CN113803066A - 无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统，包括以下步骤：利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；利用系列室内试验获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。本发明能够实现碎胀参数、切顶参数以及支护参数的准确计算，形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统。
背景技术
煤炭的开采方法经历了不断的变革，从传统留煤柱沿空掘巷到现在的无煤柱自成巷。无煤柱自成巷开采方法是利用预裂切顶，切断采空区与巷道间应力传递，利用切落岩体做功和岩体碎胀特性，自动充填采空区，形成碎石巷帮，这一过程取消了护巷煤柱，同时取消了巷道掘进。但该方法部分参数设计还没有明确的依据和方法。具体表现在：
(1)采场平衡参数设计依据不足，包括碎胀参数(岩体碎胀系数)、切顶参数(切顶高度和切顶角度)等；
(2)巷道平衡参数(支护间排距、可施加预应力等)设计局限于传统的悬吊理论，无法科学有效补偿巷道临空面应力损失。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统，能够实现碎胀参数、切顶参数以及支护参数的准确计算，形成准确的无煤柱自成巷平衡开采方案。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法，包括：
利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
利用系列室内试验获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面处摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
作为进一步的实现方式，获取顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将初始碎胀系数、拟合系数和时间变量代入岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数。
作为进一步的实现方式，所述碎胀控制方程表示为采矿体积与开采面积的比值和岩体碎胀系数所构成的比例系数的乘积。
作为进一步的实现方式，所述比例系数为1/(K-1)，其中，K表示岩体碎胀系数。
作为进一步的实现方式，所述自成巷支护平衡参数包括锚索长度、锚索预应力、锚索间排距。
作为进一步的实现方式，锚索长度根据稳定岩层以上设定高度确定；根据吸能支护材料性质确定锚索预应力；锚索间排距基于巷道开挖后临空面的应力损失补偿原则，利用开挖应力补偿方程得到。
作为进一步的实现方式，锚索预应力设置为锚索恒阻力的50％～90％。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计系统，包括：
岩体碎胀系数计算模块，其用于利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
切顶高度计算模块，其用于基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
切顶角度计算模块，其用于获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
开采方案形成模块，其用于获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式通过平衡开采理论、碎胀控制方程、碎胀函数方程实现定向切顶高度的准确计算，通过室内缩尺模型试验掌握切缝面处摩擦力情况,以准确确定切顶角度，依靠岩体自身碎胀特性实现采空区填充，实现采空区自动平衡。
(2)本发明的一个或多个实施方式通过围岩岩体性质、单位面积围岩应力损失值，选取锚杆(索)材料、计算间排距、预应力、长度的设计值，实现巷道顶板临空面的应力补偿，使得巷道达到平衡。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的工作面平衡开采设计模型。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计方法，包括：
利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
利用系列室内试验获取切缝面的系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
具体的，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：根据室内试验和现场量测确定顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将上述参数代入碎胀函数方程K＝K0 e-αt中，求得岩体碎胀系数K；式中，K0为顶板垮落矸石初始碎胀系数，α为拟合系数，t为时间变量。
步骤二：为了保证切落的岩体碎胀后体积可以抵消采矿量的体积，让采空区上方的岩层几乎不下沉，提出了采场碎胀控制方程；所述碎胀控制方程表示为：HC＝△VB/(K-1)S；式中，△VB为采矿体积，K为顶板垮落岩体碎胀系数，HC为切顶高度，S为开采面积；将岩体碎胀系数K代入碎胀控制方程，根据碎胀控制方程得到巷道切顶高度。
进一步的，碎胀控制方程的推导过程为：
(1)切顶高度HC×底面积S＝切落顶板的体积；
(2)切落顶板碎胀后体积＝切落顶板的体积×碎胀系数K；
(3)切落顶板碎胀后体积＝切落顶板的体积+采矿体积△VB；
综合上述公式(1)～(3)，得出上述碎胀控制方程HC＝△VB/(K-1)S。
步骤三：开展室内缩尺模型试验，在模型体内部建立不同试验段，每个试验段以不同的切顶角度作为变量。不同试验段中部布设监测断面，分析不同试验段摩擦力的大小情况，比选得出各方案中摩擦阻力最小的切顶角度，此角度为优选出的合理切顶角度。
步骤四：为保证锚索可以充分发挥其作用，结合现场围岩破碎范围探测，根据锚索锚固段锚固到稳定岩层x m以上为依据，进行高预应力恒阻锚索长度设计。
其中，x的范围为1～2m，使得锚索悬吊在稳定岩层中，便于预应力的施加，预应力施加后可以使得围岩内部形成压应力区，更利于巷道围岩的稳定。若＜x，则会锚固力不足，容易拉脱；若＞x，则会使得自由端过短，锚固段过长，无法施加高预应力。
步骤五：根据支护材料性质，确定高预应力恒阻锚索施加的预应力；依据巷道开挖后临空面的应力损失补偿原则，进行高预应力恒阻锚索间排距设计。
进一步的，高预应力恒阻锚索是一种近似理想塑性材料，依据室内试验得出其存在恒阻阶段，通过现场监测，获得巷道开挖后单位面积围岩应力损失值，高预应力恒阻锚索可施加预应力为其恒阻力的50％～90％。
传统锚索预应力为100kN～150kN左右，本实施例高预应力恒阻锚索可施加预应力为150kN～300kN左右，预应力只有足够大才可以补偿巷道开挖后临空面的应力损失，达到应力补偿的效果。
结合开挖应力补偿方程Sl＝C Fp/(Dr Ds)，进行高预应力恒阻锚索预应力、间排距的设计，式中：Sl为巷道开挖后临空面单位面积的应力损失值；Fp为锚索预应力；Dr为锚索排距；Ds为锚索间距；C为开挖应力补偿系数。
将计算所得切顶高度、切顶角度、锚杆(索)长度、预紧力、间排距等参数作为初步设计指标，代入如图2所示的工作面平衡开采设计模型，进行无煤柱自成巷平衡开采效果模拟，以模拟效果作为参考，对参数进行进一步优化，以此作为现场施工参数。
现场施工完成后，对锚杆(索)受力情况进行监测，对各项参数测量，通过现场工程反馈，对各项参数再次进行反馈优化。
实施例二：
本实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采设计系统，包括：
岩体碎胀系数计算模块，其用于利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
切顶高度计算模块，其用于基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
切顶角度计算模块，其用于获取顶板岩层之间摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
开采方案形成模块，其用于获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，包括：
利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
获取顶板岩层摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，获取顶板垮落矸石初始碎胀系数、拟合系数和时间变量，将初始碎胀系数、拟合系数和时间变量代入岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数。
3.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述碎胀控制方程表示为采矿体积与开采面积的比值和岩体碎胀系数所构成的比例系数的乘积。
4.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述比例系数为1/(K-1)，其中，K表示岩体碎胀系数。
5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，所述自成巷支护平衡参数包括锚索长度、锚索预应力、锚索间排距。
6.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，锚索长度根据稳定岩层以上设定高度确定.
7.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，根据吸能支护材料性质确定锚索预应力。
8.根据权利要求7所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，高预应力恒阻锚索的预应力设置为锚索恒阻力的50％～90％。
9.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷平衡开采设计方法，其特征在于，锚索间排距基于巷道开挖后临空面的应力损失补偿原则，利用开挖应力补偿方程得到。
10.无煤柱自成巷平衡开采设计系统，其特征在于，包括：
岩体碎胀系数计算模块，其用于利用岩体碎胀函数方程，得到岩体碎胀系数；
切顶高度计算模块，其用于基于岩体碎胀系数，利用采场碎胀控制方程，得到使采场达到碎胀平衡的切顶高度；
切顶角度计算模块，其用于获取切缝面摩擦力系数，经切缝面摩擦力比较得到采场顶板垮落阻力最小时的切顶角度；
开采方案形成模块，其用于获取自成巷支护平衡参数，将切顶高度、切顶角度及自成巷支护平衡参数进行验证处理，得到平衡开采设计参数，最终形成无煤柱自成巷平衡开采方案。
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