CN108170969A - 浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法及预警系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法及预警系统和方法，以开采工作面推进到下一阶段的煤层面为铰接点，开采工作面上覆岩层的每一个单独岩层视为一个一端固定在铰接点的悬臂梁，每个单独岩层的自稳定长度由各岩层的岩性决定其悬臂梁长度，预测计算支架工作阻力；预警系统包括三维地质信息系统、采掘实时信息系统和矿压预警系统；该预警方法为：一、构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；二、采掘实时信息录入；三、开采工作面前方覆岩信息预测；四、前方覆岩矿压预警；五、岩体三维图形修正；重复步骤二到五至开采结束。本发明对浅埋煤层工作面支架的工作阻力进行预测计算，然后做出预警，提高超前支架的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采安全技术领域，特别是涉及一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法及预警系统和方法。
背景技术
浅埋煤层开采工作面回采过程中，由于推进速度快，每天推进达到15m以上，工作面面长可达到300m，常常造成工作面发生压架事故，给矿井安全生产带来巨大的隐患。随着工作面的快速推进，覆岩结构不断地发生着变化，支架如何更好的进行选型，矿压灾害如何提前预防，成为浅埋煤层高强度开采的关键问题。为此，本发明提出一种支架浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法，并在此基础上提出灾害预警系统和预警方法，为预防该条件下矿压灾害提供一种新途径。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法及预警系统和方法，为预防该条件下矿压灾害提供一种新途径。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法，以开采工作面推进到下一阶段的煤层面为铰接点，开采工作面上覆岩层的每一个单独岩层被认为是一个一端固定在铰接点的悬臂梁，每个单独岩层的自稳定长度由各岩层的岩性决定，其悬臂梁长度为
式中，Lb为悬臂梁长度，t为悬臂梁岩层的厚度，T0为悬臂梁岩层的极限抗拉强度，q为悬臂梁单位长度上的作用力；
支架支柱末端距离开采工作面推进到下一阶段煤层面的距离为
Lc＝A+B+C+lc (2)
式中，A为开采工作面到下一阶段煤层面距离，B为支护支架距离开采工作面的距离，C为前伸护梁的长度，lc为支架顶梁的长度；
在此基础上，开采面超前支架工作阻力预测方法为
式中，Frd为支架载荷，DF为考虑到采煤机割煤后相邻支架的前移以后的设计系数，取1.10～1.25，x&为第j个岩层重量中心距离铰接点的距离，W&为第j个岩层的重量，FS为支架支柱工作阻力，α为支架支柱和顶板水平面的夹角，其中，x&和W&的计算方法为：
W&＝L&St&γ& (5)
当L&-1≤L&，x&＝L&/2 (6)
当L&-1＞L&，x&＝L&-1/2 (7)
其中，L&为第j个岩层悬臂梁的长度，S为支护间距，t&为第j个岩层的厚度，γ&为第j层岩石的体积力。
一种基于浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法的预警系统，包括三维地质信息系统、采掘实时信息系统和矿压预警系统；
所述三维地质信息系统用于录入开采工作面钻孔相关数据并根据钻孔数据生成钻孔二维图，在二维图中通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；随开采工作面的掘进，对利用摄像头结合图像分析技术探测、分析开采工作面上方钻探新的钻孔内岩层获得的数据进行自动分析，得出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据修正原来的信息，并再次生成钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘实时信息系统用于实时编录回采工作面和掘进工作面信息和采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数；所述回采工作面和掘进工作面信息包括编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；所述基本岩石力学参数包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等参数；
所述矿压预警系统包括：
开采工作面前方上覆基岩预测模块：将采掘系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时反映前方覆岩的岩层变化情况，如岩层结构变化情况、厚度变化和力学特征等参数；
预警模块：通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警，如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号。
一种基于上述预警系统的预警方法，包括以下步骤：
Step1.构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型
采用数据录入、数据导入等方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统，根据编录的数据生成钻孔二维图；根据分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并根据开采工作面推进所获得的不同的钻孔数据信息，生成钻孔三维数据并结合地表三维数据；在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
Step2.采掘实时信息录入
实时编录开采工作面的数据信息和开采工作面上方覆岩的基本力学参数；
Step3.开采工作面前方覆岩信息预测
根据采掘实时信息所反应的采掘推进情况和三维地质信息系统生成的岩体三维图形，预测开采工作面前方覆岩的岩层变化情况，特别是构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数，生成模拟岩体三维图像并反映相应的岩体数据信息；
Step4.开采工作面前方覆岩矿压预警
通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警并实施灾害防治措施；如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号，进入Step5
Step5.岩体三维图形修正
钻探开采工作面上方覆岩，利用摄像头结合图像分析技术，对钻孔内岩层进行探测和分析，将探测的数据导入三维地质信息系统，自动分析出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据，修正原来的预测信息，并再次生成开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
按照开采工作的进行，重复实施Step2-Step5，直至当前煤层开采工作结束。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明利用三维地质信息系统结合采掘实时信息系统，对煤矿采掘工作过程中，采煤工作面上方覆岩情况进行实时、有效的模拟仿真，进而结合工作面上方覆岩仿真情况的模拟预测和超前支架设置方案对超前支架的工作阻力进行预测计算，然后对超前支架的选型和设置方案进行修改，提高超前支架的运行可靠性，保证安全高效的开采。
附图说明
图1为本发明的预测方法所对应的顶板悬梁结构示意图。
图2为本发明的预警系统构成示意图。
图3为本发明的预警方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法，以开采工作面推进到下一阶段的煤层面为铰接点，开采工作面上覆岩层的每一个单独岩层被认为是一个一端固定在铰接点的悬臂梁，每个单独岩层的自稳定长度由各岩层的岩性决定，其悬臂梁长度为
式中，Lb为悬臂梁长度，t为悬臂梁岩层的厚度，T0为悬臂梁岩层的极限抗拉强度，q为悬臂梁单位长度上的作用力；
支架支柱末端距离开采工作面推进到下一阶段煤层面的距离为
Lc＝A+B+C+lc (2)
式中，A为开采工作面到下一阶段煤层面距离，B为支护支架距离开采工作面的距离，C为前伸护梁的长度，lc为支架顶梁的长度；
在此基础上，开采面超前支架工作阻力预测方法为
式中，Frd为支架载荷，DF为考虑到采煤机割煤后相邻支架的前移以后的设计系数，取1.10～1.25，x&为第j个岩层重量中心距离铰接点的距离，W&为第j个岩层的重量，FS为支架支柱工作阻力，α为支架支柱和顶板水平面的夹角，其中，x&和W&的计算方法为：
W&＝L&St&γ& (5)
当L&-1≤L&，x&＝L&/2 (6)
当L&-1＞L&，x&＝L&-1/2 (7)
其中，L&为第j个岩层悬臂梁的长度，S为支护间距，t&为第j个岩层的厚度，γ&为第j层岩石的体积力。
如图2所示，一种基于浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法的预警系统，包括三维地质信息系统、采掘实时信息系统和矿压预警系统；
所述三维地质信息系统用于录入开采工作面钻孔相关数据并根据钻孔数据生成钻孔二维图，在二维图中通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；随开采工作面的掘进，对利用摄像头结合图像分析技术探测、分析开采工作面上方钻探新的钻孔内岩层获得的数据进行自动分析，得出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据修正原来的信息，并再次生成钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘实时信息系统用于实时编录回采工作面和掘进工作面信息和采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数；所述回采工作面和掘进工作面信息包括编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；所述基本岩石力学参数包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等参数；
所述矿压预警系统包括：
开采工作面前方上覆基岩预测模块：将采掘系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时反映前方覆岩的岩层变化情况，如岩层结构变化情况、厚度变化和力学特征等参数；
预警模块：通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警，如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号。
基于上述预警系统的预警方法，包括以下步骤：
Step1.构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型
采用数据录入、数据导入等方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统，根据编录的数据生成钻孔二维图；根据分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并根据开采工作面推进所获得的不同的钻孔数据信息，生成钻孔三维数据并结合地表三维数据；在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
Step2.采掘实时信息录入
实时编录开采工作面的数据信息和开采工作面上方覆岩的基本力学参数；
Step3.开采工作面前方覆岩信息预测
根据采掘实时信息所反应的采掘推进情况和三维地质信息系统生成的岩体三维图形，预测开采工作面前方覆岩的岩层变化情况，特别是构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数，生成模拟岩体三维图像并反映相应的岩体数据信息；
Step4.开采工作面前方覆岩矿压预警
通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警并实施灾害防治措施；如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号，进入Step5
Step5.岩体三维图形修正
钻探开采工作面上方覆岩，利用摄像头结合图像分析技术，对钻孔内岩层进行探测和分析，将探测的数据导入三维地质信息系统，自动分析出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据，修正原来的预测信息，并再次生成开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
按照开采工作的进行，重复实施Step2-Step5，直至当前煤层开采工作结束。
综上所述，通过本实施例的描述，可以使本技术领域人员更好的实施本方案。
Claims (3)
1.一种浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法，其特征在于：以开采工作面推进到下一阶段的煤层面为铰接点，开采工作面上覆岩层的每一个单独岩层被认为是一个一端固定在铰接点的悬臂梁，每个单独岩层的自稳定长度由各岩层的岩性决定，其悬臂梁长度为
式中，Lb为悬臂梁长度，t为悬臂梁岩层的厚度，T0为悬臂梁岩层的极限抗拉强度，q为悬臂梁单位长度上的作用力；
支架支柱末端距离开采工作面推进到下一阶段煤层面的距离为
Lc＝A+B+C+lc (2)
式中，A为开采工作面到下一阶段煤层面距离，B为支护支架距离开采工作面的距离，C为前伸护梁的长度，lc为支架顶梁的长度；
在此基础上，开采面超前支架工作阻力预测方法为
式中，Frd为支架载荷，DF为考虑到采煤机割煤后相邻支架的前移以后的设计系数，取1.10～1.25，xj为第j个岩层重量中心距离铰接点的距离，Wj为第j个岩层的重量，FS为支架支柱工作阻力，α为支架支柱和顶板水平面的夹角，其中，xj和Wj的计算方法为：
Wj＝LjStjγj (5)
当Lj-1≤Lj，xj＝Lj/2 (6)
当Lj-1＞Lj，xj＝Lj-1/2 (7)
其中，Lj为第j个岩层悬臂梁的长度，S为支护间距，tj为第j个岩层的厚度，γj为第j层岩石的体积力。
2.一种基于浅埋煤层工作面支架工作阻力预测方法的预警系统，其特征在于：包括三维地质信息系统、采掘实时信息系统和矿压预警系统；
所述三维地质信息系统用于录入开采工作面钻孔相关数据并根据钻孔数据生成钻孔二维图，在二维图中通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；随开采工作面的掘进，对利用摄像头结合图像分析技术探测、分析开采工作面上方钻探新的钻孔内岩层获得的数据进行自动分析，得出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据修正原来的信息，并再次生成钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘实时信息系统用于实时编录回采工作面和掘进工作面信息和采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数；所述回采工作面和掘进工作面信息包括编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；所述基本岩石力学参数包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等参数；
所述矿压预警系统包括：
开采工作面前方上覆基岩预测模块：将采掘系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时反映前方覆岩的岩层变化情况，如岩层结构变化情况、厚度变化和力学特征等参数；
预警模块：通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警，如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号。
3.基于权利要求2所述预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1.构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型
采用数据录入、数据导入等方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统，根据编录的数据生成钻孔二维图；根据分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并根据开采工作面推进所获得的不同的钻孔数据信息，生成钻孔三维数据并结合地表三维数据；在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型或者根据录入的不同钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成构建开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
Step2.采掘实时信息录入
实时编录开采工作面的数据信息和开采工作面上方覆岩的基本力学参数；
Step3.开采工作面前方覆岩信息预测
根据采掘实时信息所反应的采掘推进情况和三维地质信息系统生成的岩体三维图形，预测开采工作面前方覆岩的岩层变化情况，特别是构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数，生成模拟岩体三维图像并反映相应的岩体数据信息；
Step4.开采工作面前方覆岩矿压预警
通过工作面前方覆岩性质的变化，根据权利要求1所述的支架工作阻力的计算方法，计算工作面前方的支架工作阻力，如果超前支架工作阻力大于支架额定工作阻力，则系统发出强矿压预警并实施灾害防治措施；如果超前支架工作阻力小于等于额定工作阻力，则系统发出安全通过的信号，进入Step5
Step5.岩体三维图形修正
钻探开采工作面上方覆岩，利用摄像头结合图像分析技术，对钻孔内岩层进行探测和分析，将探测的数据导入三维地质信息系统，自动分析出岩层分层位置，生成钻孔柱状图，并生成分层数据，根据分层数据，修正原来的预测信息，并再次生成开采工作面上覆基岩三维地质信息系统模型；
按照开采工作的进行，重复实施Step2-Step5，直至当前煤层开采工作结束。
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