CN110781597A - 一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，该方法是分别从弱化后顶板的自稳平衡条件和沿空巷道窄煤柱的载荷两个角度考虑，根据两个不同的条件分别建立平衡方程，解得不同的切顶高度H_F、H_f，再结合工作面的实际生产状况在两者之间选一个合理的切顶高度H_q，满足：min{H_F,H_f}≤Hq≤max{H_F,H_f}。本发明基于顶板经过人工弱化后的残余强度和切缝高度范围内的顶板岩体所受的载荷的平衡关系，从荷载和经人工弱化后顶板残余强度之间的关系以及煤柱载荷和煤柱强度之间的平衡关系建立方程求解切顶高度，得到的切顶高度更加的科学合理，可以避免因切顶高度不足而造成顶板难以切落或者切顶高度太大而浪费人力物力和增加生产成本。

Description

一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，具体涉及一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法。

背景技术

煤层上方存在一层或者几层厚且坚硬的岩层，工作面回采过后，坚硬的顶板很难及时垮落，容易形成大面积的悬顶结构。我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬顶板的煤层占1/3左右，分布在50％以上的矿区。随着综合机械化长壁采煤技术的发展，有38％的综采工作面属于来压强烈的坚硬顶板，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面分布更广。一方面由于顶板不能及时垮落使得回采巷道及煤柱的附加载荷增大，巷道的维护难度增大；另一面，当悬顶的跨度达到坚硬岩层的极限跨距时，大面积悬顶突然垮落，会引起工作面岩体的剧烈震动和冲击矿压及煤与瓦斯突出等动力灾害。为了让厚层的坚硬顶板容易及时垮落，保证工作面回采安全，现场通常采用人工干预的方式控制和处理坚硬的顶板，常用的方法有爆破切顶卸压技术和水力压裂弱化切顶卸压技术。

在爆破切顶卸压和水力压裂弱化切顶卸压的工艺参数中，切顶高度的设计是至关重要的。目前主要根据煤层的采高及顶板岩层的碎胀系数确定切顶的高度，即利用岩体破碎后体积增大的性质，根据顶板岩层的碎胀系数计算切顶范围内的岩体跨落后是否能够充满采高范围内的空间来确定切顶的高度，这种方法理论上是可行的，但是由于岩体的碎胀系数较小，而大多数文献中选取的碎胀系数的大小为1.3-1.5，况且，岩层垮落被重新压实后的残余碎胀系数更小，因此用这种方法计算的切顶高度并不合理，主要体现在：①若选取的碎胀性系数太大，计算出的切顶高度不能满足切顶卸压的预期效果要求；②若选取的碎胀性系数太小，尽管可以达到预期的切顶卸压效果，但是会增加成本和劳动强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，科学合理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

第一步，基于人工弱化后的岩体具有一定的强度，直接顶和基本顶自身的重量和工作面的回采引起的采动应力需要克服人工弱化带的残余抗剪强度才能跨落，设人工切顶的钻孔高度为H_F，建立平衡方程为：

(H-H_F)τ+kH_Fτ-k_ck_qγHd＝0，

解得：

式中：H为直接顶与基本顶厚度，m；γ为直接顶与基本顶平均容重，kg/m³；d为老顶的周期来压步距，m；τ为弱化后顶板岩体的残余抗剪强度，MPa；k_c为采动影响系数；k_q为上覆岩层载荷传递系数；k为切缝区顶板残余系数；

第二步，基于沿空掘巷窄煤柱上的载荷大小与煤柱强度之间的关系，设人工切顶的钻孔高度为H_f，建立平衡方程为：

[a+2b+(H_l-H_f-h)tanθ]γ(H_l-H_f-h)-2bσ＝0，

解得：

式中：a为巷道宽度，m；b为煤柱宽度，m；h为巷道高度，m；H_l为裂缝带高度，m；σ为煤柱强度，MPa；θ为侧向支撑角，度；γ为顶板岩体的容重，kg/m³；

第三步，结合工作面的实际生产状况在H_F、H_f两者之间选择一个切顶高度值H_q，H_q满足：

min{H_F,H_f}≤Hq≤max{H_F,H_f}。

其中，裂缝带高度H_l为：

式中，m为煤层采高，m。

其中，所述人工弱化采用聚能爆破或者水力压裂。

本发明分别从弱化后顶板的自稳平衡条件和沿空巷道窄煤柱的载荷两个角度考虑，根据两个不同的条件分别建立平衡方程，解得不同的切顶高度，再结合工作面的实际生产状况在两者之间选一个合理的切顶高度。

与常用的根据煤层采高和顶板岩层的碎胀系数计算切顶高度的方法相比，本发明基于顶板经过人工弱化后的残余强度和切缝高度范围内的顶板岩体所受的载荷(切缝高度范围内的顶板岩体自重、上覆岩层传递的载荷和采动应力)的平衡关系，从荷载和经人工弱化后顶板残余强度之间的关系以及煤柱载荷和煤柱强度之间的平衡关系建立方程求解切顶高度，得到的切顶高度更加的科学合理，可以避免因切顶高度不足而造成顶板难以切落或者切顶高度太大而浪费人力物力和增加生产成本。

附图说明

图1为本发明实施中切顶卸压方案的钻孔布置剖面图。

图2为本发明实施中切顶卸压方案的钻孔布置平面图。

图3为本发明实施中切顶卸压方案实施后顶板的垮落效果图。

图4为本发明实施中弱化后顶板岩体的受力模型图。

图5为本发明实施中窄煤柱受力模型图。

图中，1-实体煤；2-煤柱；3-切顶钻孔；4-直接顶；5-基本顶；6-采空区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

工作面的巷道布置方式如图1和图2所示，其中1为实体煤，2为煤柱。为为了使上区段回采工作面的直接顶4及时垮落，降低沿空巷道的维护难度，选择在上区段工作面回采的过程中在沿着煤柱2一侧的顶板布置切顶钻孔3，切顶钻孔3沿着巷道的延伸方向，垂直于巷道顶板。

钻孔开挖后，可以采用聚能爆破或者水力压裂及其他技术手段对坚硬顶板进行弱化，形成人工弱化带结构，在岩体自重及采动影响下，顶板能够沿此弱化带切落，切落后顶板的垮落效果如图3所示，直接顶4垮落之后，垮落的矸石充满采空区6，基本顶5与采空区6中堆积压实的矸石接触并承受上覆岩层的载荷。

弱化后，人工弱化带岩体的受力模型如图4所示，为一端固定的悬臂结构，在载荷的作用下发生剪切破坏，使得顶板沿此切落。图中q是力学符号，表示直接顶和基本顶自身的重量和工作面的回采引起的采动应力。

顶板切落后，沿空掘巷窄煤柱的受力如图5所示，当煤柱受到的载荷小于煤柱所能承受的极限强度时，说明切顶效果有益于巷道的维护。

基于人工弱化后的岩体具有一定的强度，直接顶和基本顶自身的重量和工作面的回采引起的采动应力需要克服人工弱化带的残余抗剪强度才能跨落，设人工切顶的钻孔高度为H_F，建立平衡方程为：

(H-H_F)τ+kH_Fτ-k_ck_qγHd＝0，

解得：

式中：H为直接顶与基本顶厚度，m；γ为直接顶与基本顶平均容重，kg/m³；d为老顶的周期来压步距，m；τ为弱化后顶板岩体的残余抗剪强度，MPa；k_c为采动影响系数；k_q为上覆岩层载荷传递系数；k为切缝区顶板残余系数。

基于沿空掘巷窄煤柱上的载荷大小与煤柱强度之间的关系，设人工切顶的钻孔高度为H_f，建立平衡方程为：

[a+2b+(H_l-H_f-h)tanθ]γ(H_l-H_f-h)-2bσ＝0，

解得：

式中：a为巷道宽度，m；b为煤柱宽度，m；h为巷道高度，m；H_l为裂缝带高度，m；σ为煤柱强度，MPa；θ为侧向支撑角，度；γ为顶板岩体的容重，kg/m³。

结合工作面的实际生产状况在H_F、H_f两者之间选择一个切顶高度值H_q，H_q满足：

min{H_F,H_f}≤Hq≤max{H_F,H_f}。

本发明提供的切顶高度计算方法涉及到的数据获取方法如下所述：

根据工作面的地质报告资料获得直接顶与基本顶的厚度H和直接顶与基本顶的平均容重γ。

根据矿压观测数据获得回采过程中采动应力的分布规律，获得采动影响系数k_c。

根据矿压观测数据得到老顶的周期来压步距d。

根据矿压观测数据确定上覆岩层载荷传递系数k_q。

通过团队自主研发的中国专利申请CN105259051A公开的井下原位测试系统得到人工弱化带岩体的内摩擦角及内聚力，进一步可以得到弱化后顶板岩体的残余抗剪强度τ。

根据煤矿切顶卸压钻孔现场施工经验得到切缝区顶板残余系数k＝0.3。

a、b和h为巷道的断面参数和留设的煤柱尺寸，根据具体的采掘设计方案获取。

裂缝带高度H_l为：

式中，m为煤层采高，m。

σ为煤柱强度以煤体标准试样的单轴抗压强度表示，通过实验室单轴压缩试验获得。

根据以往的大量实测数据可以得到坚硬顶板的侧向支撑角θ＝30°。

根据矿井的地质报告资料获得顶板岩体的容重γ。

Claims (3)

1.一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：

第一步，基于人工弱化后的岩体具有一定的强度，直接顶和基本顶自身的重量和工作面的回采引起的采动应力需要克服人工弱化带的残余抗剪强度才能跨落，设人工切顶的钻孔高度为H_F，建立平衡方程为：

(H-H_F)τ+kH_Fτ-k_ck_qγHd＝0，

解得：

式中：H为直接顶与基本顶厚度，m；γ为直接顶与基本顶平均容重，kg/m³；d为老顶的周期来压步距，m；τ为弱化后顶板岩体的残余抗剪强度，MPa；k_c为采动影响系数；k_q为上覆岩层载荷传递系数；k为切缝区顶板残余系数；

第二步，基于沿空掘巷窄煤柱上的载荷大小与煤柱强度之间的关系，设人工切顶的钻孔高度为H_f，建立平衡方程为：

[a+2b+(H_l-H_f-h)tanθ]γ(H_l-H_f-h)-2bσ＝0，

解得：

式中：a为巷道宽度，m；b为煤柱宽度，m；h为巷道高度，m；H_l为裂缝带高度，m；σ为煤柱强度，MPa；θ为侧向支撑角，度；γ为顶板岩体的容重，kg/m³；

第三步，结合工作面的实际生产状况在H_F、H_f两者之间选择一个切顶高度值H_q，H_q满足：

min{H_F,H_f}≤Hq≤max{H_F,H_f}。

2.根据权利要求1所述的一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，其特征在于，裂缝带高度H_l为：

式中，m为煤层采高，m。

3.根据权利要求1所述的一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，其特征在于，所述人工弱化的方式采用聚能爆破或者水力压裂。

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