无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法技术

本发明专利技术提供了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，包括：构建顶板切缝高度与采煤高度之间的定量模型，所述定量模型包括切顶系数；对工作面开采过程进行模拟，获取最优切顶系数；所述工作面包括：不同采高、不同切缝高度条件下的工作面；基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度。即使采高变化，任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本发明专利技术得到，从而随时根据采高变化调整设计和施工。从而随时根据采高变化调整设计和施工。从而随时根据采高变化调整设计和施工。

【技术实现步骤摘要】
无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法


[0001]本专利技术属于煤炭开采
，尤其涉及无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法。

技术介绍

[0002]切顶卸压无煤柱自成巷开采是专利技术人团队提出的采煤新方法，该技术自提出以来，由于其具备安全、绿色、高效、经济的优势，现已在全国百余个矿井推广使用。该方法的核心是顶板定向切缝技术，通过顶板定向切缝技术，扩大采空区垮落岩体高度，使垮落岩体碎胀量等于采矿量，如此可以实现利用垮落碎胀的岩体支撑高位顶板，控制岩层运动和地表沉降。切缝设计中最主要的内容是切缝高度的设计，以往切缝高度设计主要依据下式进行计算：式中为切缝高度，为煤层开采高度，K为垮落岩体碎胀系数。
[0003]对于一个采煤工作面，煤层开采高度是已知的，因此切缝高度的设计最主要取决于垮落岩体的碎胀系数K。目前，碎胀系数的获取通常是通过在现场巷道内进行测量得到。测量方式为：通过激光测量、标尺、标记点等方法记录一定范围的岩体垮落前的高度为H1，顶板跨落后在巷道内测得其垮落高度为H2，H2与H1的比值K认为是碎胀系数。通过现场测量得到碎胀系数K，将其作为综合碎胀系数计算得到所需要的切缝高度。然而，整个切缝高度范围内的垮落岩体碎胀系数不是均匀的、恒定的，在巷道内进行测量的碎胀岩体范围是有限的，巷道高度以上的碎胀系数无法测得，如图1所示。而实际设计需要的碎胀系数应为整个采空区垮落区域的综合碎胀系数，如图2所示，实际测量所得碎胀系数与设计需要的整体碎胀系数存在偏差。
[0004]在薄及中厚煤层条件下，以现场观测碎胀系数进行切缝高度设计可以基本满足现场应用，但厚煤层大采高条件下，垮落高度增大，垮落岩体的整体碎胀系数与巷内能测量的碎胀系数相差甚远，由此得到的切缝高度并不科学。目前无煤柱自成巷工法主要应用在薄及中厚煤层，而随着采高增大，切缝高度同时不断增加，垮落的岩体块度在竖直方向上不均匀变化，引起碎胀系数改变，影响切缝高度设计的准确性。
[0005]综上，现有技术存在的问题是：1.由于在巷道内人员可以测量到的范围有限，当前使用的在巷道内进行测量得到碎胀系数，无法代表整个垮落高度范围内的综合碎胀系数，因此利用该碎胀系数计算顶板切缝高度的方法不准确，尤其对于厚煤层大采高条件下误差更大。
[0006]2.随着采高增大，所需要的顶板切缝高度同时增加，在顶板切缝高度范围内，岩层是多种多样的，各种岩层的垮落岩体块度在竖直方向上是不均匀、不恒定的，这也必然引起碎胀系数改变，以往的设计方法和碎胀系数测量方法并没有考虑这一点。
[0007]3.根据当前的顶板切缝设计方法，很难获得准确的碎胀系数，因此无法保证顶板切缝高度设计的准确性，需进一步探索更加可靠的设计方法。
[0008]因此有必要对切缝高度的设计方法进行研究，提出一种新的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，即使采高变化，任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本专利技术得到，从而随时根据采高变化调整设计和施工。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，包括：设置切顶系数，构建顶板切缝高度与采煤高度之间的定量模型；对工作面开采过程进行模拟计算，获取最优切顶系数；所述工作面包括：不同采高、不同切缝高度条件下的工作面；基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度的计算方法。
[0011]可选地，所述定量模型为：其中，为切缝高度，为煤层开采高度，f为切顶系数。
[0012]可选地，所述切顶系数为：其中，f为切顶系数，为垮落岩体综合碎胀系数。
[0013]可选地，对工作面开采过程进行模拟计算包括：构建所述工作面对应的计算模型，并获取所述计算模型的模拟参数；所述模拟参数包括：模型尺寸、模型支护布置、模型块体划分、模型类型、模型初始条件与边界条件；采用现场监测数据对所述模拟参数进行校核；利用校核后的所述模拟参数，基于切缝高度为变量，进行所述计算模型的模拟计算。
[0014]可选地，获取所述最优切顶系数包括：（1）对固定采高、不同切缝高度条件下的工作面进行模拟计算，获取固定采高工作面的模拟结果；（2）构建切缝效果评价指标模型，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价，获取所述固定采高工作面的最优切缝方案；（3）基于所述最优切缝方案，获取所述固定采高工作面的所述最优切顶系数；（4）重复步骤（1）
‑
（3），对不同采高、不同切缝高度条件下的工作面进行模拟计算，获取不同采高工作面的所述最优切顶系数。
[0015]可选地，所述切缝效果评价指标模型中的评价指标包括：垮落岩体充填率、巷道顶板位移下沉量、顶板位移减小率、煤帮应力峰值和煤帮应力减小率。
[0016]可选地，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价包括：评价垮落岩体对采空区的填充效果，获取垮落岩体完全充满采空区的切缝高度；评价围岩位移场和应力场分布状态，获取围岩应力和位移最低的切缝高度。
[0017]可选地，获取所述最佳切缝高度包括：基于所述不同采高工作面的所述最优切顶系数和所述不同采高工作面的采高，构建拟合模型；其中，f为顶板切缝系数，为煤层开采高度，a和b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。
[0018]基于所述拟合模型和所述定量模型，获取最佳切缝高度计算方法，对所述最佳切缝高度模型进行求解，获得所述最佳切缝高度。
[0019]可选地，所述最佳切缝高度计算方法为：其中，为顶板切缝高度，为煤层开采高度，a和b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：1.采用本专利技术所述的切顶系数取代以往利用碎胀系数进行切缝高度计算的方法，使切缝高度与采高之间的定量计算模型更加简单、直接，克服了因只能测量获得局部碎胀系数而导致整个计算结果不准确的问题。
[0021]2.采用本专利技术所述的顶板切缝设计方法，克服了因岩层岩性变化、开采条件变形等引起岩石碎胀系数无规律改变，从而导致基于碎胀系数进行切缝高度计算不准确的问题。
[0022]3.采用传统方法，需要先从现场垮落岩体中测量获得碎胀系数才能得到切缝高度的设计方案，因此得到的设计方案是滞后于现场工程的，无法提前指导工程；而且传统方法获得的设计方案是针对单一条件或个别条件的，在岩层或采高随时变化的过程中，很难及时进行方案调整。本专利技术提出的方法，能够在某矿井大环境不变的情况下，提前获得各类顶板条件和采高条件下的最优切顶方案，从而可以更加准确的指导工程，做到随地质条件变化而实时动态优化设计。
附图说明
[0023]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本专利技术的实际测量的碎胀系数示意图；图2为本专利技术的设计需要的碎胀系数示意图；图3为本专利技术实施例的切缝高度不足示意图；图4为本专利技术实施例的切缝高度合理示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，包括：设置切顶系数，构建顶板切缝高度与采煤高度之间的定量模型；对工作面开采过程进行模拟计算，获取最优切顶系数；所述工作面包括：不同采高、不同切缝高度条件下的工作面；基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度的计算方法。2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述定量模型为：其中，为切缝高度，为煤层开采高度，f 为切顶系数。3.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述切顶系数为：其中，f为切顶系数，为垮落岩体综合碎胀系数。4.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，对工作面开采过程进行模拟计算包括：构建所述工作面对应的计算模型，并获取所述计算模型的模拟参数；所述模拟参数包括：模型尺寸、模型支护布置、模型块体划分、模型类型、模型初始条件与边界条件；采用现场监测数据对所述模拟参数进行校核；利用校核后的所述模拟参数，基于切缝高度为变量，进行所述计算模型的模拟计算。5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，获取所述最优切顶系数包括：（1）对固定采高、不同切缝高度条件下的工作面进行模拟计算，获取固定采高工作面的模拟结果；（2）构建切缝效果评价指标模型，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价，获取所述固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚军，刘奔，何满潮，陈奎奎，刘辉，朱淳，侯世林，张俊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：