无煤柱自成巷顶板结构控制方法技术

本发明专利技术公开了无煤柱自成巷顶板结构控制方法，涉及矿井开采技术领域，包括：获取无煤柱自成巷开采条件下矿井地下工程中的工程地质参数；根据工程地质参数，建立无煤柱自成巷顶板结构力学模型，并通过判别公式，将顶板结构划分为无煤柱自成巷第一结构和无煤柱自成巷第二结构，确定无煤柱自成巷顶板结构类型；根据无煤柱自成巷顶板结构类型，采取不同的顶板结构控制设计方法，对采取不同顶板结构控制设计方法的顶板结构进行现场监测，根据监测结果判断无煤柱自成巷顶板结构是否稳定，对不稳定的顶板结构采取补充控制措施。本申请根据采矿后的顶板结构运动特征，对其顶板结构进行分析，采取不同的顶板结构控制设计方法，进而控制顶板稳定。制顶板稳定。制顶板稳定。

【技术实现步骤摘要】
无煤柱自成巷顶板结构控制方法


[0001]本专利技术涉及矿井开采
，尤其涉及无煤柱自成巷顶板结构控制方法。

技术介绍

[0002]我国煤炭井工开采主要采用长壁开采121工法，即开采1个工作面，需提前掘进2条巷道，留设1个煤柱，该工法为我国采煤事业做出了巨大贡献。该工法采用留设煤柱的方式承载上覆岩层压力，从而保证巷道围岩稳定。然而，该方法导致煤炭资源采出率低、煤柱应力集中，影响了煤矿安全、高效生产。
[0003]无煤柱自成巷开采方法作为一种新型的采煤工艺，取消了煤柱留设，进而可以减弱巷道围岩应力集中、提高煤炭资源采出率。但是，煤柱取消后的无煤柱自成巷顶板结构特征和控制方式将与以往开采方法具有较大区别。为了实现该开采模式下的顶板安全控制，本专利技术提出了无煤柱自成巷顶板结构控制方法，以保证无煤柱自成巷开采模式下顶板结构稳定。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供无煤柱自成巷顶板结构控制方法，根据无煤柱自成巷开采模式下的顶板结构和运动特征，对其顶板结构进行分析，采取不同的顶板结构控制设计方法，进而控制顶板稳定。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了无煤柱自成巷顶板结构控制方法，包括：获取无煤柱自成巷开采条件下矿井地下工程中的工程地质参数；根据所述工程地质参数，建立无煤柱自成巷顶板结构力学模型，并通过判别公式，将顶板结构划分为无煤柱自成巷第一结构和无煤柱自成巷第二结构，确定无煤柱自成巷顶板结构类型；根据所述无煤柱自成巷顶板结构类型，采取不同的顶板结构控制设计方法，对采取所述不同顶板结构控制设计方法的顶板结构进行现场监测，根据监测结果判断无煤柱自成巷顶板结构是否稳定，对不稳定的顶板结构采取补充控制措施。
[0006]优选地，所述判别公式包括对所述无煤柱自成巷第一结构的判别公式和对所述无煤柱自成巷第二结构的判别公式。
[0007]优选地，对所述无煤柱自成巷第一结构的判别公式为：
[0008]其中，x1，y1为无煤柱自成巷第一结构的范围，L
X
为铰接岩块的厚度，L
A
为煤体上方岩块的宽度，L
B
为巷道上方岩块的宽度，L
C
为采空区上方岩块的宽度。
[0009]优选地，对所述无煤柱自成巷第二结构的判别公式为：
[0010]其中，x2，y2为无煤柱自成巷第二结构的范围，a为巷道宽度，x0为第二结构在煤层内部断裂位置到巷道帮部的距离，h
f
为切顶高度。
[0011]优选地，所述顶板结构控制设计方法，包括：根据所述无煤柱自成巷顶板结构类型，对所述无煤柱自成巷第一结构采取切顶主动控制方法和碎胀承压控制方法，对所述无煤柱自成巷第二结构采取主动应力补偿控制方法和动压承载控制方法。
[0012]优选地，所述切顶主动控制方法，包括：根据工程地质参数，采用理论计算、数值模拟方法确定切顶高度和切顶角度，根据钻孔探测的方法确定切顶质量；其中，所述切顶质量指顶板定向切缝技术对顶板的切割是否完全；所述碎胀承压控制方法包括：控制碎胀高度、碎胀块度和垮落速度；其中，所述垮落块度指垮落岩体的大小块度，通过爆破震动、多维复合切顶、支架挤压措施，协调控制碎胀高度和碎胀块度，使垮落岩体的碎胀系数和承载能力实现最大化；所述垮落速度指碎胀岩体垮落的快慢，通过爆破震动、多维复合切顶、支架挤压措施弱化岩体，使顶板岩体最快速度垮落。
[0013]优选地，所述切顶高度的理论计算方法为：
[0014]其中，h
f
为切缝高度，M为采煤厚度，k为垮落岩体的碎胀系数，λ为煤层倾角影响系数；所述切顶角度的理论计算方法为：
[0015]其中，θ为切顶角度；θ'为水平煤层条件下的最优切顶角度；所述切顶质量的确定方法为：纵向裂缝率＞80%；横向连通率＞80%；其中，纵向裂缝率为单孔的裂缝比率；横向连通率为两孔之间裂缝相连通的比率。
[0016]优选地，所述应力补偿控制方法包括控制恒阻锚杆/索的支护强度和支护范围；所述动压承载控制方法包括控制在动压承载阶段巷道的支护时机、支护位置和支护强度；其中，所述恒阻锚杆/索的支护强度满足的条件为：
[0017]其中，F为顶板结构所受外力；M0为顶板结构受力对O点位置产生的弯矩；G为岩块重力；P
Z
为等效均匀支护载荷；σ
c
为在巷道处煤体的残余应力，σ0为在固定端煤体产生的反作用力；a为巷道宽度；x0为第二结构在煤层内部断裂位置到巷道帮部的距离；β为切顶角
度；所述恒阻锚杆/索的支护范围满足的条件为：
[0018]L为恒阻锚杆/索的支护长度；L
m
为恒阻锚索锚固力等于极限破断力时的锚固长度；动压承载控制支护强度满足的条件为：
[0019]其中，F
t
为动压承载临时支撑力；a为巷道宽度；γ1为上覆荷载的体积模量；γ2为第二结构的体积模量；K1为第二结构压力传递系数；K2为上覆荷载传递系数；y2为第二结构的高度；H为上覆岩层的高度；n为每排恒组锚索的数量；f
p
为单根恒组锚索的预紧力；c为第二结构的黏聚力；φ为第二结构的内摩擦角。
[0020]优选地，对采取所述不同顶板结构控制设计方法的顶板结构进行现场监测，包括：对所述无煤柱自成巷第一结构进行监测，监测内容为工作面的上方岩层中的微震能量、声发射和地音信号，当监测到所述工作面上方岩层中的微震能量、声发射和地音信号存在持续变化时，则所述无煤柱自成巷第一结构不稳定，当监测到所述工作面上方岩层中的微震能量、声发射和地音信号稳定不再变化时，则所述无煤柱自成巷第一结构稳定；对无煤柱自成巷第二结构进行监测，监测内容为监测巷道变形情况、围岩应力情况和支护结构受力情况，当所述巷道变形和围岩应力集中产生的能量之和减去支护结构吸收的能量大于巷道围岩所能承受的最大破坏能量，或巷道变形、围岩应力持续增大时，则无煤柱自成巷第二结构不稳定，当所述巷道变形和围岩应力集中产生的能量之和减去支护结构吸收的能量小于所述巷道围岩所能承受的最大破坏能量，或巷道变形、围岩应力不再变化时，则无煤柱自成巷第二结构稳定。
[0021]优选地，计算所述巷道围岩所能承受的最大破坏能量的方法为：
[0022]其中，E
wy
为巷道围岩所能承受的最大能量，E
rd
为巷道变形所产生的能量，E
rs
为围岩应力集中所产生的能量，E
ss
为支护结构吸收的能量，ρ为巷道变形能量的影响系数，ε为围岩应力能量的影响系数，ζ为支护结构吸收能量的影响系数；若无煤柱自成巷第一结构不稳定，则对所述无煤柱自成巷第一结构采取进一步措施，包括增加切顶高度和二次切顶等措施；若无煤柱自成巷第二结构不稳定，则对所述无煤柱自成巷第二结构进行进一步加固，包括对巷道顶板补打锚索和增加临时支护等措施。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术针对无煤柱自成巷顶板特殊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，包括：获取无煤柱自成巷开采条件下矿井地下工程中的工程地质参数；根据所述工程地质参数，建立无煤柱自成巷顶板结构力学模型，并通过判别公式，将顶板结构划分为无煤柱自成巷第一结构和无煤柱自成巷第二结构，确定无煤柱自成巷顶板结构类型；根据所述无煤柱自成巷顶板结构类型，采取不同的顶板结构控制设计方法，对采取所述不同顶板结构控制设计方法的顶板结构进行现场监测，根据监测结果判断无煤柱自成巷顶板结构是否稳定，对不稳定的顶板结构采取补充控制措施。2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，所述判别公式包括对所述无煤柱自成巷第一结构的判别公式和对所述无煤柱自成巷第二结构的判别公式。3.根据权利要求2所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，对所述无煤柱自成巷第一结构的判别公式为：其中，x1，y1为无煤柱自成巷第一结构的范围，L
X
为铰接岩块的厚度，L
A
为煤体上方岩块的宽度，L
B
为巷道上方岩块的宽度，L
C
为采空区上方岩块的宽度。4.根据权利要求2所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，对所述无煤柱自成巷第二结构的判别公式为：其中，x2，y2为无煤柱自成巷第二结构的范围，a为巷道宽度，x0为第二结构在煤层内部断裂位置到巷道帮部的距离，h
f
为切顶高度。5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，所述顶板结构控制设计方法，包括：根据所述无煤柱自成巷顶板结构类型，对所述无煤柱自成巷第一结构采取切顶主动控制方法和碎胀承压控制方法，对所述无煤柱自成巷第二结构采取主动应力补偿控制方法和动压承载控制方法。6.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，所述切顶主动控制方法，包括：根据工程地质参数，采用理论计算、数值模拟方法确定切顶高度和切顶角度，根据钻孔探测的方法确定切顶质量；其中，所述切顶质量指顶板定向切缝技术对顶板的切割是否完全；所述碎胀承压控制方法包括：控制碎胀高度、碎胀块度和垮落速度；其中，所述垮落块度指垮落岩体的大小块度，通过爆破震动、多维复合切顶、支架挤压措施，协调控制碎胀高度和碎胀块度，使垮落岩体的碎胀系数和承载能力实现最大化；所述垮落速度指碎胀岩体垮落的快慢，通过爆破震动、多维复合切顶、支架挤压措施弱化岩体，使顶板岩体最快速度垮落。7.根据权利要求6所述的无煤柱自成巷顶板结构控制方法，其特征在于，所述切顶高度的理论计算方法为：
其中，h
f
为切缝高度，M为采煤厚度，k为垮落岩体的碎胀系数，λ为煤层倾角影响系数；所述切顶角度的理论计算方法为：其中，θ为切顶角度；θ'为水平煤层条件下的最优切顶角度；所述切顶质量的确定方法为：纵向裂缝率＞80%；横向连通率＞80%；其中，纵向裂缝率为单孔的裂缝比率；横向连通率为两孔之间裂缝相连通的比率。8.根据权利要求6所述的无煤柱自成巷顶板结构控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚军，李宏财，何满潮，韩宗芳，杜付康，侯世林，裴依菲，张俊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：