基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法技术

本发明专利技术涉及一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，通过在原有矿道中设置红外激光速度监控装置，对采空区垮落程度进行监控，在巷道中开凿暴风能量消耗巷，同时对应设置感应密闭门和风门，通过对感应密闭门和风门闭启的控制，实现对暴风危害的消除。本发明专利技术方法的适用性强，针对不同条件下的矿井，均能够削弱甚至消除暴风对准备巷道的影响；安全性高，全部采用智能化操作，减少了由于人为失误而造成的不可避免的错误；经过许多方面的思考提高了此方法的可行性与可靠性；工艺简单，技术成熟；全部由中央控制系统调控，只需要设计人员编好程序，无需工作人员控制，降低了工作人员的要求。

A method of eliminating the damage of large area incoming storm in coal mine roof based on energy consumption and speed reduction

【技术实现步骤摘要】
基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法
本专利技术涉及矿道暴风灾害防治
，更具体地说，涉及一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法。
技术介绍
随着采掘设备及配套开采工艺水平的提升，采煤工作面宽度大幅增大，部分工作面宽度高达300m，且工作面推进长度由不足1000m增加到2000m以上，致使采空面积随之加大。加之采煤工作面推进速度越来越快，单次开采引起的坚硬顶板悬露面积急剧增加，采用全部垮落法处理采空区坚硬顶板时，造成的危害越来越大。传统而言，在20世纪初期即我国煤炭开采实践早期，顶板初次断裂时，采空区顶板悬露面积较小，顶板亦呈现“分批多次垮落”特征。如今，当较大面积的采空区突然发生坚硬顶板大面积垮落时，会将采空区的空气在极短的时间内压入工作面两端的顺槽内，从而产生高速气流，对工作面及顺槽内的工作人员造成伤害和对设备造成损害。因而，研究坚硬顶板大面积垮落产生暴风危害的防治方法，是煤矿开采领域亟待解决的重大技术难题。针对上述问题，国内科研人员提出了很多理论和方法，如采用砌体梁等理论对顶板的稳定性进行分析，对顶板垮落做出理论解释，通过建立力学模型，对顶板初次断裂步距进行预测；采用仪器对煤层顶板的位移进行观察和分析，预测并判断顶板发生断裂的可能性，如顶板断裂步距过大，易造成顶板大面积来压，则采用顶板预裂的方法进行针对性防治；建立密闭墙，当顶板大面积垮落，产生暴风时，通过堵的方法，将暴风阻挡在采空区和密闭墙之间，起到保护工作面和及顺槽的工作人员和设备的作用等，但是以上方法存在如下的不足之处：(1)适用性较差。用块体力学的方法分析岩石的运动与平衡性，有利于理解顶板岩石与支撑煤壁之间的力的关系，为顶板垮落提供了一定的理论依据。但是煤层顶板岩层的性质过于复杂，不同环境下的煤层顶板的岩性不同，需要现场实测，过于消耗时间与人力物力，影响生产。(2)安全性较差。实时观测顶板位移，通过建立数学模型来预测顶板发生垮落的可能性，缺乏理论依据。(3)工艺复杂。采用密闭墙需要在巷道内建立厚重的混凝土墙以消耗暴风的能量，进度慢，工艺复杂，同时影响煤炭与物料的运输及通风供给。更重要的是顶板大面积来压产生的暴风，风速快，密闭墙无法短时间内建成，与阻挡暴风的目的相悖。(4)对井下采矿人员的要求较高。上述方法需要工作人员能够对于岩层顶板的性质或顶板位移的数学模型较为熟悉，能够结合具体情况采取合适的措施，对于井下设备控制人员的知识要求较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，包括步骤：在矿道采煤工作面沿着推进方向，每隔5m在采空区顶板装设红外激光速度监控装置；在矿道回风顺槽一侧开凿暴风能量消耗巷，暴风能量消耗巷两端与回风顺槽联通，暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口处安设风门；在回风顺槽和运输顺槽内安设数道感应密闭门，回风顺槽中的感应密闭门处于暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口之间，运输顺槽内的感应密闭门与回风顺槽内的感应密闭门相对采煤工作面对称设置；回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门处于打开状态，暴风能量消耗巷入口与出口处安设的风门处于关闭状态；红外激光速度监控装置实时监测采空区顶板下沉速度，当顶板下沉速度达到预设值时，红外监控设备激光速度监控装置判定顶板大面积垮落，并发送顶板大面积垮落信号反馈给布置在回风顺槽内的中央处理装置；中央处理装置连接每一感应密闭门和风门，当中央处理装置接受到红外激光速度监控装置发出的顶板大面积垮落信号时，控制回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门立刻关闭，阻挡风流继续前行；同时，暴风能量消耗巷入口与出口的风门即刻打开，使被感应密闭门阻挡的高速风流进入暴风能量消耗巷，从而在暴风能量消耗巷内，消耗高速风流的能量，使其流出暴风能量消耗巷的风速降低到安全范围内。在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，实时监测采空区顶板下沉速度，当顶板下沉速度达到预设值时，红外监控设备激光速度监控装置判定顶板大面积垮落的步骤中，包括步骤：红外激光速度监控装置实时监测顶板下落高度，根据能量守恒定律，计算实时顶板下沉速度；红外激光速度监控装置将实时的顶板下沉速度传输到中央处理装置，与存储的顶板下沉速度预设值进行比较，在实时的顶板下沉速度大于顶板下沉速度预设值时，判定顶板大面积垮落。在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，根据能量守恒定律，煤层顶板岩石垮落降低的势能E势能等于顶板垮落的动能E动能加上采空区空气对煤层顶板垮落的岩石做的功W空气。E势能＝E动能+W空气即：式中：a-采空区宽度，m；b-采空区长度，m；c-顶板下落高度，m；d-顶板厚度，m；ρ-顶板密度，kg/m3；V-顶板下沉速度，m/s；p-采空区压力，N/s2；计算可得暴风速度为：在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，为使从暴风能量消耗巷流出的风流满足巷道通风要求的风速，在暴风能量消耗巷和采空区到暴风能量消耗巷入口处消耗的能量需大于等于能量损失。在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，将顶板垮落后产生的暴风视为在受到重力影响下不可压缩的粘性流体，依据粘性流体的伯努利方程，式中：Z1、Z2为流体所处位置的高程差，m；p1、p2为流体所处位置的压强，N/m2；ρ1为空气的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；v1为风流涌如顺槽时流动的速度，m/s；v2为巷道内允许的风流流通速度，m/s；h为能量损失；当时，能量损失量：在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，能量损失由两部分组成，沿程损失和局部阻力损失。沿程损失指在缓变流整个流程中的能量损失；而局部损失指的是由于横截面大小和流动方向的剧烈变化而造成的能量损失，即h＝∑hf+∑hj式中：hf表示沿程损失；hj表示局部损失。在本专利技术所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法中，沿程能量损失分为从采空区到暴风能量消耗巷入口处hf1和暴风能量消耗巷内部的hf2；局部能量损失包括从采空区进入巷道的hj1，顺槽到暴风能量消耗巷的两个转弯hj2和hj3；其中，沿程能力损失计算表示为：式中：λ为沿程损失系数；L为暴风能量消耗巷长度，m；d为半径，d＝2ef/(e+f)；当风流处于完全紊流粗糙管区时，沿程阻力系数λ处于最大，当风流处于完全紊流粗糙管区时，沿程阻力系数只跟管道的相对粗糙度有关，只有当时，流动处于紊流粗糙管平方阻力区；其中，Re为雷诺数；式中：v2为回风顺槽与运输顺槽的风流速度，v2≤6m/s；ν为风流的运动粘性系数，取值为1.5×10-5m/s；d为半径，m；ε为回风顺槽与运输顺槽的管道相对粗糙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，包括步骤：/n在矿道采煤工作面沿着推进方向，每隔5m在采空区顶板装设红外激光速度监控装置；在矿道回风顺槽一侧开凿暴风能量消耗巷，暴风能量消耗巷两端与回风顺槽联通，暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口处安设风门；在回风顺槽和运输顺槽内安设数道感应密闭门，回风顺槽中的感应密闭门处于暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口之间，运输顺槽内的感应密闭门与回风顺槽内的感应密闭门相对采煤工作面对称设置；回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门处于打开状态，暴风能量消耗巷入口与出口处安设的风门处于关闭状态；/n红外激光速度监控装置实时监测采空区顶板下沉速度，当顶板下沉速度达到预设值时，红外监控设备激光速度监控装置判定顶板大面积垮落，并发送顶板大面积垮落信号反馈给布置在回风顺槽内的中央处理装置；/n中央处理装置连接每一感应密闭门和风门，当中央处理装置接受到红外激光速度监控装置发出的顶板大面积垮落信号时，控制回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门立刻关闭，阻挡风流继续前行；同时，暴风能量消耗巷入口与出口的风门即刻打开，使被感应密闭门阻挡的高速风流进入暴风能量消耗巷，从而在暴风能量消耗巷内，消耗高速风流的能量，使其流出暴风能量消耗巷的风速降低到安全范围内。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，包括步骤：
在矿道采煤工作面沿着推进方向，每隔5m在采空区顶板装设红外激光速度监控装置；在矿道回风顺槽一侧开凿暴风能量消耗巷，暴风能量消耗巷两端与回风顺槽联通，暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口处安设风门；在回风顺槽和运输顺槽内安设数道感应密闭门，回风顺槽中的感应密闭门处于暴风能量消耗巷与回风顺槽的两个连接口之间，运输顺槽内的感应密闭门与回风顺槽内的感应密闭门相对采煤工作面对称设置；回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门处于打开状态，暴风能量消耗巷入口与出口处安设的风门处于关闭状态；
红外激光速度监控装置实时监测采空区顶板下沉速度，当顶板下沉速度达到预设值时，红外监控设备激光速度监控装置判定顶板大面积垮落，并发送顶板大面积垮落信号反馈给布置在回风顺槽内的中央处理装置；
中央处理装置连接每一感应密闭门和风门，当中央处理装置接受到红外激光速度监控装置发出的顶板大面积垮落信号时，控制回风顺槽和运输顺槽内的感应密闭门立刻关闭，阻挡风流继续前行；同时，暴风能量消耗巷入口与出口的风门即刻打开，使被感应密闭门阻挡的高速风流进入暴风能量消耗巷，从而在暴风能量消耗巷内，消耗高速风流的能量，使其流出暴风能量消耗巷的风速降低到安全范围内。


2.根据权利要求1所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，实时监测采空区顶板下沉速度，当顶板下沉速度达到预设值时，红外监控设备激光速度监控装置判定顶板大面积垮落的步骤中，包括步骤：
红外激光速度监控装置实时监测顶板下落高度，根据能量守恒定律，计算实时顶板下沉速度；
红外激光速度监控装置将实时的顶板下沉速度传输到中央处理装置，与存储的顶板下沉速度预设值进行比较，在实时的顶板下沉速度大于顶板下沉速度预设值时，判定顶板大面积垮落。


3.根据权利要求2所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，根据能量守恒定律，煤层顶板岩石垮落降低的势能E势能等于顶板垮落的动能E动能加上采空区空气对煤层顶板垮落的岩石做的功W空气：
E势能＝E动能+W空气
即：
式中：a-采空区宽度，m；b-采空区长度，m；c-顶板下落高度，m；d-顶板厚度，m；ρ-顶板密度，kg/m3；V-顶板下沉速度，m/s；p-采空区压力，N/s2；
计算可得暴风速度为：


4.根据权利要求1所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，为使从暴风能量消耗巷流出的风流满足巷道通风要求的风速，在暴风能量消耗巷和采空区到暴风能量消耗巷入口处消耗的能量需大于等于能量损失。


5.根据权利要求4所述的基于耗能降速的煤矿顶板大面积来压暴风危害消除方法，其特征在于，将顶板垮落后产生的暴风视为在受到重力影响下不可压缩的粘性流体，依据粘性流体的伯努利方程，



式中：Z1、Z2为流体所处位置的高程差，m；p1、p2为流体所处位置的压强，N/m2；ρ1为空气的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；v1为风流涌如顺槽时流动的速度，m/s；v2为巷道内允许的风流流通速度，m...

【专利技术属性】
技术研发人员：李竹，袁红辉，冯国瑞，程豪杰，杜才溢，刘辉，邓晓刚，梁全青，张玉江，赵智通，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14