(19)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 20221074048 8.6 (22)申请日 2022.06.27 (71)申请人 北京科技大 学 地址 100083 北京市海淀区学院路3 0号 (72)发明人 王亚军　刘奔　闵铁军　侯世林　 张俊　曹宇翔　李宏财　吴星　 (74)专利代理 机构 北京方圆嘉 禾知识产权代理 有限公司 1 1385 专利代理师 和成 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) E21C 41/18(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种无煤柱自成巷开采动压 承载支护设计方法， 涉及矿业技术领域， 包括以 下步骤： S1、 结合短臂梁顶板的运动过程与破断 特征， 确定无煤柱自成巷动压承载支护作用机 理， 并根据动压承载支护作用机理进一步确定临 时支护范围； S2、 建立动压承载支护作用下的并 考虑影响因素的短臂梁顶板的断裂力学模型， 其 中所述影响因素至少包括顶板岩性和非对称支 护； S3、 根据岩体非线性强度破坏准则和上限分 析理论， 结合所述短臂梁顶板的断裂力学模型， 提出动压承 载支护设计方法。 本发 明能够探究不 同因素对动压承 载支护力的影 响规律， 对无煤柱 自成巷开采理论与技 术体系具有重要意 义。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 115081073 A 2022.09.20 CN 115081073 A 1.一种无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 结合短臂梁顶板的运动过程与破断特征， 确定无煤柱自成巷动压承载支护作用机 理， 并根据无煤柱自成巷动压承载支护作用机理进一 步确定临时支护范围； S2、 建立动压承载支护作用下的并考虑影响因素的短臂梁顶板的断裂力学模型， 其中 所述影响因素至少包括上覆岩层垂直应力、 采动应力集中系数、 短臂梁顶板厚度、 巷道宽 度、 巷内锚索支护、 碎胀矸石支撑系数、 短臂梁顶板岩性和非对称支护； S3、 根据岩体非线性强度破坏准则和上限分析理论， 结合所述短臂梁顶板的断裂力学 模型， 计算动压承载支护 力。 2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S1中， 无煤柱自成巷动压承载支护作用机理包括对短臂梁顶板断裂位置的控制， 若动 压承载支护强度不足或支护不及时， 短臂梁顶板沿巷道上方位置发生断裂； 当巷道内动压 承载支护强度足够时， 切顶短臂梁将在侧向煤体上方断裂， 此为动压承载支护强度设计要 达到的目标状态。 3.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S1中， 确定临时支护范围， 包括如下步骤： S101： 根据现场获取的岩 样， 测得岩块垮落稳定后的残余碎胀系数 K1； S102： 根据公式hs＝h+h1‑K1h确定关键块体B的回转下沉量hs； 其中， h1为采煤高度， h为 切顶短臂梁厚度， hs为关键块体B的回转下沉 量， K1为实验室测得的矸石残余碎胀系数； S103： 根据公式 确定关键块体B长度； 其中， L为关键块体B的长 度， K2为岩层断裂系数， Ls为周期来压步距， hk为关键岩层的厚度， RT为来压控制关键层岩体 的抗拉强度， q为关键层岩梁所承受的上覆载荷； S104： 将回转变形破坏范围内的岩体视为刚性体， 取α近似等于α ′， 根据公式 确定岩块垮落稳定状态下采 空区侧巷道顶板变形量hs′， 当现场实际监测到 的变形量达 到hs′时， 撤除临时支护， 以此作为临时支护回撤时机的判据； 其中， α 为基本顶关键块体B的旋转角度， α ′为巷道顶 板变形的旋转角度， hs′为岩块垮 落 稳定状态下采空区侧巷道 顶板的变形量， l 为巷道宽度。 4.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S2中， 建立所述短臂梁顶板的断裂力学模型时， 确定采动应力集中系数以及碎胀矸石 支撑系数。 5.根据权利要求4所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述 采动应力集中系数为 λ1， 且 λ1＞1；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115081073 A 2当采空区岩体尚未对空区顶板产生可靠支撑力时， 关键块体所受荷载q将完全由短臂 梁结构承担， 短臂梁结构上部承载长度为 Lb， Lb＝l+h tanθ， 其中， θ 为切缝角度。 6.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述 碎胀矸石支撑系数为 λ2， 且0＜ λ2＜1； 其中， λ2＝ λ1K3cosθ， K3为碎胀矸石侧压转 化系数。 7.根据权利要求2或3所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 所述步骤S3中， 根据岩体非线性强度破坏准则和上限分析理论， 结合所述短臂梁顶板的断 裂力学模 型， 求解围岩的内部能量耗散率， 确定断裂力学模型外力做功， 计算动压承载支护 力， 提出动压承载支护设计方法。 8.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 根据 动压承载支护参数计算所述动压承载支护力； 其中， 所述动压承载支护参数包括上覆岩层 垂直应力、 采动应力集中系数、 短臂梁顶板厚度、 巷道宽度、 岩体容重、 岩体内聚力、 岩体内 摩擦角、 碎胀矸石支撑系数、 非对称系数； 计算所述动压承载支护 力的公式为： 其中， F为动压承载支护力， Pa为单根锚索所需的预紧力， l为巷道宽度， c为岩体黏聚 力， h为切顶短臂梁厚度， γ为岩体重度， 为岩体的内摩擦角， θ为切缝角度， q为上覆岩层 垂直应力， n 为锚索根数， k 为非对称系数， λ1为采动应力集中系数， λ2碎胀矸石支撑系数。 9.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 根据 所述上限分析理论， 确定判定准则为在巷道宽度l与冒落体宽度b相等时， 确定临界条件下 所述动压承载支护 力。 10.根据权利要求8所述的无煤柱自成巷开采动压承载支护设计方法， 其特征在于， 在 巷内对短臂梁顶板非对称布置所述动压承载支护 力； 其中， 所述动压承载支护力的非对称系数为k， 根据实际工程中支护结构受力和变形监 测得到， k 为1‑1.4。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115081073 A 3