应力和因工程扰动导致的附加应力两部分，底板围岩任意一点的应力可以分解为初始原岩应力和附加应力两部分的叠加，将采场底板围岩体视为半无限理想弹性体，附加应力属于不考虑自重影响的应力场，因此可以利用平面半无限体方法求解底板的应力变化，以附加应力值与初始原岩应力值的叠加得到采场底板下的应力分布情况，叠加计算公式为

4、σz＝σz、+γh 式(1)

5、式中:γ为采场覆岩的重度，h代表所采煤层的埋深，采场底板下方任意一点m(x,z)的附加垂直应力为σz、，σz表示回采结束、采区围岩应力重新分布场底板的总垂直应力；

6、s102、根据式(1)当附加应力值达到最大的情况下，σz、取(k-1)γh，当附加应力值达到最小的情况下，σz、取-γh，此时底板垂直应力为0，其中k为最大应力集中系数。将采场底板力学模型的应力增长分布范围依次划分为长度为a的采场正下方的附加应力影响区域ⅰ、长度为b的受工程扰动影响的竖直应力及其附加应力上升区域ⅱ和长度为c的实体煤支承应力峰值恢复至初始原岩应力区域ⅲ，当弹性半无限平面体在(-a，b+c)区段受到竖直方向集度为q(t)的作用力时，弹性平面体在(-a，b+c)区段t处由一微元dt引起的力为q(t)dt，得到q(t)在半无限平面体内一点m(x,z)引起的附加应力表达式为

7、

8、对式(2)进行积分运算

9、

10、通过式(3)计算ⅰ、ⅱ、ⅲ区域附加应力在m处产生的应力，通过各区域对m点的垂直应力叠加得到单侧采场底板下的应力表达式

11、

12、式(4)中σz1、表示区域ⅰ下方围岩的附加应力，σz2、表示区域ⅱ下方围岩的附加应力、σz3、表示区域ⅲ下方围岩的附加应力，将ⅰ、ⅱ、ⅲ区域在m点的附加应力与初始原岩应力相加后得到采场底板下方任意一点m处的应力状态表达式

13、σz＝σz′1+σz′2+σz′3+γh 式(5)

14、将式(4)代入式(5)中得到采场底板下方m(x,z)点处的垂直应力σz

15、

16、另外，本发明还提供一种采场底板垂直应力的计算方法的应用，包括以下步骤：

17、s201、将采场底板垂直应力σz的计算公式用origin c语言进行编写，在编写时将公式中的变量进行简化处理；

18、s202、通过origin自定义拟合函数管理器对编写后的采场底板垂直应力σz进行编译得到编译后函数；

19、s203、将具体参数输入到编译后的函数中；

20、s204、根据s203中输入的具体参数代入σz的计算公式，绘制σz曲线图，即得到采场底板垂直应力的分布规律；

21、s205、根据s204绘制的σz曲线图直观获取采场底板下不同深度的垂直应力大小，以采场底板下不同深度的垂直应力大小为判据对下煤层不同位置的巷道进行加强支护。

22、本发明与现有技术相比具有以下优点：

23、本发明采用理论分析的方法，将上煤层采场的应力结构进行划分，对采场底板应力分布与变化规律进行研究。通过建立采场底板力学模型，推导采场底板垂直应力计算公式，分析了采场底板垂直应力分布规律。根据采场底板附加应力与初始原岩应力相叠加得到采场底板垂直应力的分布表达式，旨在为近距离煤层开采下下煤层动压影响问题提供相关理论参考，从而实现煤矿的安全高效开采。

24、下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

1.一种采场底板垂直应力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种采场底板垂直应力的计算方法，其特征在于，建立采场底板力学模型时将采场底板围岩体视为半无限理想弹性体，利用平面半无限体方法求解底板的应力变化，以附加应力值与初始原岩应力值的叠加得到采场底板下的应力分布情况，叠加计算公式为

3.一种如权利要求1和2中任一权利要求所述的一种采场底板垂直应力的计算方法的应用，包括以下步骤：