CN112780278B - 一种用于短壁开采的矿压监测方法 - Google Patents
一种用于短壁开采的矿压监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本公开属于矿山压力控制领域，为了摸清短壁工作面长度不一、留设煤柱、无类似综采支架、非随采随冒等导致的顶板垮落、断裂规律，提出一种用于短壁工作面相关煤柱、直接顶和老顶的矿压协同监测方法，形成采空区煤柱应力监测站呈“工”字型分布，支巷锚护体与顶板监测站呈“3×3”矩阵式排布，隔离煤柱应力监测站以“一”字形布置。通过监测站数据，最终形成直接顶垮落、老顶断裂与煤柱承载力关系的可靠数据，形成真实、有效的来压预测。本方法测站位置设计、布局、监测内容充分考虑了短壁工作面的开采特点，监测设备安装便捷、监测方法简单，形成了位移与应力不同位置的协同监测网，是一种有效的短壁矿压监测方法。
Description
技术领域
本公开涉及矿山压力领域，尤其涉及在连续采煤机成套装备进行短壁开采的工作面矿山压力监测方法。
背景技术
2019年，中国煤炭产量达到了38.5亿吨，是世界第一大煤炭生产国，同时面临的资源、环境压力也更加突出。随着煤炭资源早期粗放式开采与近年现代化规模开采，绝大多数矿井遗留下大量的边角残煤资源，因此以连续采煤机为龙头装备的短壁采煤法在这部分资源中得到了一定程度的应用，提高了煤炭资源的回收率与机械化程度。但是，在井下现场应用过程中，短壁采煤方法存在以下问题：1、短壁工作面长度不一，留设采硐间煤柱、支巷间不规则煤柱、区段隔离煤柱支撑控制，顶板不会随采随冒，坚硬顶板易造成大面积悬空和整体垮落，诱发矿震、飓风冲击、煤尘爆炸等大型灾害事故；2、相比长壁综采开采，不具备顶底板移近量、液压支架立柱下腔压力以及液压支架对周期性来压的顶板保护等全方位综合矿压监测条件，短壁矿压监测方法不完善，再加上短壁工作面往往不规则，采空区来压特征难易靠经验来判定，需要一定真实的现场数据支撑来完成对顶板来压的分析，从而制定的可靠预判措施。
因此，为进一步优化和改进短壁开采技术，基于短壁工作面的巷道布置特征、煤柱设计常规规律以及常用的开采工艺，通过有效监测采空区顶板、隔离煤柱、采空区煤柱与巷道超前应力，探索短壁采场矿压规律，打破开采工艺对矿压监测的限制，提出一种连采短壁工作面矿压监测方法，可以为更合理优化短壁开采参数，适应不同的地质条件，使回采工作更加安全、高效。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于短壁开采的矿压监测方法，所述方法包括以下步骤：根据开采巷道设计确定监测对象与监测内容，所述开采巷道设计以旺格维利式全风压采煤法为基础，短壁工作面巷道布置以及煤柱留设为：短壁工作面顺槽留设护巷煤柱，支巷长度在50～140m，支巷与支巷间留设煤柱10～12m，支巷两侧回采采硐，相邻采硐间留设不同宽度刀间煤柱，支巷采用锚杆、锚索等永久支护，每隔3-5条支巷留设隔离煤柱，确定的矿压监测对象与监测内容为：①通过刀间煤柱应力与位移、锚杆受力、直接顶位移监测，分析采空区直接顶移动情况；②通过隔离煤柱应力与位移、锚索受力监测，分析采空区基本顶运移情况；③通过顺槽前段一定距离的锚杆受力、两帮实体煤的应力监测，分析短壁超前支承应力，进而得出采空区顶板垮落与破断对前方煤壁的影响；根据监测对象和监测内容，确定测点或测站位置：采空区煤柱应力监测站A根据位置具体分为A1～A7，呈“工”字型分布，支巷锚护体与顶板监测站B位于各支巷的四等分点上，根据位置具体分为B1～B9，呈“3×3”矩阵式排布，隔离煤柱应力监测站C以“一”字形布置在每个采空区留设的隔离煤柱(18)中，并且用于监测隔离煤柱(18)的受力状巷道超前应力监测站D在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中；根据监测位置与监测内容，选取矿压监测仪器：对于采空区应力监测站A，采用钻孔应力传感器来监测煤柱应力；对于支巷锚杆与顶板监测站B，采用电阻应变式测力计来监测顶锚杆受力和锚索受力，并且采用高精度位移传感器来监测直接顶的垂直方向位移和基本顶的垂直方向位置；对于格力煤柱应力监测站C，采用钻孔应力传感器来监测格力煤柱的受力状态；并且对于巷道超前应力监测站D，采用应力传感器、电阻应变式测力计和高精度位置传感器来分别监测超前应力、顶锚杆受力情况和直接顶的垂直方向位移；对监测数据进行分析：通过上述测点获取的数据，判断直接顶、基本顶的初次来压步距与周期垮落步距，总结来压规律，预判异常来压，为下个工作面开采参数优化提供支持。
根据本公开的一个方面，A1、A3、A5、A7中钻孔应力计距顺槽5m～10m，距支巷煤壁表面均为5m～8m，高度为巷道高度的中部位置，测点间水平间距为2～3m。A2、A4、A6测站位于支巷中部留设的采硐(14)，布设1组钻孔应力传感器(21)，每组2个，测点间水平间距2～3m，距支巷煤壁表面均为5～8m，高度为支巷高度的中部位置。
根据本公开的一个方面，测站B分为测断面B-1与测断面B-2，B-1监测锚杆(22)受力与直接顶(19)垂直位移，B-2监测锚索(26)受力与基本顶(25)垂直位移，除最边上2个锚杆外，其余均进行监测；每个监测断面顶板的适宜位置各安装的2个高精度位移传感器(24)用于监测直接顶(19)的垂直方向位移，对于B-1监测断面：B1～B9邻近2个锚杆支护巷道断面上，在铺设锚杆(22)时安装电阻应变式测力计(23)监测顶锚杆(22)受力，对于B-2监测断面，B1～B9邻近2个锚索支护巷道断面上，在铺设锚索(26)时安装电阻应变式测力计(23)监测锚索(26)受力，断面上全部锚索(26)均进行监测；两个监测断面的顶板中间位置安装高精度位移传感器(24)，用于监测基本顶(25)垂直方向的位移。
根据本公开的一个方面，每个采空区留设隔离煤柱(18)布置1组应力监测站C，每组3个监测点，用于监测隔离煤柱(18)的受力状态，每组应力监测站C在隔离煤柱(18)长、宽、高的中部安装1个钻孔应力传感器(21)，两侧间距5m～10m位置分别安装1个钻孔应力传感器(21)。
根据本公开的一个方面，在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中布置2组应力监测站D，其中D1、D2作为一组监测站，D3、D4作为一组测站，组间距为10m～20m：距煤壁表面10m～20m，高度为巷道中部位置，布置应力传感器(21)，监测超前应力；在安装顶锚杆(22)时，除最边上2根顶锚杆外，其余顶锚杆均安装电阻应变式测力计(23)，监测顶锚杆受力情况；监测断面顶板的适宜位置安装2个高精度位移传感器(24)，用于监测直接顶(19)垂直方向位移。
根据本公开的一个方面，通过刀间煤柱应力与位移、锚杆受力、直接顶位移监测，分析采空区直接顶移动情况；通过隔离煤柱应力与位移、锚索受力监测，分析采空区基本顶运移情况；通过顺槽前段一定距离的锚杆受力、两帮实体煤的应力监测，分析短壁超前支承应力，进而得出采空区顶板垮落与破断对前方煤壁的影响。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。
图1为根据本公开实施例的矿压监测方法的流程图；
图2为连采短壁工作面矿压监测站分布图；
图3为A1..n监测站测点布置图；
图4为B1监测站监测断面测点布置图；
图5为B2监测站监测断面测点布置图；
图6为C监测站测点布置图；并且
图7为D监测站测点布置图。
图中：1-运输大巷，2-回风大巷，3-运输顺槽，4-回风顺槽，5-已回采采硐，6-开采支巷，7-规划采硐，8-规划支巷，9-留设采硐，10-采空区煤柱，11-临时密闭，12-采空区1，13-采空区2，14-回采区，15-支巷1，16-支巷2，17-支巷3，18-隔离煤柱，19-直接顶，20-直接底，21-钻孔应力、位移传感器，22-顶锚杆，23-电阻应变式测力计，24-高精度位移传感器，25-基本顶，26-锚索，A1～A7-采空区煤柱应力监测站位置，B1～B9-支巷锚护体受力与顶板垂直位移监测站位置，C-隔离煤柱应力监测站位置，D1～D4-巷道超前应力监测站位置。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1说明了根据本公开实施例的一种用于短壁开采的矿压监测方法的流程图。
在101，根据开采巷道设计确定监测对象与监测内容。
根据一个示例，所述开采巷道设计以旺格维利式全风压采煤法为基础。
图2是根据本公开的连采短壁工作面矿压监测站分布图。参照图2，在短壁开采过程中，短壁工作面顺槽留设护巷煤柱，支巷长度在50～140m，支巷与支巷间留设煤柱10～12m，支巷两侧回采采硐，相邻采硐间留设不同宽度刀间煤柱，支巷采用锚杆、锚索等永久支护，每隔3-5条支巷留设隔离煤柱由于工艺需要每隔3条～5条支巷(15～17)留设5m～10m的隔离煤柱(18)，两隔离煤柱之间采空区作为一段矿压监测范围，按其空间分布顺序，分别命名为采空区1(12)、采空区2(13)……。在运输顺槽(3)、回风顺槽(4)的采空区(13)与回采区(14)之间增加临时密闭(11)，便于风流管理。短壁工作面巷道布置以及煤柱留设为：短壁工作面顺槽留设护巷煤柱，支巷长度在50～140m，支巷与支巷间留设煤柱10～12m，支巷两侧回采采硐，相邻采硐间留设不同宽度刀间煤柱，支巷采用锚杆、锚索等永久支护，每隔3-5条支巷留设隔离煤柱，确定的矿压监测对象与监测内容为：①通过刀间煤柱应力与位移、锚杆受力、直接顶位移监测，分析采空区直接顶移动情况；②通过隔离煤柱应力与位移、锚索受力监测，分析采空区基本顶运移情况；③通过顺槽前段一定距离的锚杆受力、两帮实体煤的应力监测，分析短壁超前支承应力，进而得出采空区顶板垮落与破断对前方煤壁的影响。
在步骤102中，根据监测对象和监测内容，确定测点或测站位置：
在本公开的示例中，根据巷道设计，确定测点或测站位置：采空区煤柱应力监测站A根据位置具体分为A1～A7，呈“工”字型分布，支巷锚护体与顶板监测站B位于各支巷的四等分点上，根据位置具体分为B1～B9，呈“3×3”矩阵式排布，隔离煤柱应力监测站C以“一”字形布置在每个采空区留设的隔离煤柱(18)中，并且用于监测隔离煤柱(18)的受力状巷道超前应力监测站D在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中；
首先，对于采空区煤柱应力监测站A：支巷中部两侧分别留设1～2个采硐(9)，监测站A根据位置具体分为A1～A7，呈“工”字型分布，在图2中已具体标出，其测点布置图如图3所示。
其次，对于支巷锚护体与顶板监测站B：监测站B位于各支巷的四等分点上，根据位置具体分为B1～B9，在图2中已具体标出。测站B分为测断面B-1与测断面B-2，B-1监测锚杆(22)受力与直接顶(19)垂直位移，测点布置如图4所示，B-2监测锚索(26)受力与基本顶(25)垂直位移，测点布置如图5所示。
在一个示例中，对于隔离煤柱应力监测站C：如图2所示，每个采空区留设隔离煤柱(18)布置1组应力监测站C，每组3个监测点，用于监测隔离煤柱(18)的受力状态。
根据一个方面，对于巷道超前应力监测站D：如图2所示，在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中布置2组应力监测站D，其中D1、D2作为一组监测站，D3、D4作为一组测站，组间距为10m～20m。测点布置如图7所示。
在103，根据监测位置与监测内容，选取矿压监测仪器。
根据本公开的实施例，基于确定的测点或测站位置以及监测内容，选取矿压监测仪器：对于采空区应力监测站A，采用钻孔应力传感器来监测煤柱应力；对于支巷锚护体与顶板监测站B，采用电阻应变式测力计来监测顶锚杆受力和锚索受力，并且采用高精度位移传感器来监测直接顶的垂直方向位移和基本定的垂直方向位置；对于格力煤柱应力监测站C，采用钻孔应力传感器来监测格力煤柱的受力状态；并且对于巷道超前应力监测站D，采用应力传感器、电阻应变式测力计和高精度位置传感器来分别监测超前应力、顶锚杆受力情况和直接顶的垂直方向位移。
具体地，针对监测站A，支巷及采硐回采完成之后，埋设1组钻孔应力传感器(21)监测煤柱应力，每组2个。A1、A3、A5、A7中钻孔应力计距顺槽5m～10m，距支巷煤壁表面均为5m～8m，高度为巷道高度的中部位置，测点间水平间距2～3m。A2、A4、A6测站位于支巷中部留设采硐(14)，布设1组钻孔应力传感器(21)，每组2个，测点间水平间距2～3m，距支巷煤壁表面均为5～8m，高度为支巷高度的中部位置。
针对B1监测断面：图2中B1～B9邻近2个锚杆支护巷道断面上，在铺设锚杆(22)时安装电阻应变式测力计(23)监测顶锚杆(22)受力，除最边上2个锚杆外，其余均进行监测；每个监测断面顶板的适宜位置各安装2个高精度位移传感器(24)，用于监测直接顶(19)垂直方向位移。
针对B2监测断面：图2中B1～B9邻近2个锚索支护巷道断面上，在铺设锚索(26)时安装电阻应变式测力计(23)监测锚索(26)受力，断面上全部锚索(26)均进行监测；两个监测断面的顶板中间位置安装高精度位移传感器(24)，用于监测基本顶(25)垂直方向的位移。
针对每组应力监测站C，在隔离煤柱(18)长、宽、高的中部安装1个钻孔应力传感器(21)，两侧间距5m～10m位置分别安装1个钻孔应力传感器(21)，监测布置如图6所示。
针对巷道超前应力监测站D，分别监测：距煤壁表面10m～20m，高度为巷道中部位置，布置应力传感器(21)，监测超前应力；在安装顶锚杆(22)时，除最边上2根顶锚杆外，其余顶锚杆均安装电阻应变式测力计(23)，监测顶锚杆受力情况；监测断面顶板的适宜位置安装2个高精度位移传感器(24)，用于监测直接顶(19)垂直方向位移。
在104中，对监测数据进行综合分析。
根据本公开的实施例，通过上述测点获取的数据，判断直接顶、基本顶的初次来压步距与周期垮落步距，总结来压规律，预判异常来压，为下个工作面开采参数优化提供支持。
具体地，基于确定的监测仪器对确定的监测内容的监测结果，对监测数据进行综合分析：通过采空区煤柱(9、10)应力变化、直接顶(19)垂直位移变化、锚杆(22)受力情况，判断直接顶的初次来压步距与周期垮落步距；通过采空区煤柱(9、10)应力变化、基本顶(25)垂直位移变化、锚索(26)受力、隔离煤柱(18)应力变化、巷道超前应力变化，判断基本顶的初次来压和周期来压。
根据一个方面，实时收集上述监测站数据，并通过分析监测数据获取信息。通过采空区煤柱(9、10)应力变化、直接顶(19)垂直位移变化、锚杆(22)受力情况，判断直接顶的初次来压步距与周期垮落步距；通过采空区煤柱(9、10)应力变化、基本顶(25)垂直位移变化、锚索(26)受力、隔离煤柱(18)应力变化、巷道超前应力变化，判断基本顶的初次来压和周期来压；根据上述监测数据的异常变化与尖点突变，为连采短壁工作面提供采区来压预警，及时采取相应措施。
根据本公开的一种短壁开采的矿压监测方法包括测站位置总体设计、布局合理，监测设备安装便捷、监测方法简单，数据来源多样、实时监测顶板运移状态，为监测短壁连采工作面矿压规律、来压预警提供真实有效的解决途径。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
在本公开的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实时或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种用于短壁开采的矿压监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据开采巷道设计确定监测对象与监测内容，所述开采巷道设计以旺格维利式全风压采煤法为基础，短壁工作面巷道布置以及煤柱留设为：短壁工作面顺槽留设护巷煤柱，支巷长度在50~140m，支巷与支巷间留设煤柱10~12m，支巷两侧回采采硐，相邻采硐间留设不同宽度刀间煤柱，支巷采用锚杆、锚索永久支护，每隔3-5条支巷留设隔离煤柱，确定的矿压监测对象与监测内容为：①通过刀间煤柱应力与位移、锚杆受力、直接顶位移监测，分析采空区直接顶移动情况；②通过隔离煤柱应力与位移、锚索受力监测，分析采空区基本顶运移情况；③通过顺槽前段一定距离的锚杆受力、两帮实体煤的应力监测，分析短壁超前支承应力，进而得出采空区顶板垮落与破断对前方煤壁的影响；
根据监测对象和监测内容，确定监测站位置：采空区煤柱应力监测站A根据位置具体分为A1～A7，呈“工”字型分布，支巷锚护体与顶板监测站B位于各支巷的四等分点上，根据位置具体分为B1～B9，呈“3×3”矩阵式排布，隔离煤柱应力监测站C以“一”字形布置在每个采空区留设的隔离煤柱(18)中，并且用于监测隔离煤柱(18)的受力状巷道超前应力监测站D在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中；
根据监测位置与监测内容，选取矿压监测仪器：对于采空区应力监测站A，采用钻孔应力传感器来监测煤柱应力；对于支巷锚杆与顶板监测站B，采用电阻应变式测力计来监测顶锚杆受力和锚索受力，并且采用高精度位移传感器来监测直接顶的垂直方向位移和基本顶的垂直方向位置；对于隔离煤柱应力监测站C，采用钻孔应力传感器来监测隔离煤柱的受力状态；并且对于巷道超前应力监测站D，采用应力传感器、电阻应变式测力计和高精度位置传感器来分别监测超前应力、顶锚杆受力情况和直接顶的垂直方向位移；
对监测数据进行分析：通过上述监测站获取的数据，判断直接顶、基本顶的初次来压步距与周期垮落步距，总结来压规律，预判异常来压，为下个工作面开采参数优化提供支持。
2.根据权利要求1所述的矿压监测方法，其特征在于，A1、A3、A5、A7中钻孔应力计距顺槽5m～10m，距支巷煤壁表面均为5m～8m，高度为巷道高度的中部位置，布设1组钻孔应力传感器(21)，每组2个，监测点间水平间距为2～3m，A2、A4、A6测站位于支巷中部留设的采硐(14)，布设1组钻孔应力传感器(21)，每组2个，监测点间水平间距2～3m，距支巷煤壁表面均为5～8m，高度为支巷高度的中部位置。
3.根据权利要求1所述的矿压监测方法，其特征在于，测站B分为测断面B-1与测断面B-2，B-1监测锚杆(22)受力与直接顶(19)垂直位移，B-2监测锚索(26)受力与基本顶(25)垂直位移，除最边上2个锚杆外，其余均进行监测；每个监测断面顶板的适宜位置各安装的2个高精度位移传感器(24)用于监测直接顶(19)的垂直方向位移，对于B-1监测断面：B1～B9邻近2个锚杆支护巷道断面上，在铺设锚杆(22)时安装电阻应变式测力计(23)监测顶锚杆(22)受力，对于B-2监测断面，B1～B9邻近2个锚索支护巷道断面上，在铺设锚索(26)时安装电阻应变式测力计(23)监测锚索(26)受力，断面上全部锚索(26)均进行监测；两个监测断面的顶板中间位置安装高精度位移传感器(24)，用于监测基本顶(25)垂直方向的位移。
4.根据权利要求1所述的矿压监测方法，其特征在于，每个采空区留设隔离煤柱(18)布置1组应力监测站C，每组3个监测点，用于监测隔离煤柱(18)的受力状态，每组应力监测站C在隔离煤柱(18)长、宽、高的中部安装1个钻孔应力传感器(21)，两侧间距5m～10m位置分别安装1个钻孔应力传感器(21)。
5.根据权利要求1所述的矿压监测方法，其特征在于，在开采支巷(6)前方10m～30m的顺槽中布置2组应力监测站D，其中D1、D2作为一组监测站，D3、D4作为一组测站，组间距为10m～20m：距煤壁表面10m～20m，高度为巷道中部位置，布置应力传感器(21)，监测超前应力；在安装顶锚杆(22)时，除最边上2根顶锚杆外，其余顶锚杆均安装电阻应变式测力计(23)，监测顶锚杆受力情况；监测断面顶板的适宜位置安装2个高精度位移传感器(24)，用于监测直接顶(19)垂直方向位移。
6.根据权利要求1所述的矿压监测方法，其特征在于，通过刀间煤柱应力与位移、锚杆受力、直接顶位移监测，分析采空区直接顶移动情况；通过隔离煤柱应力与位移、锚索受力监测，分析采空区基本顶运移情况；通过顺槽前段一定距离的锚杆受力、两帮实体煤的应力监测，分析短壁超前支承应力，进而得出采空区顶板垮落与破断对前方煤壁的影响。
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| CN1482343A (zh) * | 2002-09-09 | 2004-03-17 | 神华集团有限责任公司 | 连续采煤机房柱式短壁机械化采煤方法及其支护设备 |
| RU2244127C1 (ru) * | 2003-09-22 | 2005-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" | Способ выемки мощного пласта угля |
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2021
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