CN115559728B - 无煤柱自成巷平衡开采方法与装备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，涉及煤矿开采技术领域。方法包括：当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数，根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度。如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度进行一次切顶作业，按照充填高度进行充填作业；如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度进行充填作业；二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。采用本申请可以实现采矿活动的平衡控制。

Description

无煤柱自成巷平衡开采方法与装备

技术领域

本申请涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备。

背景技术

目前，在煤炭井工开采中，可以根据采矿高度确定切顶高度，按照切顶高度对工作面端部的顶板进行定向切缝，使切顶范围内岩体垮落碎胀后对采空区进行有效充填（即顶板垮落矸石碎胀体积等于采矿体积），实现采矿活动中的平衡控制。

然而，由于此种切顶技术仅能对顶板进行一次定向切缝（即一次切顶），当开采现场的采矿高度较高时，确定出的切顶高度也相对较高，导致定向切缝的实施难度和成本急剧增加，平衡控制难以实现。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备。

第一方面，提供了一种无煤柱自成巷平衡开采方法，所述方法包括：

当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，获取顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数；

根据所述初始碎胀系数、所述滞后工作面距离、所述岩性影响系数和预设的拟合系数，确定所述顶板垮落矸石的碎胀控制系数；

根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数、所述充填高度影响参数和所述切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度；

如果所述切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照所述充填高度对采空区进行充填作业；

如果所述切顶高度大于所述一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照所述充填高度对所述采空区进行充填作业；所述二次切顶作业包括在所述一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在所述切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。

作为一种可选地实施方式，根据所述初始碎胀系数、所述滞后工作面距离、所述岩性影响系数和预设的拟合系数，确定所述顶板垮落矸石的碎胀控制系数的公式为：

其中，K表示碎胀控制系数，γ表示岩性影响系数，K₀表示初始碎胀系数，α表示拟合系数，d表示滞后工作面距离。

作为一种可选地实施方式，所述充填高度影响参数包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，所述切顶高度影响参数包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，所述根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数、所述充填高度影响参数和所述切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度，包括：

根据所述充填施工成本等级、所述充填施工效率等级、所述矿井充填条件成熟度、所述切顶施工成本等级、所述切顶施工效率等级和所述矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数；

根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数和所述切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度。

作为一种可选地实施方式，所述根据所述充填施工成本等级、所述充填施工效率等级、所述矿井充填条件成熟度、所述切顶施工成本等级、所述切顶施工效率等级和所述矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数的公式为：

P=（p₁+p₂）×M_p

Q=（q₁+q₂）×M_q

δ=P/Q

其中，P表示充填高度影响系数，p₁表示充填施工成本等级，p₂表示充填施工效率等级，M_p表示矿井充填条件成熟度，Q表示切顶高度影响系数，q₁表示切顶施工成本等级，q₂表示切顶施工效率等级，M_q表示矿井切顶条件成熟度，δ表示切充比评价系数。

作为一种可选地实施方式，所述根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数和所述切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度的公式为：

δ=H_D/(H_C×(K-1))

H=H_D+H_C×(K-1)

其中，δ表示切充比评价系数，H_D表示充填高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数，H表示采矿高度。

作为一种可选地实施方式，所述方法还包括：

对所述顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，确定所述岩性影响系数。

作为一种可选地实施方式，所述方法还包括：

当所述采矿高度小于或等于所述采矿高度阈值时，根据所述采矿高度和所述碎胀控制系数确定所述切顶高度。

作为一种可选地实施方式，所述根据所述采矿高度和所述碎胀控制系数确定所述切顶高度的公式为：

H=H_C×(K-1)

其中，H表示采矿高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数。

作为一种可选地实施方式，所述充填作业包括矸石充填、水砂充填、膏体充填和高水材料充填。

作为一种可选地实施方式，所述方法还包括：

对工作面进行煤矿开采，预留并维护开采巷道；

对定向切缝后的所述开采巷道进行挡矸支护并形成巷帮。

作为一种可选地实施方式，所述方法还包括：

基于无煤柱自成巷预应力吸能支护设备对所述开采巷道和所述切顶巷道的顶板进行预应力吸能支护。

作为一种可选地实施方式，所述对定向切缝后的所述开采巷道进行挡矸支护并形成巷帮，包括：

基于无煤柱自成巷切顶护帮装备对所述开采巷道侧部的垮落矸石进行挡矸支护并形成巷帮。

作为一种可选地实施方式，所述方法还包括：

基于无煤柱自成巷切缝装备对所述工作面的端部顶板进行定向切缝；和/或，

所述工作面两端对应的竖向切缝呈正八字或平行设置。

第二方面，提供了一种无煤柱自成巷平衡开采装置，所述装置包括：

获取模块，用于当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，获取顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数；

第一确定模块，用于根据所述初始碎胀系数、所述滞后工作面距离、所述岩性影响系数和预设的拟合系数，确定所述顶板垮落矸石的碎胀控制系数；

第二确定模块，用于根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数、所述充填高度影响参数和所述切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度；

第一作业模块，用于如果所述切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照所述充填高度对采空区进行充填作业；

第二作业模块，用于如果所述切顶高度大于所述一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照所述充填高度对所述采空区进行充填作业；所述二次切顶作业包括在所述一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在所述切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。

作为一种可选地实施方式，所述充填高度影响参数包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，所述切顶高度影响参数包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，所述第二确定模块，具体用于：

根据所述充填施工成本等级、所述充填施工效率等级、所述矿井充填条件成熟度、所述切顶施工成本等级、所述切顶施工效率等级和所述矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数；

根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数和所述切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度。

作为一种可选地实施方式，所述装置还包括：

第三确定模块，用于对所述顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，确定所述岩性影响系数。

作为一种可选地实施方式，所述装置还包括：

第四确定模块，用于当所述采矿高度小于或等于所述采矿高度阈值时，根据所述采矿高度和所述碎胀控制系数确定所述切顶高度。

作为一种可选地实施方式，所述装置还包括：

开采模块，用于对工作面进行煤矿开采，预留并维护开采巷道；

支护模块，用于对定向切缝后的所述开采巷道进行挡矸支护并形成巷帮。

第三方面，提供了一种无煤柱自成巷平衡开采装备，所述装备包括：配套使用的无煤柱自成巷采煤机、无煤柱自成巷刮板运输机、无煤柱自成巷过渡支架、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备、无煤柱自成巷定向切缝装备、无煤柱自成巷切顶护帮装备和无煤柱自成巷多功能钻机支架；所述装备用于执行如权利要求1至9中任一项所述的无煤柱自成巷平衡开采方法。

第四方面，提供了一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的方法步骤。

第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。

本申请提供了一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，表示开采现场的采矿高度较高，基于一次切顶的平衡控制难以实现，因此，获取开采现场对应的顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数。然后，根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数。根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定合理的切顶高度和充填高度。如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。其中，二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。根据确定出的切顶高度和充填高度在开采现场实施切顶作业和充填作业，可以使垮落矸石碎胀体积与充填体体积之和等于采矿体积，从而实现工作面采空区的自动平衡。

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，并不能限制本申请。

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为本申请实施例提供的一种现有技术中“非平衡开采”体系的垮落状态示意图；

图2为本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采方法的施工现场示意图；

图3为本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种直接顶未垮落阶段的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种直接顶垮落阶段的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种基本顶垮落阶段的示意图；

图7为本申请实施例提供的一种二次切顶作业的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采装置的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。

附图标记：

1、上覆岩层；2、裂隙带；3、基本顶；4、直接顶；5、煤层；6、开采巷道；7、采空区；8、预应力吸能支护构件；9、定向切缝；10、充填体；11、无煤柱自成巷采煤机；12、工作面；13、无煤柱自成巷刮板运输机；14、无煤柱自成巷过渡支架；15、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备；16、无煤柱自成巷定向切缝装备；17、无煤柱自成巷切顶护帮装备；18、无煤柱自成巷多功能钻机支架；19、切顶巷道。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为了便于理解，本申请实施例首先对“非平衡开采”体系进行说明。

我国煤炭井工开采主要采用的长壁开采121工法（即开采1个工作面，需提前掘进2条巷道，留设1个煤柱）为典型的“非平衡开采”体系，图1为本申请实施例提供的一种现有技术中“非平衡开采”体系的垮落状态示意图，如图1所示，长壁开采121工法在相邻工作面开采时，采空区上覆岩层发生阶段性垮落和断裂下沉，在煤柱和巷道上方形成长臂梁结构。并且，整个采矿工程采空区上覆岩层结构始终处于不断地运动状态，由于煤柱的支撑作用，使得采空区和煤柱上覆岩层断裂垮落形态不一致。随着时间的推移，裂隙扩展至地表，易产生地表不均匀沉降与环境损伤。在长壁开采121工法中，采矿体积△Vm为已知量，采矿引起的地表沉降体积△V _S 可以通过测量得到，但是采矿引起的裂隙带岩层裂隙体积△V _C 和采矿引起的垮落矸石碎胀体积△V _B 难以确定，因此，地表沉降损伤变量K ₁（即地表沉降体积占采矿体积的百分比）可以确定，而裂隙带岩层裂隙损伤变量K ₂（即裂隙带岩层裂隙体积占采矿体积的百分比）和垮落矸石碎胀损伤变量K ₃（即垮落矸石碎胀体积占采矿体积的百分比）难以确定，导致采矿损伤不变量方程K ₁+K ₂+K ₃=1无法求解，无法进行采矿活动中的平衡控制。

图2为本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采方法的施工现场示意图，如图2所示，工作面12为煤层5的开采位置，在煤层5开采后形成采空区7，煤层5的上方为直接顶4，直接顶4的上方为基本顶3，基本顶3的上方为上覆岩层1。在工作面12周围布置配套的无煤柱自成巷平衡开采装备，其中，无煤柱自成巷平衡开采装备包括采煤装备和成巷装备，采煤装备包括无煤柱自成巷采煤机11、无煤柱自成巷刮板输送机13和无煤柱自成巷过渡支架14，成巷装备包括无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备15、无煤柱自成巷定向切缝装备16、无煤柱自成巷切顶护帮装备17和无煤柱自成巷多功能钻机支架18。采煤装备用于对工作面12进行煤矿开采，成巷装备用于切割出巷道并进行维护。

本申请实施例提供的无煤柱自成巷平衡开采方法，采用切顶+人工充填的方式对采空区进行填充，实现煤矿开采的平衡控制，原理为：根据采矿后的顶板运动特征，建立采矿损伤不变量方程K ₁+K ₂+K ₃+K ₄=1，其中，K ₁表示采矿引起的地表沉降损伤变量（即地表沉降体积占采矿体积的百分比），K ₂表示采矿引起的裂隙带岩层裂隙损伤变量（即裂隙带岩层裂隙体积占采矿体积的百分比），K ₃表示垮落矸石碎胀损伤变量（即垮落矸石碎胀体积占采矿体积的百分比），K ₄表示充填体损伤变量（即人工加入的充填体的体积占采矿体积的百分比）。从采矿岩石力学角度对采矿过程各阶段产生的岩层损伤进行分析，设计合理的切顶高度和充填高度，控制顶板垮落矸石碎胀体积△V _B 和对采空区充填的充填体体积△V _D 与采矿体积△V _m 实现平衡，即△V _B +△V _D =△V _m ，K ₃+K ₄=1，代入采矿损伤不变量方程K ₁+K ₂+K ₃+K ₄=1，可以得到K ₁和K ₂均等于0，K ₃和K ₄有解，即采矿损伤不变量方程K ₁+K ₂+K ₃+K ₄=1有解，从而实现采矿活动中的平衡控制，形成平衡开采模式。

下面将结合具体实施方式，对本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采方法进行详细的说明，图3为本申请实施例提供的一种无煤柱自成巷平衡开采方法的流程图，如图3所示，具体步骤如下：

步骤301，当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，获取顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数。

在实施中，当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值（例如4m）时，由于采矿高度较高，仅采用一次切顶对采空区进行填充的平衡控制难以实现。因此，需要采用切顶+人工充填的方式对采空区进行填充，根据开采现场的实际情况（即顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数）设计合理的切顶高度和充填高度，控制采空区上方的顶板垮落矸石的碎胀体积△V _B 和人工充填的充填体体积△V _D 与采矿体积△V _m 平衡，即△V _B +△V _D =△V _m ，从而实现工作面采空区的平衡控制。其中，顶板垮落矸石的初始碎胀系数为顶板垮落矸石破碎后自然堆积体积与顶板垮落矸石原体积的比值，滞后工作面距离为工作面开采过去后，后方距离工作面开采位置的距离，岩性影响系数可以反映不同岩性对于矸石碎胀性的影响程度。进一步的，充填高度影响参数和切顶高度影响参数均为开采现场的固有属性，充填高度影响参数为影响人工充填填充比例的参数，切顶高度影响参数为影响切顶填充比例的参数，例如，充填高度影响参数可以包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，切顶高度影响参数可以包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度。优选的，采矿高度阈值可以是通过数值模拟结合现场实践经验得到的，顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离和岩性影响系数可以是通过现场实测或开展试验获取到的，充填高度影响参数和切顶高度影响参数可以是根据开采现场的施工情况和施工成本要求确定的，并预先存储于计算机设备中。

步骤302，根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数。

在实施中，为了控制顶板垮落矸石的碎胀体积，计算机设备可以根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数。其中，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数的公式为：

其中，K表示碎胀控制系数，γ表示岩性影响系数，K₀表示初始碎胀系数，α表示拟合系数，d表示滞后工作面距离。顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离和岩性影响系数的说明参见步骤301的实施过程，此处不再赘述。拟合系数可以通过前期试验中的模型线性拟合得到。优选的，可以在顶板未垮落阶段（即垮落矸石碎胀体积△V _B =裂隙带岩层裂隙体积△V _C =0），对采空区顶板岩体的垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，确定岩性影响系数。需要说明的是，由于不同岩体的碎胀控制系数存在差异，本申请实施例中考虑增加岩性影响系数，使确定出的垮落矸石的碎胀控制系数更符合开采现场的实际情况。并且，通过滞后工作面距离可以更精确的表示工作面的推进距离，进一步使确定出的垮落矸石的碎胀控制系数更符合开采现场的实际情况。

步骤303，根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度。

在实施中，△V _B 表示顶板垮落矸石的碎胀体积，△V _D 表示人工充填的充填体体积，K表示碎胀控制系数，H_D表示充填体的充填高度，H_C表示工作面端部顶板的切顶高度，S表示开采面积，△V _m 表示采矿体积，H表示采矿高度，P表示充填高度影响系数，Q表示切顶高度影响系数。为了实现平衡控制，采矿体积满足等式△V _B +△V _D =△V _m （1），由于顶板垮落矸石的碎胀体积满足等式△V _B =（K-1）H_C*S（2），人工充填的充填体体积△V _D 满足等式△V _D =H_D*S（3），因此，结合等式（1）、（2）和（3），可以得到充填高度和切顶高度需要满足的等式H=H_D+H_C×(K-1)（4）。然后，综合考虑开采现场的施工情况和施工成本，在等式（4）的基础上结合充填高度影响系数和切顶高度影响系数，即可确定出合理的切顶高度和充填高度。因此，计算机设备可以根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度。

作为一种可选的实施方式，充填高度影响参数包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，切顶高度影响参数包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，计算机设备根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度的处理过程如下：

步骤一，根据充填施工成本等级、充填施工效率等级、矿井充填条件成熟度、切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数。

在实施中，计算机设备可以根据充填施工成本等级、充填施工效率等级、矿井充填条件成熟度、切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数，表示通过人工充填和切顶对采空区进行填充的比例。其中，确定切充比评价系数的公式为：

P=（p₁+p₂）×M_p

Q=（q₁+q₂）×M_q

δ=P/Q

其中，P表示充填高度影响系数，p₁表示充填施工成本等级，p₂表示充填施工效率等级，M_p表示矿井充填条件成熟度，Q表示切顶高度影响系数，q₁表示切顶施工成本等级，q₂表示切顶施工效率等级，M_q表示矿井切顶条件成熟度，δ表示切充比评价系数。优选的，p₁、q₁、p₂和q₂的取值均可以分为5个等级，取值范围为1~5，M_p和M_q的取值范围为0~1。

步骤二，根据采矿高度、碎胀控制系数和切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度。

在实施中，综合考虑开采现场的施工情况和施工成本，切充比评价系数、充填高度和切顶高度需要满足等式δ=H_D/(H_C×(K-1))（5），等式（5）结合步骤303中的等式（4），即可以确定出合理的切顶高度和充填高度。即确定切顶高度和充填高度的公式为：

δ=H_D/(H_C×(K-1))

H=H_D+H_C×(K-1)

其中，δ表示切充比评价系数，H_D表示充填高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数，H表示采矿高度。

步骤304，如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。

在实施中，如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，综合考虑开采现场的施工成本和施工难度，可以采用一次切顶+人工充填的方式对采空区进行填充，按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。优选的，一次切顶实施高度阈值可以是通过数值模拟结合开采现场的实际情况确定的，并预先存储在计算机设备中。

为了便于理解，本申请实施例以采用一次切顶+人工充填进行填充为示例，对开采现场的岩层各阶段的垮落状态进行介绍：

I阶段：直接顶未垮落

如图4所示，直接顶4为直接位于煤层5之上且不稳定的岩层，在煤矿工作面12开采期间，采空区7的顶板围岩应力重新分布，但短时间内直接顶4未垮落，其上方岩层均未产生变形。此时，△V _B =△V _C =△V _S =0。

II阶段：直接顶垮落

如图5所示，按照切顶高度对工作面12的端部顶板进行一次切顶作业，形成定向切缝9，然后按照充填高度对采空区进行充填作业，充填体10填充部分采空区7。随着工作面12向前推进，直接顶4在水平方向滞后工作面12一定距离后，在自重和矿山压力的作用下，在切顶高度范围内产生较大面积的垮落，垮落产生的冲击对巷道空间6稳定性造成一定影响。此时直接顶4垮落形成的矸石未能充满采空区7，其上方岩层产生轻微变形，未出现明显裂隙。此时，△V _B +△V _D ＜△V _m ，△V _C =0。

III阶段：基本顶垮落

如图6所示，基本顶3在自重和矿山压力作用下垮落，基本顶3垮落形成的矸石充满采空区7。此时，△V _B +△V _D =△V _m ，△V _C =0，△V _S =0，即实现充填体积和顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积之间的平衡。

作为一种可选地实施方式，充填作业包括矸石充填、水砂充填、膏体充填和高水材料充填。

步骤305，如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业；二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。

在实施中，如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，综合考虑开采现场的施工成本和施工难度，可以采用一次切顶+二次切顶+人工充填的方式对采空区进行填充，按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。图7为本申请实施例提供的一种二次切顶作业的示意图，如图7所示，二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道19，以及在切顶巷道19内对顶板进行二次定向切缝。需要说明的是，如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则切顶高度等于一次切顶高度、切顶巷道高度与二次切顶高度三者的和值，一次切顶高度、切顶巷道高度和二次切顶高度可以通过数值模拟结合开采现场的实际情况（例如施工成本与施工难度等）确定。

作为一种可选地实施方式，计算机设备的处理过程还包括：

当采矿高度小于或等于采矿高度阈值时，根据采矿高度和碎胀控制系数确定切顶高度。

在实施中，当采矿高度小于或等于采矿高度阈值时，表示可以通过一次切顶对采空区进行填充，根据采矿高度和碎胀控制系数确定切顶高度。其中，确定切顶高度的公式为：

H=H_C×(K-1)

其中，H表示采矿高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数。

作为一种可选地实施方式，如图2所示，可以基于无煤柱自成巷定向切缝装备16对工作面的端部顶板进行定向切缝。进一步的，工作面两端对应的竖向切缝呈正八字或平行设置。

作为一种可选地实施方式，如图2所示，可以基于无煤柱自成巷切顶护帮装备17对开采巷道6侧部的垮落矸石进行挡矸支护并形成巷帮。

作为一种可选地实施方式，如图2和图7所示，可以基于无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备15对开采巷道6和切顶巷道19的顶板进行预应力吸能支护，以控制开采巷道6和切顶巷道19的顶板围岩变形与顶板离层，提高开采巷道6和切顶巷道19稳定性，使开采巷道6和切顶巷道19的顶板受采空区7顶板运动垮落的影响减小，从而有效控制地表沉降体积和裂隙带岩层裂隙体积。其中，无煤柱自成巷预应力吸能支护装备15采用高预应力吸能支护构件8进行支护，高预应力吸能支护构件8包括但不局限于高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。

本申请实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采方法，当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，表示开采现场的采矿高度较高，基于一次切顶的平衡控制难以实现，因此，获取开采现场对应的顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数。然后，根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数。根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定合理的切顶高度和充填高度。如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。其中，二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。根据确定出的切顶高度和充填高度在开采现场实施切顶作业和充填作业，可以使垮落矸石碎胀体积与充填体体积之和等于采矿体积，从而实现工作面采空区的自动平衡。

应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

可以理解的是，本说明书中上述方法的各个实施例之间相同/相似的部分可互相参见，每个实施例重点说明的是与其他实施例的不同之处，相关之处参见其他方法实施例的说明即可。

本申请实施例还提供了一种无煤柱自成巷平衡开采装置，如图8所示，该装置包括：

获取模块810，用于当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，获取顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数；

第一确定模块820，用于根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数；

第二确定模块830，用于根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度；

第一作业模块840，用于如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业；

第二作业模块850，用于如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业；二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。

作为一种可选地实施方式，充填高度影响参数包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，切顶高度影响参数包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，第二确定模块，具体用于：

根据充填施工成本等级、充填施工效率等级、矿井充填条件成熟度、切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数；

根据采矿高度、碎胀控制系数和切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度。

作为一种可选地实施方式，该装置还包括：

第三确定模块，用于对顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，确定岩性影响系数。

作为一种可选地实施方式，该装置还包括：

第四确定模块，用于当采矿高度小于或等于采矿高度阈值时，根据采矿高度和碎胀控制系数确定切顶高度。

作为一种可选地实施方式，该装置还包括：

开采模块，用于对工作面进行煤矿开采，预留并维护开采巷道；

支护模块，用于对定向切缝后的开采巷道进行挡矸支护并形成巷帮。

本申请实施例提供了一种无煤柱自成巷平衡开采装置，当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，表示开采现场的采矿高度较高，基于一次切顶的平衡控制难以实现，因此，获取开采现场对应的顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数。然后，根据初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数和预设的拟合系数，确定顶板垮落矸石的碎胀控制系数。根据采矿高度、碎胀控制系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数，确定合理的切顶高度和充填高度。如果切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。如果切顶高度大于一次切顶实施高度阈值，则按照切顶高度对工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照充填高度对采空区进行充填作业。其中，二次切顶作业包括在一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝。根据确定出的切顶高度和充填高度在开采现场实施切顶作业和充填作业，可以使垮落矸石碎胀体积与充填体体积之和等于采矿体积，从而实现工作面采空区的自动平衡。

关于无煤柱自成巷平衡开采装置的具体限定可以参见上文中对于无煤柱自成巷平衡开采方法的限定，在此不再赘述。上述无煤柱自成巷平衡开采装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本申请实施例还提供了一种无煤柱自成巷平衡开采装备，如图2所示，该装备包括：配套使用的无煤柱自成巷采煤机11、无煤柱自成巷刮板运输机13、无煤柱自成巷过渡支架14、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备15、无煤柱自成巷定向切缝装备16、无煤柱自成巷切顶护帮装备17和无煤柱自成巷多功能钻机支架18；该无煤柱自成巷平衡开采装备用于执行上述无煤柱自成巷平衡开采的方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，如图9所示，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述无煤柱自成巷平衡开采的方法步骤。

在一个实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述无煤柱自成巷平衡开采的方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink）DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于展示的数据、分析的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，所述方法包括：

当工作面的采矿高度大于预设的采矿高度阈值时，获取顶板垮落矸石的初始碎胀系数、滞后工作面距离、岩性影响系数、充填高度影响参数和切顶高度影响参数；

根据所述初始碎胀系数、所述滞后工作面距离、所述岩性影响系数和预设的拟合系数，确定所述顶板垮落矸石的碎胀控制系数；

根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数、所述充填高度影响参数和所述切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度；

如果所述切顶高度小于或等于预设的一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业，按照所述充填高度对采空区进行充填作业；

如果所述切顶高度大于所述一次切顶实施高度阈值，则按照所述切顶高度对所述工作面的端部顶板进行一次切顶作业和二次切顶作业，按照所述充填高度对所述采空区进行充填作业；所述二次切顶作业包括在所述一次切顶的顶板切缝上方掘进一条切顶巷道，以及在所述切顶巷道内对顶板进行二次定向切缝；

根据所述初始碎胀系数、所述滞后工作面距离、所述岩性影响系数和预设的拟合系数，确定所述顶板垮落矸石的碎胀控制系数的公式为：

K=γK₀e^-αd

其中，K表示碎胀控制系数，γ表示岩性影响系数，K₀表示初始碎胀系数，α表示拟合系数，d表示滞后工作面距离；

所述充填高度影响参数包括充填施工成本等级、充填施工效率等级和矿井充填条件成熟度，所述切顶高度影响参数包括切顶施工成本等级、切顶施工效率等级和矿井切顶条件成熟度，所述根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数、所述充填高度影响参数和所述切顶高度影响参数，确定切顶高度和充填高度，包括：

根据所述充填施工成本等级、所述充填施工效率等级、所述矿井充填条件成熟度、所述切顶施工成本等级、所述切顶施工效率等级和所述矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数；

根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数和所述切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度；

所述根据所述充填施工成本等级、所述充填施工效率等级、所述矿井充填条件成熟度、所述切顶施工成本等级、所述切顶施工效率等级和所述矿井切顶条件成熟度，确定切充比评价系数的公式为：

P=（p₁+p₂）×M_p

Q=（q₁+q₂）×M_q

δ=P/Q

其中，P表示充填高度影响系数，p₁表示充填施工成本等级，p₂表示充填施工效率等级，M_p表示矿井充填条件成熟度，Q表示切顶高度影响系数，q₁表示切顶施工成本等级，q₂表示切顶施工效率等级，M_q表示矿井切顶条件成熟度，δ表示切充比评价系数；

所述根据所述采矿高度、所述碎胀控制系数和所述切充比评价系数，确定切顶高度和充填高度的公式为：

δ=H_D/(H_C×(K-1))

H=H_D+H_C×(K-1)

其中，δ表示切充比评价系数，H_D表示充填高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数，H表示采矿高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，确定所述岩性影响系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述采矿高度小于或等于所述采矿高度阈值时，根据所述采矿高度和所述碎胀控制系数确定所述切顶高度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述采矿高度和所述碎胀控制系数确定所述切顶高度的公式为：

H=H_C×(K-1)

其中，H表示采矿高度，H_C表示切顶高度，K表示碎胀控制系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充填作业包括矸石充填、水砂充填、膏体充填和高水材料充填。

6.一种无煤柱自成巷平衡开采装备，其特征在于，所述装备包括：配套使用的无煤柱自成巷采煤机、无煤柱自成巷刮板运输机、无煤柱自成巷过渡支架、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备、无煤柱自成巷定向切缝装备、无煤柱自成巷切顶护帮装备和无煤柱自成巷多功能钻机支架；所述装备用于执行如权利要求1至5中任一项所述的无煤柱自成巷平衡开采方法。

Images