无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统，包括以下步骤：利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；利用系列室内试验获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。本发明专利技术能够实现碎胀参数、切顶参数以及支护参数的准确计算，形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。

【技术实现步骤摘要】
无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及煤炭开采领域，尤其涉及无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统。

技术介绍

[0002]煤炭的开采方法经历了不断的变革，从传统留煤柱沿空掘巷到现在的无煤柱自成巷。无煤柱自成巷开采方法是利用预裂切顶，切断采空区与巷道间应力传递，利用切落岩体做功和岩体碎胀特性，自动充填采空区，形成碎石巷帮，这一过程取消了护巷煤柱，同时取消了巷道掘进。但该方法部分参数设计还没有明确的依据和方法。具体表现在：
[0003](1)采场平衡参数设计依据不足，包括碎胀参数(岩体碎胀系数)、切顶参数(切顶高度和切顶角度)等；
[0004](2)巷道平衡参数(支护间排距、可施加预应力等)设计局限于传统的悬吊理论，无法科学有效补偿巷道临空面应力损失。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统，能够实现碎胀参数、切顶参数以及支护参数的准确计算，形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]第一方面，本专利技术的实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法，包括：
[0008]利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
[0009]基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
[0010]利用系列室内试验获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面处摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
[0011]获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
[0012]作为进一步的实现方式，获取顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将初始碎胀系数、拟合系数和时间变量代入岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数。
[0013]作为进一步的实现方式，所述碎胀控制方程表示为采矿体积与开采面积的比值和岩体碎胀系数所构成的比例系数的乘积。
[0014]作为进一步的实现方式，所述比例系数为1/(K
‑
1)，其中，K表示岩体碎胀系数。
[0015]作为进一步的实现方式，所述自成巷支护平衡参数包括锚索长度、锚索预应力、锚索间排距。
[0016]作为进一步的实现方式，锚索长度根据稳定岩层以上设定高度确定；根据吸能支护材料性质确定锚索预应力；锚索间排距基于巷道开挖后临空面的应力损失补偿原则，利用开挖应力补偿方程得到。
[0017]作为进一步的实现方式，锚索预应力设置为锚索恒阻力的50％～90％。
[0018]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计系统，包括：
[0019]岩体碎胀系数计算模块，其用于利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
[0020]切顶高度计算模块，其用于基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
[0021]切顶角度计算模块，其用于获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
[0022]开采方案形成模块，其用于获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
[0023]本专利技术的有益效果如下：
[0024](1)本专利技术的一个或多个实施方式通过平衡开采理论、碎胀控制方程、碎胀函数方程实现定向切顶高度的准确计算，通过室内缩尺模型试验掌握切缝面处摩擦力情况,以准确确定切顶角度，依靠岩体自身碎胀特性实现采空区填充，实现采空区自动平衡。
[0025](2)本专利技术的一个或多个实施方式通过围岩岩体性质、单位面积围岩应力损失值，选取锚杆(索)材料、计算间排距、预应力、长度的设计值，实现巷道顶板临空面的应力补偿，使得巷道达到平衡。
附图说明
[0026]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0027]图1是本专利技术根据一个或多个实施方式的流程图；
[0028]图2是本专利技术根据一个或多个实施方式的工作面平衡开采设计模型。
具体实施方式
[0029]实施例一：
[0030]本实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法，包括：
[0031]利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
[0032]基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
[0033]利用系列室内试验获取切缝面的系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
[0034]获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
[0035]具体的，如图1所示，包括以下步骤：
[0036]步骤一：根据室内试验和现场量测确定顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将上述参数代入碎胀函数方程K＝K
0 e
‑
αt
中，求得岩体碎胀系数K；式中，K0为顶板垮落矸石初始碎胀系数，α为拟合系数，t为时间变量。
[0037]步骤二：为了保证切落的岩体碎胀后体积可以抵消采矿量的体积，让采空区上方
的岩层几乎不下沉，提出了采场碎胀控制方程；所述碎胀控制方程表示为：H
C
＝
△
V
B
/(K
‑
1)S；式中，
△
V
B
为采矿体积，K为顶板垮落岩体碎胀系数，H
C
为切顶高度，S为开采面积；将岩体碎胀系数K代入碎胀控制方程，根据碎胀控制方程得到巷道切顶高度。
[0038]进一步的，碎胀控制方程的推导过程为：
[0039](1)切顶高度H
C
×
底面积S＝切落顶板的体积；
[0040](2)切落顶板碎胀后体积＝切落顶板的体积
×
碎胀系数K；
[0041](3)切落顶板碎胀后体积＝切落顶板的体积+采矿体积
△
V
B
；
[0042]综合上述公式(1)～(3)，得出上述碎胀控制方程H
C
＝
△
V
B
/(K
‑
1)S。
[0043]步骤三：开展室内缩尺模型试验，在模型体内部建立不同试验段，每个试验段以不同的切顶角度作为变量。不同试验段中部布设监测断面，分析不同试验段摩擦力的大小情况，比选得出各方案中摩擦阻力最小的切顶角度，此角度为优选出的合理切顶角度。
[0044]步骤四：为保证锚索可以充分发挥其作用，结合现场围岩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，包括：利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，获取顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将初始碎胀系数、拟合系数和时间变量代入岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数。3.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述碎胀控制方程表示为采矿体积与开采面积的比值和岩体碎胀系数所构成的比例系数的乘积。4.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述比例系数为1/(K
‑
1)，其中，K表示岩体碎胀系数。5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述自成巷支护平衡参数包括锚索长度、锚索预应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，蒋振华，马玉琨，江贝，
申请(专利权)人：王琦，
类型：发明
国别省市：