均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法及实验装置制造方法及图纸

均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法及实验装置，属于煤炭开采技术领域，具体涉及硬煤层开采方法及实验装置。为了解决现有的硬煤层开采方法存在容易导致截齿磨损严重的问题以及容易引起动力破坏的问题。本发明专利技术在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列，计算能量分布阵列的平均能量值并进行能量分布调整，从而实现硬煤层的开采。本发明专利技术适用于硬煤层的开采。

【技术实现步骤摘要】
均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法及实验装置
本专利技术属于煤炭开采
，具体涉及均衡能量的硬煤层开采方法及实验装置。
技术介绍
煤体由于地质构造变迁长期积累形成的产物，一般煤炭的赋存条件均较复杂，煤体在地应力场、构造应力场、渗流场、地热场等场影响下发生变形破坏，随着开采深度的增加，三向应力不等(σ1≠σ2≠σ3)且越来越大，煤层上部及两侧的应力可能呈现x型、y型、z型及其复合型应力场，形成相应的能量场。极硬煤层(5.0＞坚固性系数≥4.0)和硬煤层(4.0＞坚固性系数≥3.0)在我国所占储量较高、且分布广泛，硬煤层极易储存大量的能量，在开采过程中容易诱发动力灾害。硬煤开采过程中，如果能量场不均衡，将导致高能区的能量流入到低能区，一般为煤炭临空面(开采面)，将会导致工作面的煤体折断甚至弹射出来，形成动力破坏，致使采煤机及工作面相应设备破损，还会危害到工作面的人员，并诱发煤与瓦斯等事故，灾害间的联动诱发将致使更大范围的破坏，最终可能迫使整个矿井停产。硬煤层的强度更大，所能储存的弹性能更多，不均衡能量场导致发生灾害的可能性越大。实际上采煤工作面硬煤储存能量在一定范围内是安全的，当储存的能量大于消耗的能量时，盈余的能量将转化为动能，导致动力破坏的发生。在硬煤层的开采过程中，还存在着其他问题，其中一个问题就是：采煤机切割硬煤层时存在截齿磨损严重，设备损耗率较高的问题，不仅增加耗费成本升高，还会导致煤炭开采速度下降，加上设备更换维修的时间，进一步降低煤炭开采速度，导致吨煤产量耗时增大。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的硬煤层开采方法存在容易导致截齿磨损严重的问题，以及容易引起动力破坏的问题。均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，包括以下步骤：步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；步骤3、计算能量分布阵列的平均能量值：如果能量分布矩阵的平均值小于储能危险阈值且大于煤层脆裂能量值，以能量分布矩阵的平均值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值大于等于储能危险阈值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值小于等于煤层脆裂能量值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；步骤4、对比每个煤壁单元的能量值与基准能量值的差值；如果煤壁单元的能量值大于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置制冷，对煤壁单元进行降温；如果煤壁单元的能量值小于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置加热，对煤壁单元进行升温；同时利用冲击地压监测系统进行实时监测；步骤5、当煤壁单元的能量值等于基准能量值，或者不超过基准能量值的上下误差阈值的范围时，进行硬煤层开采。进一步地，所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验；当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力F和裂纹位移s1得到煤层脆裂能量值Q1＝∫Fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移。或者，采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力F和裂纹位移s1得到脆裂能量值Q1＝∫Fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移；进行若干组实验，将若干组实验得到的脆裂能量值中最小的脆裂能量值作为煤层脆裂能量值。进一步地，所述的储能危险阈值值的确定过程如下：采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力F和破碎位移s2得到储能危险阈值Q2＝∫Fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移。或者，采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力F和破碎位移s2得到危险阈值Q2＝∫Fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移；进行若干组实验，将若干组实验得到的危险阈值中最小的危险阈值作为储能危险阈值。进一步地，所述的基准能量值的上下误差阈值为0.1倍的基准能量值，即，当煤壁单元的能量值α满足0.9E<α<1.1E时，进行硬煤层开采；其中E为基准能量值，且保证1.1E小于储能危险阈值。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术能够在当前的开采范围内使能量得到均衡，从而避免了煤层的压力差或者能量差过大的问题，进而尽量避免了能量差过大导致的能量释放造成的动力破坏，能够很大程度上解决硬煤层开采中容易引起动力破坏的问题。同时，如果工作面能量场相差较大时，在现有的开采过程中需要针对不同的区域采取不同的支护方案，否则将出现过支护和支护不足的现象，过支护将耗费成本，支护不足将带来顶板事故。但采用本专利技术均衡能量场后，顶板及煤层的应力场相差不大，采用一种支护方案即可，减少了支护方案调整带来的时间成本及经济成本。本专利技术还使得硬煤层发生一定程度的塑性破坏，有助于硬煤的开采，不仅能够减少采煤机的能量消耗，还能够延长采煤机的使用寿命，而且能够提高采煤的速度。虽然本专利技术消耗了一部分能量，但是采煤机减少了能量效果，同时增加采煤机的使用寿命，且提高采煤速度、增加产量，使得本专利技术相比现有的硬煤层开采方法，极大的提高了效益。附图说明图1为具体实施方式二中标准试样(煤样)产生裂纹的效果图；图2为实施例中进行煤样硬度检测时实验测量数据的装置图；图3为实施例中进行煤样硬度检测时实验测量数据的曲线图；图4为实施例中给定应力下的煤样处于塑性区的曲线图；图5为三维加载示意图；图6为采用三维多体加载装置模拟下图中应力场的分布对应应力场呈现对称的特征的曲线图；图7为采用下行开采方式对煤层进行开挖时压力盒得到三维体内应力场；图8为对钻孔后三维体内应力场。具体实施方式具体实施方式一：均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，包括以下步骤：步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列，即：能量补偿孔成行列排布，成行列排布的能量补偿孔形成一个阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器是矿用冲击地压监测系统中的组成部分，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；步骤3、计算能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；步骤3、计算能量分布阵列的平均能量值：如果能量分布矩阵的平均值小于储能危险阈值且大于煤层脆裂能量值，以能量分布矩阵的平均值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值大于等于储能危险阈值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值小于等于煤层脆裂能量值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；步骤4、对比每个煤壁单元的能量值与基准能量值的差值；如果煤壁单元的能量值大于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置制冷，对煤壁单元进行降温；如果煤壁单元的能量值小于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置加热，对煤壁单元进行升温；同时利用冲击地压监测系统进行实时监测；步骤5、当煤壁单元的能量值等于基准能量值，或者不超过基准能量值的上下误差阈值的范围时，进行硬煤层开采。...

【技术特征摘要】
1.均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；步骤3、计算能量分布阵列的平均能量值：如果能量分布矩阵的平均值小于储能危险阈值且大于煤层脆裂能量值，以能量分布矩阵的平均值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值大于等于储能危险阈值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；如果能量分布矩阵的平均值小于等于煤层脆裂能量值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；步骤4、对比每个煤壁单元的能量值与基准能量值的差值；如果煤壁单元的能量值大于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置制冷，对煤壁单元进行降温；如果煤壁单元的能量值小于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置加热，对煤壁单元进行升温；同时利用冲击地压监测系统进行实时监测；步骤5、当煤壁单元的能量值等于基准能量值，或者不超过基准能量值的上下误差阈值的范围时，进行硬煤层开采。2.根据权利要求1所述的均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，其特征在于，所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验；当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力F和裂纹位移s1得到煤层脆裂能量值Q1＝∫Fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移。3.根据权利要求1所述的均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，其特征在于，所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力F和裂纹位移s1得到脆裂能量值Q1＝∫Fds1，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李英明，刘刚，黄顺杰，赵呈星，张若飞，程详，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34