(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111344118.2 (22)申请日 2021.11.15 (71)申请人 常州工学院 地址 213031 江苏省常州市新北区辽河路 666号 申请人 甘肃靖远 煤电股份有限公司 (72)发明人 王正义　李鹏波　杨文连　代国忠　 邵嗣华　袁弘誉　苗伟东　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种急倾斜特厚煤层顶板巷围岩塑性区范 围的计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种急倾斜特厚煤层顶板巷 围岩塑性区范围 的计算方法， 包括以下步骤： (1) 计算急倾斜特厚煤层的原岩应力分量σn和σi； (2)确定急倾斜特厚煤层的采动主应力分量σ1 和σ3及主应力比S； (3)计算急倾斜特厚煤层顶 板巷围岩的采动应力分量σr、 σα和τr α； (4) 计算急倾斜特厚煤层顶板巷围岩的采动主偏应 力差Δs； (5)获得 急倾斜特厚煤层顶板巷围岩的 塑性区半径rp(α)分布形态， 可为急倾斜特厚煤 层巷道围岩控制提供理论指导。 因此本发明对急 倾斜特厚煤层既有巷道支护补强、 后续巷道支护 优化、 工作面安全生产、 人员安危等具有重要的 现实意义与重大的社会效益， 具有广泛的应用前 景。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114357692 A 2022.04.15 CN 114357692 A 1.一种急倾 斜特厚煤层顶板巷围岩塑性区范围的计算方法， 其特 征在于， 步骤1、 计算急倾 斜特厚煤层的原岩应力分量σn和σi； 步骤2、 确定急倾 斜特厚煤层的采动主应力分量σ1和σ3及主应力比S； 步骤3、 计算急倾 斜特厚煤层顶板巷围岩的采动应力分量σr、 σα和 τrα； 步骤4、 计算急倾 斜特厚煤层顶板巷围岩的采动主偏应力差 Δs； 步骤5、 获得急倾 斜特厚煤层顶板巷围岩的塑性区半径 rp( α )分布形态。 2.根据权利要求1所述的急倾斜特厚煤层顶板巷围岩塑性区范围的计算方法， 其特征 在于： 步骤1、 计算急倾斜特厚煤层的原岩应力分量σn和σi： 先获取急倾斜特厚煤层倾角、 覆岩 的平均体积力、 顶板巷埋深、 侧压系数； 然后将获取的各个数据代入如下公式一： 式中， σn、 σi分别表示急倾斜特厚煤层沿煤层法向和煤层倾向的原岩应力分量， 单位为 MPa； γ表示覆岩的平均体积力， 单位为kN/m3； H表示顶板巷埋深， 单位为m； θ表示急倾斜特 厚煤层倾角， 单位 为°； λ表示侧压系数， 单位 为1； 步骤2、 在水平分段开采条件下急倾斜特厚煤层应力重新分布， 形成采动应力场， 其中 最大主应力沿煤层法向， 最小主应力沿煤层倾向； 确定急倾斜特厚煤层的采动主应力 分量 σ1和σ3及主应力比S： 获取类似地质和开采条件下的采动应力集中系数， 且由于顶板巷属于 外错布置导致其上覆岩层载荷尚未释放， 为简化计算认为急倾斜特厚煤层的最小主应力等 于沿煤层倾向的原岩应力分量， 满足如下公式二： 式中， σ1、 σ3分别表示水平分段开采条件下急倾斜特厚煤层最大主应力、 最小主应力， 单 位为MPa； K表 示类似地质和开采条件 下的急倾斜特厚煤层 采动应力集中系数， 单位为 1； S表 示急倾斜特厚煤层最大主应力σ1与最小主应力σ3之比， 单位 为1； 步骤3、 处于急倾斜特厚煤层夹持煤体弹性区内的顶板巷， 其巷道围岩采动应力分量由 急倾斜特厚煤层采动应力场决定； 对于半圆拱形断面的顶板巷来说， 简化为圆形巷道断面 进行求解； 计算急倾斜特厚煤层顶板巷围岩的采动应力分量σr、 σα和 τrα： 先获取简化成圆形 断面的巷道半径， 并将以上获得的最小 主应力σ3和主应力比S代入如下公式三： 式中， σr、 σα和 τra分别表示顶板巷围岩径向应力、 切向应力和剪应力， 单位为MPa； R0表示权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114357692 A 2简化成圆形断面的巷道半径， 单位为m； r、 α 表 示任一点的极坐标， 其中r表 示极径， 单位为m， r≥R0； α 表示极角， 单位 为°， 0°≤α ≤360°； 步骤4、 计算急倾斜特厚煤层顶板巷围岩的采动主偏应力 差Δs： 将步骤3得到的巷道围 岩采动应力分量σr、 σα和 τrα代入如下公式四： 式中， Δs表示顶板巷围岩主偏应力差， 单位 为MPa； 步骤5： 获得急倾斜特 厚煤层顶板巷围岩的塑性区半径rp( α )分布形态： 先 获取急倾斜特 厚煤层的内聚力、 内摩擦角， 同以上步骤得到的计算结果 一并代入如下公式五： 式中， rp( α )表示急倾斜特厚煤层 顶板巷围岩的塑性区半径， 单位为m； c表示煤体的内聚 力， MPa； 表示煤体的内摩擦角， 单位 为°； 基于急倾斜特 厚煤层顶板巷围岩的塑性区半径rp( α )的计算结果， 能够确定 出急倾斜特 厚煤层水平分段开采条件下的顶板巷围岩失稳变形的非对称分布形态， 得到重点支护区域 及参数。 3.根据权利要求2所述的急倾斜特厚煤层顶板巷围岩塑性区范围的计算方法， 其特征 在于： 公式五中Δs的极径 r满足r＝rp( α )。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114357692 A 3