CN108979619B - 综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,涉及矿山安全技术领域。综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,首先将超前支承压力分成压力升高区和压力降低区两个区域,分别对应着煤壁的弹性区和塑性区,计算煤壁的弹性区和塑性区的超前支承压力,得到超前支承压力峰值的位置与采厚的关系;然后在工作面选择观测实验段,监测及整理工作面周期来压前一次的应力数据,分析监测的应力数据,得到采厚与超前支承压力峰值位置的关系。本发明提供的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,可以实现超前支承压力峰值位置的提前预判,对巷道维护、超前支护和冲击地压防治等具有非常大的促进作用和参考价值。

Description

综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法
技术领域
本发明涉及矿山压力与冲击地压防治技术领域,尤其涉及一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法。
背景技术
超前支承压力是指工作面煤层采出后,由于覆岩压力的转移在前方煤壁形成的集中应力。超前支承压力的分布特征将对工作面和上下顺槽的围岩控制产生较大的影响。近些年我国现代化矿井的生产技术和装备发展十分迅速,综合机械化放顶煤开采在我国的发展和成果显著,在世界范围内也处于前列。掌握超前支承压力的分布规律和特征对巷道维护和支护方案选择十分重要。我国矿山压力的研究取得了丰硕的成果;蔡美峰研究了地应力场分布规律及其与地质构造的关系;许家林深入的研究了关键层对综放工作面矿压显现特征的影响;姜耀东、王家臣对综放工作面采放比对矿压显现特征影响和采放后的煤岩分布规律研究取得了大量的研究数据;潘一山、张宏伟对综放工作面不同地域不同矿井的矿压显现特征研究已经掌握了一些关键的规律;齐庆新、窦林名等对工作面开采过程中的应力积聚和释放的研究成果丰硕;姜福兴、潘立友等对工作面推进过程中的应力监测技术的研究和应用在现场的实践中得到了检验和推广;欧阳振华、潘俊锋等对应力监测、预警预报的研究成果丰硕,在现场应用中效果很好。
然而影响超前支承压力的因素很多,主要因素有煤层埋藏深度、采厚、顶板悬梁长度和煤层强度等。随着工作面的不断推进,覆岩悬梁的长度不断增加,使得超前支承压力的大小和范围不断增大,压力分布基本上呈连续变化。覆岩悬梁长度达到极限跨距时会出现折断,悬梁折断前超前支承压力会达到峰值,峰值位置一般在煤壁内3m-15m之间。调研整理我国7个矿区38组垮落法开采的采厚与超前支承压力峰值位置数据,如图1所示。可以看出,随着采厚的变大超前支承压力峰值的位置是呈现逐渐变大的趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,确定综放开采过程中超前支承压力峰值所在位置。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,包括以下步骤:
步骤1、确定超前支承压力峰值位置与采厚的关系;
步骤1.1、将超前支承压力分成压力升高区和压力降低区两个区域,分别对应着煤壁的弹性区和塑性区;在弹性区内压力会从峰值位置向远离工作面煤壁方向单调减小,在塑性区内压力会从峰值位置向工作面煤壁方向单调减小;
步骤1.2、计算煤壁的弹性区和塑性区的超前支承压力;
根据弹性基础梁理论,所述弹性区超前支承压力如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000021
其中,σAy为弹性区超前支承压力,n为采场上覆岩的梁数,Cix为第i层岩层传递至x处岩重的比重,i=1、2、…n,mi为第i层岩层的厚度,ri为第i层基本顶的容重,Li为第i层基本顶的悬跨距;
工作面前方的煤层和基本顶都处于弹性状态时,假设各岩梁传递到同一层位时的岩重比例相同,则公式(1)简化为如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000022
其中,H为采深,r为采场上覆岩层平均容重,Cx为覆岩各岩层传递至x处岩重的比重;
建立塑性区的煤层压缩力学模型,得到煤壁破裂后塑性区超前支承压力的分布,如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000023
其中,σBy为塑性区超前支承压力,σm为煤层单轴抗压强度,M为等效采高,α为煤层压缩角,K0为煤壁压缩值,F为煤体接触面上的粘结力,f为煤层内摩擦系数;
步骤1.3、根据弹性区和塑性区的超前支承压力,得到超前支承压力峰值的位置与采厚的关系;
采后工作面的超前支承压力曲线是连续的,而且超前支承压力的峰值位置是弹性区和塑性区的分界点;在工作面超前支承压力出现峰值的位置,由公式(2)和(3)计算得到的支撑压力值相等,得到以下公式:
Figure BDA0001800065350000024
其中,x′为超前支承压力峰值的位置,Cx′为覆岩各岩层传递至x′处岩重的比重;
在同一工作面中采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力和煤层内摩擦系数各参数都相同,根据公式(4),超前支承压力峰值的位置主要受采厚的影响;采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系,得出采厚与超值支承压力峰值位置的关系,如下公式所示:
x′=kM+ε (5)
其中,k和ε均为与采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力、煤层内摩擦系数相关的系数;
步骤2、计算超前支承压力峰值位置;
步骤2.1、在工作面选择观测实验段;
所述选择的观测实验段满足以下两个条件:
一、选择的实验段范围内煤层倾角近似水平,煤层厚度变化较小,减少非直接因素对采厚和超前支承压力峰值位置的影响;
二、选择的实验段不少于两段,并记录下各段的平均采厚;
步骤2.2、监测及整理工作面周期来压前一次的应力数据;
一、记录的应力数据为工作面周期来压前一次的监测数据;二、监测点的间距精度控制在1±0.1m范围内;三、记录数据的内容包括记录数据时煤壁前方所有测点应力数据,以及各测点距工作面煤壁距离;四、整理的数据范围包括超前支承压力峰值,避免统计数据内峰值位置数据丢失;
步骤2.3、分析监测的应力数据,得到采厚与超前支承压力峰值位置的关系;
采用拉格朗日插值的方法绘制出超前支承压力峰值位置与超前支承压力的对应关系曲线,得到不同采厚时对应的超前支承压力峰值位置;实验段不少于两段,采用最小二乘拟合的方法拟合得到采厚与超前支承压力峰值位置的一次线性关系式,并采用相关性指数检验函数拟合效果。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明提供的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,建立起的超前支承压力峰值位置计算模型,可以实现超前支承压力峰值位置的提前预判,而且此计算模型在现场应用中十分方便可行。该计算模型的建立对巷道维护、超前支护和冲击地压防治等具有非常大的促进作用和参考价值。
附图说明
图1为采厚与超前支承压力峰值位置的统计关系图;
图2为本发明实施例提供的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法的流程图;
图3为本发明实施例提供的基本顶断裂超前支承压力分布示意图;
图4为本发明实施例提供的塑性区煤层压缩力学模型的示意图;
图5为本发明实施例提供的j7401工作面煤层分布示意图;
图6为本发明实施例提供的j7401工作面上钻孔参数和布置位置的示意图;
图7为本发明实施例提供的j7401工作面上的四段监测到的超前支承压力曲线图,其中,(a)为A段的超前支承压力曲线,(b)为B段的超前支承压力曲线,(c)为C段的超前支承压力曲线,(d)为D段的超前支承压力曲线;
图8为本发明实施例提供的j7401工作面上的四段的超前支承压力插值曲线图,其中,(a)为A段的超前支承压力插值曲线,(b)为B段的超前支承压力插值曲线,(c)为C段的超前支承压力插值曲线,(d)为D段的超前支承压力插值曲线;
图9为本发明实施例提供的采厚与超前支承压力峰值位置的拟合效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某煤矿的主采煤层7(4)煤层,j7401工作面为例,使用本发明的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法确定该主采煤层超前支承压力的峰值位置。
一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,如图2所示,包括以下步骤:
步骤1、确定超前支承压力峰值位置与采厚的关系;
步骤1.1、当顶板基本顶达到极限跨距折断时,超前支承压力分布将发生剧烈变化。在断裂前基本上呈现一个连续的应力场。在基本顶初次断裂之前或两次周期垮断之间,超前支承压力呈如图3所示的应力分布。将超前支承压力分成压力升高区(A区)和压力降低区(B区)两个区域,分别对应着煤壁的弹性区(A区)和塑性区(B区);在弹性区内压力会从峰值位置向远离工作面煤壁方向单调减小,在塑性区内压力会从峰值位置向工作面煤壁方向单调减小;
步骤1.2、计算煤壁的弹性区和塑性区的超前支承压力;
根据弹性基础梁理论,所述弹性区超前支承压力如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000041
其中,σAy为弹性区超前支承压力,n为采场上覆岩的梁数,Cix为第i层岩层传递至x处岩重的比重,i=1、2、…n,mi为第i层岩层的厚度,ri为第i层基本顶的容重,Li为第i层基本顶的悬跨距;
工作面前方的煤层和基本顶都处于弹性状态时,假设各岩梁传递到同一层位时的岩重比例相同,则公式(1)简化为如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000051
其中,H为采深,r为采场上覆岩层平均容重,Cx为覆岩各岩层传递至x处岩重的比重;
建立如图4所示的塑性区的煤层压缩力学模型,得到煤壁破裂后塑性区超前支承压力的分布,如下公式所示:
Figure BDA0001800065350000052
其中,σBy为塑性区超前支承压力,σm为煤层单轴抗压强度,M为等效采高,α为煤层压缩角,K0为煤壁压缩值,F为煤体接触面上的粘结力,f为煤层内摩擦系数;
步骤1.3、根据弹性区和塑性区的超前支承压力,得到超前支承压力峰值的位置与采厚的关系;
采后工作面的超前支承压力曲线是连续的,而且超前支承压力的峰值位置是弹性区和塑性区的分界点;在工作面超前支承压力出现峰值的位置,由公式(2)和(3)计算得到的支撑压力值相等,得到以下公式:
Figure BDA0001800065350000053
其中,x′为超前支承压力峰值的位置,Cx′为覆岩各岩层传递至x′处岩重的比重;
在同一工作面中采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力和煤层内摩擦系数各参数都相同,根据公式(4),超前支承压力峰值的位置主要受采厚的影响;采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系,得出采厚与超值支承压力峰值位置的关系,如下公式所示:
x′=kM+ε (5)
其中,k和ε均为与采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力、煤层内摩擦系数相关的系数;
步骤2、计算超前支承压力峰值位置;
步骤2.1、在工作面选择观测实验段;
所述选择的观测实验段满足以下两个条件:
一、选择的实验段范围内煤层倾角近似水平,煤层厚度变化较小,减少非直接因素对采厚和超前支承压力峰值位置的影响;
二、选择的实验段不少于两段,并记录下各段的平均采厚;
步骤2.2、监测及整理工作面周期来压前一次的应力数据;
一、记录的应力数据为工作面周期来压前一次的监测数据;二、监测点的间距精度控制在1±0.1m范围内;三、记录数据的内容包括记录数据时煤壁前方所有测点应力数据,以及各测点距工作面煤壁距离;四、整理的数据范围包括超前支承压力峰值,避免统计数据内峰值位置数据丢失;
步骤2.3、分析监测的应力数据,得到采厚与超前支承压力峰值位置的关系;
采用拉格朗日插值的方法绘制出超前支承压力峰值位置与超前支承压力的对应关系曲线,得到不同采厚时对应的超前支承压力峰值位置;实验段不少于两段,采用最小二乘拟合的方法拟合得到采厚与超前支承压力峰值位置的一次线性关系式,并采用相关性指数检验函数拟合效果。
本实施例中,i7401工作面范围内的顶板岩性属于中等偏硬岩层,地质构造简单,工作面范围内无断层,走向长度为1520m,倾向长度为240m。j7401工作面煤层倾角变化范围较大,如图5所示,开采过程中俯角最大达到32°,仰角最大达到16°,在整个煤层开采过程中也有四段属于近水平煤层,分别为图中的A段、B段、C段和D段。工作面范围内地表标高为+255m~+310m,工作面水平标高-150m~-270m,煤层厚度范围是7.8m~16.3m,平均煤层厚度大约是11.4m,采用综合机械化放顶煤开采,设计采高为3.4m,放顶高度根据推进不同位置时的煤层厚度而定。
A段的长度为62m,平均煤层厚度大约为9.6m,开采过程中采高3.4m,放顶高度为6.2m;B段的长度为58m,平均煤层厚度为8.4m,设计采高3.4m,放顶高度5.1m;C段长度为53m,平均煤层厚度为11.2,采高3.4m,放顶高度7.8m;D段长度为48m,平均煤层厚度12.9m,采高3.4m,放顶高度9.5m。
本实施例中,在工作面的A段、B段、C段和D段分别设置观测线进行观测,在工作面推进至距离各个观测实验段30m~50m时在回风巷开始布置超前支承压力钻孔测点,测点间距大约1m(由于施工现场地质条件限制不能完全保证间距都是1m,但测点间距控制在0.9m~1.1m范围内),钻孔深度3m(钻孔深度控制在2.9m~3.1m范围内),钻孔距离巷道底板1.5m(钻孔与巷道底板距离控制在1.4m~1.6m范围内),钻孔参数和布置位置示意图,如图6所示。其中A段布置的测点数为60个,测点编号为A1,A2,...,A60;B段测点数为56个,测点编号为B1,B2,...,B56;C段测点数为52个,测点编号为C1,C2,...,C52;D段测点数为47个,测点编号为D1,D2,...,D47。
根据现场j7401综放工作面的推进情况安排观测工作,当工作面与第一个测点距离大约20m时开始记录超前支承压力数据,每推进一个循环(并且移架结束后)观测一次数据。当判断发生周期来压时,调取周期来压前的数据进行记录,记录的内容包括此时煤壁前方所有测点应力数据,以及各测点距工作面煤壁距离。
本实施例中,工作面在A段、B段和C段推进过程中都观测到了三次周期来压,在D段推进过程中观测到了两次周期来压。整理每次周期来压前一次的超前支承压力数据,整理的数据为煤壁前方40个测点数据,即大约为煤壁前方40m范围内超前支承压力。分别将四个监测段的来压数据绘制出如图7所示的来压曲线。
从图7中可以看出,(1)在相同观测段观测得到的超前支承压力峰值的位置近似相同;(2)在不同观测段观测得到的超前支承压力峰值的位置不同,超前支承压力峰值与工作面煤壁距离由小到大依次是B段、A段、C段、D段,四个观测段的采厚排序也是B段、A段、C段、D段,可见随着采厚的增加超前支承压力峰值位置与工作面煤壁距离变大。
对四段监测到的数据分别采用拉格朗日插值的方法进行分析,在插值区间内选择分析的数据节点,过这些数据节点构造插值函数y=L(x),使得到的插值函数值L(xi)与插值区间内原函数各节点值f(xi)差值最小(其中,i=1,2,...,n,n为插值区间内选择的节点数)。拉格朗日插值的实质是根据已知节点数据或函数曲线,构造一个统一的、具有足够精度的插值函数,利用插值函数分析原有数据的线性关系或统计关系。得到四个观测段的插值曲线,如图8所示。
通过图8的插值曲线可以得出,四个观测段超前支承压力峰值位置距离工作面煤壁的距离分别是12.67m、11.58m、14.94m和17.38m。
整理采厚与超前支承压力峰值位置的关系数据,如表1所示。
表1采厚与超前支承压力峰值位置对应数据
采厚/m 9.6 8.4 11.2 12.9
峰值位置/m 12.67 11.58 14.94 17.38
将表1中的数据拟合出采厚与峰值位置的函数近似表达式,也就是根据4组实测数据点(xi,yi),(i=1,2,3,4),求近似函数y=S(x)。本实施例采用最小二乘法求解拟合函数,该方法的基本原理是最小化拟合值和实际值之间的偏差平方和。在
Figure BDA0001800065350000071
中寻找f(x)的逼近函数(其中
Figure BDA0001800065350000072
为关于x的i次向量函数),即求ak,(k=0,1,Λ,n),使Φ空间中的
Figure BDA0001800065350000073
作为f(x)的最佳逼近函数。相关性指数是检验函数拟合效果的参数,相关性指数越大拟合效果越好,其计算公式为:
Figure BDA0001800065350000081
其中,R2为相关性指数,y0为实测值,y为拟合曲线计算得到的理论值,y1为实测值得平均值。
本实施例中,采用最小二乘拟合得到采厚与峰值位置关系式为:
y=1.311x+0.3434 (7)
其中,y为超前支承压力峰值位置,x为采厚。公式(7)的相关性指数为0.9929,说明拟合效果非常好,拟合效果如图9所示。可以得出,采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系,随着采厚的增加超前支承压力峰值位置向远离工作面煤壁方向移动。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1、确定超前支承压力峰值位置与采厚的关系;
步骤1.1、将超前支承压力分成压力升高区和压力降低区两个区域,分别对应着煤壁的弹性区和塑性区;在弹性区内压力会从峰值位置向远离工作面煤壁方向单调减小,在塑性区内压力会从峰值位置向工作面煤壁方向单调减小;
步骤1.2、计算煤壁的弹性区和塑性区的超前支承压力;
步骤1.3、根据弹性区和塑性区的超前支承压力,得到超前支承压力峰值的位置与采厚的关系;
步骤2、计算超前支承压力峰值位置;
步骤2.1、在工作面选择观测实验段;
步骤2.2、监测及整理工作面周期来压前一次的应力数据;
步骤2.3、分析监测的应力数据,得到采厚与超前支承压力峰值位置的关系;
所述步骤1.2的具体方法为:
根据弹性基础梁理论,所述弹性区超前支承压力如下公式所示:
Figure FDA0003145337340000011
其中,σAy为弹性区超前支承压力,n为采场上覆岩的梁数,Cix为第i层岩层传递至x处岩重的比重,i=1、2、…n,mi为第i层岩层的厚度,ri为第i层基本顶的容重,Li为第i层基本顶的悬跨距;
工作面前方的煤层和基本顶都处于弹性状态时,假设各岩梁传递到同一层位时的岩重比例相同,则公式(1)简化为如下公式所示:
Figure FDA0003145337340000012
其中,H为采深,r为采场上覆岩层平均容重,Cx为覆岩各岩层传递至x处岩重的比重;
建立塑性区的煤层压缩力学模型,得到煤壁破裂后塑性区超前支承压力的分布,如下公式所示:
Figure FDA0003145337340000013
其中,σBy为塑性区超前支承压力,σm为煤层单轴抗压强度,M为采厚,α为煤层压缩角,K0为煤壁压缩值,F为煤体接触面上的粘结力,f为煤层内摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,其特征在于:所述步骤1.3的具体方法为:
采后工作面的超前支承压力曲线是连续的,而且超前支承压力的峰值位置是弹性区和塑性区的分界点;在工作面超前支承压力出现峰值的位置,由公式(2)和(3)计算得到的支撑压力值相等,得到以下公式:
Figure FDA0003145337340000021
其中,x'为超前支承压力峰值的位置,Cx'为覆岩各岩层传递至x′处岩重的比重;
在同一工作面中采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力和煤层内摩擦系数各参数都相同,根据公式(4),超前支承压力峰值的位置主要受采厚的影响;采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系,得出采厚与超值支承压力峰值位置的关系,如下公式所示:
x'=kM+ε (5)
其中,k和ε均为与采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力、煤层内摩擦系数相关的系数。
3.根据权利要求2所述的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,其特征在于:步骤2.1所述选择的观测实验段满足以下两个条件:
一、选择的实验段范围内煤层倾角近似水平,煤层厚度变化较小,减少非直接因素对采厚和超前支承压力峰值位置的影响;
二、选择的实验段不少于两段,并记录下各段的平均采厚。
4.根据权利要求3所述的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,其特征在于:所述步骤2.2的具体方法为:
一、记录的应力数据为工作面周期来压前一次的监测数据;二、监测点的间距精度控制在1±0.1m范围内;三、记录数据的内容包括记录数据时煤壁前方所有测点应力数据,以及各测点距工作面煤壁距离;四、整理的数据范围包括超前支承压力峰值,避免统计数据内峰值位置数据丢失。
5.根据权利要求4所述的综放开采超前支承压力峰值位置的确定方法,其特征在于:所述步骤2.3的具体方法为:
采用拉格朗日插值的方法绘制出超前支承压力峰值位置与超前支承压力的对应关系曲线,得到不同采厚时对应的超前支承压力峰值位置;实验段不少于两段,采用最小二乘拟合的方法拟合得到采厚与超前支承压力峰值位置的一次线性关系式,并采用相关性指数检验函数拟合效果。
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