一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法技术

一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，属于矿山开采技术领域；包括：步骤1：获取待控制巷道工作面参数；步骤2：根据巷道工作面参数计算巷道围岩应力；步骤3：绘制巷道围岩应力解析图，确定巷道围岩应力集中区域；步骤4：巷道开采过程中，对巷道围岩应力集中区域进行泄压；本发明专利技术能够在回采期间受开采扰动下，使两端头顶板发生片帮、冒顶事故的概率得到减小，保证机头机尾的正常推进和超前端头支架的顺利推移。

Method for controlling surrounding rock under mining disturbance at top end of fully mechanized working face

A fully mechanized face roof on the end wall rock control method of mining disturbance, belonging to the technical field of mining; including: Step 1: get to control the working face parameter; step 2: according to the working face parameter calculation of roadway surrounding rock stress; step 3: drawing roadway surrounding rock stress analysis, determine surrounding rock stress concentration area; step 4: the process of mining roadway, concentrated area pressure stress on the surrounding rock; the invention can during mining by mining disturbance, the probability that both ends of the head plate spalling and roof fall accidents are reduced, to ensure the normal advance and advanced head and tail end support smooth passage.

【技术实现步骤摘要】
一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法
本专利技术属于矿山开采
，具体涉及一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法。
技术介绍
传统巷道常采用锚杆+金属网+钢带+锚索联合支护方式，同时对工作面两端头安装两组超前支架和一组端头支架进行超前端头维护，该支护方式基本能够控制巷道顶板及两帮的变形，但受到工作面采动和顶板周期来压的影响，两端头顶角煤帮产生松动、失稳、煤壁承载上覆顶板岩层能力逐渐丧失，超前端头顶角处顶板破碎、下沉严重，造成工作面过机头机尾时，时常出现片帮、冒顶、机头机尾超前端头支架移架困难等现象，影响工作面正常推进速度，为此解决工作面两端头支护问题、保证工作面正常推进是该矿亟需解决的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法。本专利技术的技术方案：一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，包括如下步骤：步骤1：获取待控制巷道工作面参数，包括：围岩应力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数；步骤2：根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时围岩应力，得到巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ：其中，p为围岩应力，c0、c1、c2分别为映射函数前3项系数，X为巷道x方向上的面力，Y为巷道y方向上的面力，μ为应变常量，s为巷道侧压系数，θ为角度。步骤3：绘制巷道围岩应力解析图，确定巷道围岩应力集中区域及最大值；步骤4：巷道开采过程中，对巷道围岩应力集中区域进行泄压，使巷道围岩得到控制；如巷道围岩应力集中区域为端头顶角，可在靠近工作面端头顶角处煤壁进行扩帮处理，每班扩帮保证一天生产循环进度，扩帮后顶部采用金属网加锚索进行加强端头顶板的支护强度，促使巷道围岩内应力集中区域得到泄压，将端头顶角处的应力集中区域向深部转移，减小煤壁受采动和周期来压影响端头顶板失稳现象的发生概率，使巷道围岩得到控制。有益效果：一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法与现有技术相比，具有如下优势：在回采期间受开采扰动下，两端头顶板发生片帮、冒顶事故的概率得到减小，保证机头机尾的正常推进和超前端头支架的顺利推移。附图说明图1为本专利技术一种实施方式的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法的流程图；图2为本专利技术一种实施方式的矩形巷道分析力学模型图；图3为本专利技术一种实施方式的平面矩形到ξ平面单位圆的映射示意图，其中，(a)为平面矩形示意图，(b)为ξ平面单位圆示意图；图4为本专利技术一种实施方式的巷道各点围岩应力分布图；图5为本专利技术一种实施方式的3种情况下巷道围岩受力情况及塑性区分布图，其中，(a)为工作面未开采前巷道围岩受力情况图，(b)为工作面未开采前巷道围岩塑性区分布图，(c)为工作面开采后巷道围岩受力情况图，(d)为工作面开采后巷道围岩塑性区分布图，(e)为扩帮补打加强锚索后工作面开采时巷道围岩受力情况图，(f)为扩帮补打加强锚索后工作面开采时巷道围岩塑性区分布图；图6为本专利技术一种实施方式的回风顺槽顶底角测点布置图；图7为本专利技术一种实施方式的端头顶角3个测点三种情况下应力变化曲线图，其中，(a)为4号测点三种情况下应力变化曲线，(b)为8号测点三种情况下应力变化曲线，(c)为12号测点三种情况下应力变化曲线，系列1表示工作面未开采时应力变化曲线，系列2表示工作面开采时应力变化曲线，系列3表示工作面扩帮补打加强锚索并开采时应力变化曲线；图8为本专利技术一种实施方式的三种情况下3个测点应力变化图，(a)工作面未开采前巷道端头顶角3个测点应力变化图，(b)工作面开采时巷道端头顶角3个测点应力变化图，(c)工作面已扩帮补打加强锚索开采时巷道端头顶角3个测点应力变化图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的一种实施方式作详细说明。本实施方式中，以上社二景煤矿15107为例，上社二景煤矿15107工作面位于15#煤Ⅰ采区西翼北部，地质构造简单，进回风巷道均为矩形断面，巷道采用锚杆+金属网+钢带+锚索联合支护方式，同时对工作面两端头安装两组超前支架和一组端头支架进行超前端头维护。如图1所示，本实施方式的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，包括：步骤1：获取待控制巷道工作面参数：围岩应力p、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数s；步骤2：根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时巷道边应力，得到巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ；由于工作面进回风巷道的高宽远远小于巷道长度，故将矩形巷道应力计算问题转化到平面矩形应变问题上，运用复变函数理论和弹塑性力学理论进行无支护状态和有支护状态下求解，得出围岩应力解析式。假设作用在巷道上覆岩层的压力与巷道埋深成正比p＝γH，巷道的埋深远远大于巷道的高度，可认为巷道顶底板受到的力一样，作用在巷道水平方向上的力与巷道的侧压系数s成比例关系，即为sp，其中s表示侧压系数，为了考虑计算方便，将巷道断面高宽设为2a×2b，鉴于要消除围岩边界效应，将模型设置为巷道的5倍，如图2所示。结合复变函数理论和弹塑性力学理论对巷道围岩受力分析情况进行假设解析，即巷道在仅巷道受支护阻力和不考虑巷道支护阻力两个方面进行分步解析，推导过程为：建立应力组合的复变函数表达式为:利用保角变化，将物理平面转化到像平面上进行问题的求解，原有的物理平面上的关系也随着转化到像平面上进行计算，应力函数表达式：式3中X、Y分别为巷道支护体所提供在x、y方向上的面力，利用巷道远场应力σ1、σ2可推导计算出B、B′、C，其表达式为：其中，α为主应力方向。为ξ在单位圆之内的解析函数，ξ在圆周范围内连续，为保证矩形能完全映射到单位圆上，如图3(a)和图3(b)所示，结合施瓦茨一克里斯托菲尔法和保角变换，根据相应的映射关系可得到：其中，c0、c1、c2分别为映射函数前3项系数。针对围岩压力和巷道支护阻力之间计算问题的复杂性，可将计算分步为巷道仅受支护阻力和不受支护阻力两种情况进行分别计算。(1)不考虑巷道支护阻力时巷道围岩应力计算设巷道远处围岩在与x轴成α角的方向上受均匀压力p，巷道内表面不受面力，如图2外部受力一致。σθ+σγ＝4ReΦ(ξ)为巷道边的应力值，在巷道边，σγ＝0，σθ＝ξ＝cosθ+isinθ，经简化可得：(2)只考虑巷道支护力时巷道围岩应力值计算如图2中内部受力表示一样，巷道围岩只受到支护体所提供的支护阻力，支护阻力位均布载荷，巷道表面不受任何剪切力，即：由于σθ+σγ＝4ReΦ(ξ)，而σγ＝0得：其中，μ为应变常量。由上述推导可得出巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道边的应力计算公式为：步骤3：绘制巷道围岩应力解析图，确定巷道围岩应力集中区域及最大值；结合上社二景煤矿15107工作面的地质资料参数，运用Mathcad14软件对式(12)进行整体赋值解析，通过计算得出σ(θ)解析图如图4所示，从图中可得巷道围岩应力集中区域主要存在巷道的顶底角上，呈现对角方式，且在顶底角处应力达到最大值，接近于30MPa，当工作面端头处受开采扰动时，两端头顶角处煤帮受到开采扰动顶角应力σ(θ)是静压条件下的数倍，且顶角应力σ(θ)会随着工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取待控制巷道工作面参数；步骤2：根据巷道工作面参数计算巷道围岩应力；步骤3：绘制巷道围岩应力解析图，确定巷道围岩应力集中区域；步骤4：巷道开采过程中，对巷道围岩应力集中区域进行泄压，使巷道围岩得到控制。

【技术特征摘要】
1.一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取待控制巷道工作面参数；步骤2：根据巷道工作面参数计算巷道围岩应力；步骤3：绘制巷道围岩应力解析图，确定巷道围岩应力集中区域；步骤4：巷道开采过程中，对巷道围岩应力集中区域进行泄压，使巷道围岩得到控制。2.根据权利要求1所述的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于：所述围岩应力的计算方法包括：根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时围岩应力。3.根据权利要求1所述的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于：所述待控制巷道参数包括：围岩应力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数。4.采用权利要求1所述的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：在靠近工作面端头顶角处煤壁进行扩帮处理，每班扩帮保证一天生产循环进度，扩帮后顶部采用金属网加锚索进行加强端头顶板的支护强度，促使巷道围岩内应力集中区域得到泄压，将端头顶角处的应力集中区域向深部转移，减小煤壁受采动和周期来压影响端头顶板失稳现象的发生概率。5.根据权利要求2所述的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法，其特征在于，步骤2具体方法为：巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ为：

【专利技术属性】
技术研发人员：题正义，张峰，秦洪岩，王猛，马笑非，陈波，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21