CN110579194B - 沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法及应用，它是在工作面每推过开切眼一定距离后，在液压支架后方的煤层底板布置一条测线，实时监测并记录压力传感器的压力变化，随工作面推进，以“应力传感器距沿空巷道距离”为横坐标，“压力传感器压力值”为纵坐标，绘制工作面推进不同距离时的采空区压力变化曲线，通过分析采空区压力变化曲线中压力基本稳定那段曲线得到侧向基本顶各岩梁的断裂位置。本发明不但弥补了沿空巷道侧基本顶断裂的研究空白，而且为后期巷旁充填体的支护措施提供了依据。

Description

沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法及应用

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法。

背景技术

无煤柱开采技术是指在煤矿开采过程中沿采空区不留或仅留很窄的煤柱以维护巷道的开采技术，提高了煤炭资源的回采率，具有良好的经济和社会效益，是煤炭资源开采的重要发展方向之一。沿采空区不留煤柱时，通常需要在巷旁构筑一定宽度的充填体，以维护巷道空间和隔绝采空区，此时巷旁充填体的稳定性直接决定着无煤柱开采技术的成败。随着工作面的推进，工作面后方采空区内的基本顶呈现O-X断裂形式，而在沿空巷道侧则为不规则断裂。巷旁充填体受力及变形主要取决于侧向基本顶的断裂和回转下沉运动。在不同顶板及开采条件下，由于侧向基本顶断裂位置和下沉过程的不同，使得巷旁充填体受力存在较大差异。如坚硬顶板条件下侧向基本顶断裂位置深入采空区，断裂长度大，基本顶岩梁回转下沉运动剧烈，使巷旁充填体承受很大的垂直和水平应力，易发生破坏失稳，导致留巷难度大。因此，准确获得工作面开采后侧向基本顶运动特征，特别是断裂位置，对巷旁充填体参数设计和沿空巷道整体稳定具有重要指导作用。

申请人曾发明一种回采工作面基本顶超前断裂距离的确定方法(专利号：201410300444.7)，该方法利用工作面基本顶断裂时巷道顶板锚索工作阻力突变的现象，通过监测顶板锚索工作阻力的变化获得工作面基本顶超前断裂位置，具有操作简单、成本低廉、可靠性高等优点。然而，该方法只能实现对工作面基本顶超前断裂位置的确定，无法获得沿空巷道侧向基本顶岩梁的断裂位置。

现有技术中还有一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法(专利号：201910369558.X)，该方法通过结合深孔岩层位移计和全景钻孔成像装置，获得回采工作面坚硬基本顶断裂参数，原理直观清晰。然而，该方法涉及参数众多，参数选取较为困难且不易操作，而且需要进行多个钻孔施工，增加了工程难度和施工量，探测精度受仪器安装质量影响。另外，该方法只能实现对坚硬基本顶断裂形态的探测，具有很大的局限性。

因此，现有技术有待于进一步改进。

发明内容

为了准确获得不同顶板及开采条件下工作面开采后侧向基本顶运动特征，指导巷旁充填体参数设计，实现沿空巷道整体稳定，本发明克服现有技术中的不足，拟提供一种操作简单、准确性高、适用范围广的沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法，包括如下步骤：

步骤一：根据沿空巷道所在煤层的岩层柱状图，确定基本顶岩梁位置及数目n；

步骤二：在采空区底板布置压力测线

工作面推过开切眼一定距离后，在液压支架后方的煤层底板上，自沿空巷道向工作面中部沿直线等距离间隔布设Z个压力传感器，形成一条压力测线，将各压力传感器的信号线引出到沿空巷道中，并连接至数据采集箱上；

步骤三：随工作面推进，实时监测并记录压力传感器的压力变化

步骤四：根据监测压力变化，确定侧向基本顶断裂位置

步骤4.1：随工作面推进，以“应力传感器距沿空巷道距离”为横坐标，“压力传感器压力值”为纵坐标，绘制工作面推进不同距离时的采空区压力变化曲线；

步骤4.2：随工作面推进距离增加，侧向基本顶先后表现为缓慢回转下沉、断裂并快速回转下沉和极缓慢下沉三个阶段，各阶段对应的采空区压力变化曲线分别为压力缓慢震荡增加、压力剧烈震荡增加和压力基本稳定，选取第三阶段，即压力基本稳定的曲线进行分析；分析方法如下：

随着应力传感器距沿空巷道距离增加，以“应力增长与稳定的明显拐点”为特征点，设共有m个特征点，则m个特征点所对应的位置，分别为m个侧向基本顶岩梁的断裂位置。

步骤五：随工作面的推进，间隔一段距离按照步骤二方法布置一条压力测线，然后按照上述步骤三和步骤四的方法对侧向基本顶岩梁断裂位置进行实时监测，从而获得不同推进距离处侧向基本顶岩梁的断裂位置。

利用本发明沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法可以判别侧向基本顶的断裂形态，具体方法为：

比较“应力增长与稳定的明显拐点”数目m与基本顶岩梁数目n大小，根据大小判别侧向基本顶岩梁断裂形态，具体方法为：

当m＝n时，“应力增长与稳定的明显拐点”数目等于侧向基本顶岩梁数目，说明侧向基本顶各岩梁的断裂位置与侧向基本顶岩梁数目对应，既侧向基本顶各岩梁断裂位置各不相同；

当m＜n时，“应力增长与稳定的明显拐点”数目小于侧向基本顶岩梁数目，说明侧向基本顶各岩梁的断裂位置小于侧向基本顶岩梁数目，既侧向基本顶各岩梁断裂位置至少有一处相同。

利用本发明沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法可以确定侧向基本顶空顶长度，为之后的切顶高度和切顶角度的确定提供依据；具体方法为：

根据采空区压力基本稳定的曲线，随着应力传感器距沿空巷道距离增加，应力值由缓慢增加向快速增加的拐点位置即为侧向基本顶触矸位置，此位置距沿空巷道距离，即为侧向基本顶空顶长度。

进一步，为保护压力传感器，并使其具有一定的承载面积，压力传感器上下表面各焊接一个防护的方形或圆形钢板，并将其放置在底板平整处；

进一步，在压力传感器旁边布置一根具有多个侧向开孔的钢管，将各压力传感器的信号线通过小孔穿入钢管，引出到沿空巷道中，钢管用来保护信号线，防止被垮落矸石砸断，最后将信号线连接至数据采集箱上。

所述信号线优选矿用防爆线，具有抗干扰能力强，耐高温的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、沿空巷道侧向基本顶运动可分为三个阶段，即前期运动、过渡期运动和后期运动，各阶段运动特征不同，使采空区底板压力呈现不同变化规律。①前期运动：侧向基本顶缓慢回转下沉，对应的采空区底板压力缓慢增加；②过渡期运动：侧向基本顶断裂并快速回转下沉，对应的压力影响范围明显增大，采空区底板压力快速增加；③后期运动：侧向基本顶极缓慢下沉，对应的采空区底板压力及其影响范围基本稳定。根据上述特征，采空区底板“应力增长与稳定的明显拐点”即为基本顶岩梁断裂位置。本方法基于这一原理，清晰直观，能够准确得到侧向基本顶岩梁触矸位置、断裂位置以及断裂形态，为之后开展相应的支护措施提供了重要的参考和借鉴。

2、该方法避免了复杂的理论计算，涉及参数少，操作简单，可行性高；针对不同岩性的侧向基本顶岩梁均可获得其断裂位置，适用范围广；无需进行现场钻孔施工，成本低廉，施工量少；对提高沿空巷道围岩稳定性有着重要意义。

3、该方法将钢板焊接在压力传感器上下表面，不仅防止掉落的矸石损坏检测仪器，而且还有效增大了监测范围，提高了应力监测的精度和效率。

4、在煤矿开采过程中，基本顶包括工作面后方采空区内基本顶和侧向基本顶。工作面后方采空区内基本顶作为上覆岩层运动的主体，其断裂结构和形式与煤矿冲击地压和顶板周期来压有着直接的关系。因此，本领域技术人员一直致力于研究工作面后方采空区内基本顶断裂。然而，对于无煤柱开采技术，实时监测沿空巷道侧向基本顶断裂结构形式同样重要。这是由于无煤柱开采时需要在巷旁构筑充填体，巷旁构筑充填体的受力变形直接影响岩空留巷围岩的稳定性，决定着无煤柱开采技术的成败。区别于工作面后方采空区内基本顶，沿空巷道侧向基本顶为不规则断裂，导致其断裂位置和形态的研究处于空白。发明人打破常规思维，采用现场监测的方法，实时采集压力传感器数据，通过分析压力变化曲线，找到基本顶各岩梁的断裂位置，不但弥补了沿空巷道侧基本顶断裂的研究空白，而且为后期巷旁充填体的支护措施提供了依据。

5、另外，本领域公知，煤炭生产作为井下首要任务，其余任何监测手段都需在保证正常生产的前提下进行。现有方法一般都需要进行钻孔施工，安装应力计或者影像设备。这样不仅增加了钻孔施工量，影响了正常生产进度，而且对于软弱、破碎岩层来说，施工钻孔会导致岩体内部裂隙发育、贯通，造成围岩局部失稳、垮塌。本发明无需进行钻孔施工，只需在工作面液压支架后发布置侧线，无论是坚硬顶板还是软岩都适用，简单实用，利用简单措施解决大问题是本发明创新之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为工作面推进过程中侧向基本顶悬顶俯视图；

图2为工作面后方侧向基本顶悬顶示意图；

图3为A-A方向剖面图；

图4为压力传感器结构示意图；

图5为压力传感器布置图；

图6为压力传感器监测曲线；

图7为侧向基本顶各岩梁断裂部位不同时B-B方向剖面图，图中示出了m＝n的断裂形态。

图中：1-数据采集箱，2-压力传感器，3-钢板，4-钢管，5-信号线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一，参照图1-7说明本发明沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法。

步骤一：根据沿空巷道所在煤层的岩层柱状图，确定基本顶岩梁位置及数目n；

步骤二：在采空区底板布置压力测线(见图1-6)

步骤2.1：工作面推过开切眼一定距离后，在液压支架后方的煤层底板上，自沿空巷道向工作面中部方向按一定间距布设Z个压力传感器，各压力传感器尽量沿一条直线布置，且应垂直于沿空巷道走向；

步骤2.2：为保护压力传感器，并使其具有一定的承载面积，压力传感器上下表面各焊接一个尺寸较大起防护作用的方形或圆形钢板3，并将其放置在底板平整处(见图4)；

步骤2.3：在压力传感器2旁边布置一根具有多个侧向开孔的钢管4，将各压力传感器2的信号线5通过小孔穿入钢管，引出到沿空巷道中，并连接至数据采集箱上1(见图5)。

步骤三：随工作面推进，实时监测并记录压力传感器2的压力变化

步骤四：根据监测压力变化，确定侧向基本顶断裂位置，具体方法为：

步骤4.1：随工作面推进，以“应力传感器距沿空巷道距离”为横坐标，“压力传感器压力值”为纵坐标，绘制工作面推进不同距离时的采空区压力变化曲线，最终绘制的曲线见图6；

步骤4.2：随工作面推进距离增加，侧向基本顶先后表现为缓慢回转下沉、断裂并快速回转下沉和极缓慢下沉三个阶段，各阶段对应的采空区压力变化曲线分别为压力缓慢震荡增加、压力剧烈震荡增加和压力基本稳定，选取第三阶段，即压力基本稳定的曲线进行分析，也就是图6中从P₁-P_m之间的曲线为要分析的曲线；

步骤4.3：选择采空区压力变化曲线上P₁-P_m之间的曲线进行分析，随着应力传感器距沿空巷道距离增加，以“应力增长与稳定的明显拐点”为特征点，特征点数目用m表示，其中最明显的m个特征点所对应的横坐标的距离分别为m个侧向基本顶岩梁的断裂位置。

步骤五：随工作面的推进，间隔一段距离按照步骤二方法布置一条压力测线，然后按照上述步骤三和步骤四的方法对侧向基本顶岩梁断裂位置进行实时监测，从而获得不同推进距离处侧向基本顶岩梁的断裂位置。

实施例二，利用本发明沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法可以判别侧向基本顶的断裂形态，具体方法为：

比较应力增长与稳定的最明显拐点的数目m与基本顶岩梁数目n大小，根据大小判别侧向基本顶断裂形态，分两种情况：

第一种情况，当m＝n时，说明从压力基本稳定的曲线上得到的明显拐点数目等于基本顶岩梁数目，也就是说随着工作面推进距离增加，基本顶各岩梁断裂位置有n处，即说明侧向n个基本顶各梁断裂位置不同(见图7)，此时侧向基本顶回转下沉速率较为平缓稳定；

第二种情况，当m＜n时，说明从压力基本稳定的曲线上得到的明显拐点数目小于基本顶岩梁数目，也就是说随着工作面推进距离增加，基本顶各岩梁断裂位置小于n，即说明侧向n个基本顶各梁断裂中至少有一处断裂位置相同；

此时在断裂位置相同处侧向基本顶出现快速下沉，对巷旁支护结构产生动载作用，严重威胁沿空巷道围岩的稳定性。因此，确定侧向基本顶断裂形态对于合理设计巷旁支护结构，有效维护沿空巷道稳定有着重要意义。

实施例三：利用本发明沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法可以确定侧向基本顶空顶长度，具体方法为：

根据采空区压力基本稳定的曲线，随着应力传感器距沿空巷道距离增加，应力值由缓慢增加向快速增加的拐点位置即为侧向基本顶触矸位置，此位置距沿空巷道距离，即为侧向基本顶空顶长度。在空巷道巷旁切顶支护过程中，为保证切顶达到预期效果，应尽可能的让矸石充满采空区，增大矸石承载长度，这样不仅能显著减小侧向基本顶回转下沉对巷旁支护体产生的压力，限制其下沉运动空间，减小沿空巷道围岩变形量，而且可以充分利用采空区矸石体承载特性，尽可能多的承担上覆岩层重量。通过本发明所提供的现场监测方法，可以确定侧向基本顶空顶长度L₁。这为之后切顶高度和切顶角度的确定提供了重要的参考。

当然，上述说明并非是对本发明专利的限制，本发明专利也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明专利的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据沿空巷道所在煤层的岩层柱状图，确定基本顶岩梁位置及数目n；

步骤二：在采空区底板布置压力测线

工作面推过开切眼一定距离后，在液压支架后方的煤层底板上，自沿空巷道向工作面中部沿直线等距离间隔布设Z个压力传感器，形成一条压力测线，将各压力传感器的信号线引出到沿空巷道中，并连接至数据采集箱上；

步骤三：随工作面推进，实时监测并记录压力传感器的压力变化

步骤四：根据监测压力变化，确定侧向基本顶断裂位置

步骤4.1：随工作面推进，以压力传感器距沿空巷道距离为横坐标，压力传感器压力值为纵坐标，绘制工作面推进不同距离时的采空区压力变化曲线；

步骤4.2：随工作面推进距离增加，侧向基本顶先后表现为缓慢回转下沉、断裂并快速回转下沉和极缓慢下沉三个阶段，各阶段对应的采空区压力变化曲线分别为压力缓慢震荡增加、压力剧烈震荡增加和压力基本稳定，选取第三阶段，即压力基本稳定的曲线进行分析；分析方法如下：

随着压力传感器距沿空巷道距离增加，以压力增长与稳定的明显拐点为特征点，设共有m个特征点，则m个特征点所对应的位置，分别为m个侧向基本顶岩梁的断裂位置；

步骤五：随工作面的推进，间隔一段距离按照步骤二方法布置一条压力测线，然后按照上述步骤三和步骤四的方法对侧向基本顶岩梁断裂位置进行实时监测，从而获得不同推进距离处侧向基本顶岩梁的断裂位置。

2.如权利要求1所述的沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法，其特征在于，压力传感器上下表面各焊接一个防护的方形或圆形钢板，并将其放置在底板平整处。

3.如权利要求1所述的沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法，其特征在于，在压力传感器旁边布置一根具有多个侧向开孔的钢管，将各压力传感器的信号线通过小孔穿入钢管，并引出到沿空巷道中。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法判别侧向基本顶断裂形态的方法，其特征在于，它是通过比较压力增长与稳定的明显拐点数目m与基本顶岩梁数目n大小，根据大小判别侧向基本顶岩梁断裂形态进行的；具体方法为：

当m＝n时，“压力增长与稳定的明显拐点”数目等于侧向基本顶岩梁数目，说明侧向基本顶各岩梁的断裂位置与侧向基本顶岩梁数目对应，既侧向基本顶各岩梁断裂位置各不相同；

当m＜n时，“压力增长与稳定的明显拐点”数目小于侧向基本顶岩梁数目，说明侧向基本顶各岩梁的断裂位置小于侧向基本顶岩梁数目，既侧向基本顶各岩梁断裂位置至少有一处相同。

5.一种利用权利要求1-3任一所述的沿空巷道侧向基本顶岩梁断裂位置的现场测试方法确定侧向基本顶空顶长度的方法，其特征在于，具体方法为：

根据采空区压力基本稳定的曲线，随着压力传感器距沿空巷道距离增加，压力值由缓慢增加向快速增加的拐点位置即为侧向基本顶触矸位置，此位置距沿空巷道距离，即为侧向基本顶空顶长度。

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