CN115659706B

CN115659706B - 无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法

Info

Publication number: CN115659706B
Application number: CN202211687959.8A
Authority: CN
Inventors: 王亚军; 刘奔; 何满潮; 陈奎奎; 刘辉; 朱淳; 侯世林; 张俊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2042-12-28
Also published as: CN115659706A

Abstract

本发明提供了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，包括：构建顶板切缝高度与采煤高度之间的定量模型，所述定量模型包括切顶系数；对工作面开采过程进行模拟，获取最优切顶系数；所述工作面包括：不同采高、不同切缝高度条件下的工作面；基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度。即使采高变化，任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本发明得到，从而随时根据采高变化调整设计和施工。

Description

无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，尤其涉及无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法。

背景技术

切顶卸压无煤柱自成巷开采是发明人团队提出的采煤新方法，该技术自提出以来，由于其具备安全、绿色、高效、经济的优势，现已在全国百余个矿井推广使用。该方法的核心是顶板定向切缝技术，通过顶板定向切缝技术，扩大采空区垮落岩体高度，使垮落岩体碎胀量等于采矿量，如此可以实现利用垮落碎胀的岩体支撑高位顶板，控制岩层运动和地表沉降。切缝设计中最主要的内容是切缝高度的设计，以往切缝高度设计主要依据下式进行计算：

式中为切缝高度，为煤层开采高度， K为垮落岩体碎胀系数。

对于一个采煤工作面，煤层开采高度是已知的，因此切缝高度的设计最主要取决于垮落岩体的碎胀系数 K。目前，碎胀系数的获取通常是通过在现场巷道内进行测量得到。测量方式为：通过激光测量、标尺、标记点等方法记录一定范围的岩体垮落前的高度为H₁，顶板跨落后在巷道内测得其垮落高度为H₂，H₂与H₁的比值 K认为是碎胀系数。通过现场测量得到碎胀系数 K，将其作为综合碎胀系数计算得到所需要的切缝高度。然而，整个切缝高度范围内的垮落岩体碎胀系数不是均匀的、恒定的，在巷道内进行测量的碎胀岩体范围是有限的，巷道高度以上的碎胀系数无法测得，如图1所示。而实际设计需要的碎胀系数应为整个采空区垮落区域的综合碎胀系数，如图2所示，实际测量所得碎胀系数与设计需要的整体碎胀系数存在偏差。

在薄及中厚煤层条件下，以现场观测碎胀系数进行切缝高度设计可以基本满足现场应用，但厚煤层大采高条件下，垮落高度增大，垮落岩体的整体碎胀系数与巷内能测量的碎胀系数相差甚远，由此得到的切缝高度并不科学。目前无煤柱自成巷工法主要应用在薄及中厚煤层，而随着采高增大，切缝高度同时不断增加，垮落的岩体块度在竖直方向上不均匀变化，引起碎胀系数改变，影响切缝高度设计的准确性。

综上，现有技术存在的问题是：

1.由于在巷道内人员可以测量到的范围有限，当前使用的在巷道内进行测量得到碎胀系数，无法代表整个垮落高度范围内的综合碎胀系数，因此利用该碎胀系数计算顶板切缝高度的方法不准确，尤其对于厚煤层大采高条件下误差更大。

2.随着采高增大，所需要的顶板切缝高度同时增加，在顶板切缝高度范围内，岩层是多种多样的，各种岩层的垮落岩体块度在竖直方向上是不均匀、不恒定的，这也必然引起碎胀系数改变，以往的设计方法和碎胀系数测量方法并没有考虑这一点。

3.根据当前的顶板切缝设计方法，很难获得准确的碎胀系数，因此无法保证顶板切缝高度设计的准确性，需进一步探索更加可靠的设计方法。

因此有必要对切缝高度的设计方法进行研究，提出一种新的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，以解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，即使采高变化，任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本发明得到，从而随时根据采高变化调整设计和施工。

为实现上述目的，本发明提供了无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，包括：

设置切顶系数，构建顶板切缝高度与采煤高度之间的定量模型；

对工作面开采过程进行模拟计算，获取最优切顶系数；所述工作面包括：不同采高、不同切缝高度条件下的工作面；

基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度的计算方法。

可选地，所述定量模型为：

其中，为切缝高度，为煤层开采高度， f为切顶系数。

可选地，所述切顶系数为：

其中， f为切顶系数，为垮落岩体综合碎胀系数。

可选地，对工作面开采过程进行模拟计算包括：

构建所述工作面对应的计算模型，并获取所述计算模型的模拟参数；所述模拟参数包括：模型尺寸、模型支护布置、模型块体划分、模型类型、模型初始条件与边界条件；

采用现场监测数据对所述模拟参数进行校核；

利用校核后的所述模拟参数，基于切缝高度为变量，进行所述计算模型的模拟计算。

可选地，获取所述最优切顶系数包括：

（1）对固定采高、不同切缝高度条件下的工作面进行模拟计算，获取固定采高工作面的模拟结果；

（2）构建切缝效果评价指标模型，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价，获取所述固定采高工作面的最优切缝方案；

（3）基于所述最优切缝方案，获取所述固定采高工作面的所述最优切顶系数；

（4）重复步骤（1）-（3），对不同采高、不同切缝高度条件下的工作面进行模拟计算，获取不同采高工作面的所述最优切顶系数。

可选地，所述切缝效果评价指标模型中的评价指标包括：垮落岩体充填率、巷道顶板位移下沉量、顶板位移减小率、煤帮应力峰值和煤帮应力减小率。

可选地，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价包括：

评价垮落岩体对采空区的填充效果，获取垮落岩体完全充满采空区的切缝高度；

评价围岩位移场和应力场分布状态，获取围岩应力和位移最低的切缝高度。

可选地，获取所述最佳切缝高度包括：

基于所述不同采高工作面的所述最优切顶系数和所述不同采高工作面的采高，构建拟合模型；

其中， f为顶板切缝系数，为煤层开采高度， a和 b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。

基于所述拟合模型和所述定量模型，获取最佳切缝高度计算方法，对所述最佳切缝高度模型进行求解，获得所述最佳切缝高度。

可选地，所述最佳切缝高度计算方法为：

其中，为顶板切缝高度，为煤层开采高度， a和 b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.采用本发明所述的切顶系数取代以往利用碎胀系数进行切缝高度计算的方法，使切缝高度与采高之间的定量计算模型更加简单、直接，克服了因只能测量获得局部碎胀系数而导致整个计算结果不准确的问题。

2.采用本发明所述的顶板切缝设计方法，克服了因岩层岩性变化、开采条件变形等引起岩石碎胀系数无规律改变，从而导致基于碎胀系数进行切缝高度计算不准确的问题。

3.采用传统方法，需要先从现场垮落岩体中测量获得碎胀系数才能得到切缝高度的设计方案，因此得到的设计方案是滞后于现场工程的，无法提前指导工程；而且传统方法获得的设计方案是针对单一条件或个别条件的，在岩层或采高随时变化的过程中，很难及时进行方案调整。本发明提出的方法，能够在某矿井大环境不变的情况下，提前获得各类顶板条件和采高条件下的最优切顶方案，从而可以更加准确的指导工程，做到随地质条件变化而实时动态优化设计。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的实际测量的碎胀系数示意图；

图2为本发明的设计需要的碎胀系数示意图；

图3为本发明实施例的切缝高度不足示意图；

图4为本发明实施例的切缝高度合理示意图；

图5为本发明实施例的过度切顶巷道示意图；

图6为本发明实施例的拟合曲线示意图；

图7为本发明实施例的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提出无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，包括：

进一步地，对工作面开采过程进行模拟计算包括：

采用现场监测数据对所述模拟参数进行校核；

进一步地，获取所述最优切顶系数包括：

进一步地，所述切缝效果评价指标模型中的评价指标包括：垮落岩体充填率、巷道顶板位移下沉量、顶板位移减小率、煤帮应力峰值和煤帮应力减小率。

进一步地，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价包括：

进一步地，获取所述最佳切缝高度包括：

进一步地，所述最佳切缝高度计算方法为：

实施例

本实施例所提出的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法的技术方案为：

1.首先定义切顶系数，建立采高与切缝高度之间的定量联系，确定切缝高度计算公式，定义切顶系数为 f，确定切缝高度计算公式为：

其中，为切缝高度，为煤层开采高度；切顶系数 f与碎胀系数（模拟计算得到的为整个充填范围内的综合碎胀系数）之间存在如下关系：

2.本实施例根据采区现场工程地质条件，利用数值分析方法，确定不同采高下的碎胀系数并形成拟合曲线，结合碎胀系数拟合曲线确定合理的切顶系数。

3.本实施例根据现场工程地质条件数值计算后确定的切顶系数，结合确定的切缝高度优化计算公式，形成无煤柱自成巷顶板切缝参数的优化设计方法。

基于无煤柱自成巷开采顶板切缝的作用机理，无煤柱自成巷开采顶板切缝的设计原则为：使切缝高度范围内的岩体垮落碎胀后，恰好充满采空区，即一定范围内的垮落岩体碎胀体积等于采矿体积，垮落岩体对高位顶板形成有效的支撑，从而控制其运动。

本实施例是以陕西榆林某矿工程地质条件进行说明，得出适宜陕西榆林某矿的顶板切缝高度计算公式，当其他矿井采用本专利内容进行切顶设计时，可根据实际情况，据此方法确定切缝高度。总体思路如下：

如图7所示，本实施例的具体步骤如下：

S1、定义切顶系数 f，建立顶板切缝高度与采煤高度之间的定量关系，确定切缝高度优化计算公式，确定顶板切缝高度计算方程为：

其中，为顶板切缝高度，为煤层开采高度；切顶系数 f与垮落岩体综合碎胀系数的关系符合如下条件。

S2、获得顶板切缝高度 H _G的关键在于确定 f的取值，本申请提出的方法如下：①根据现场工程地质条件，利用模拟计算软件模拟某固定采高、不同切缝高度条件下的工作面开采过程。当工作面尚未开采时，可依据工作面工程概况开展物理模型试验研究，可将试验结果作为模拟计算参数校核的依据，参数校核后才可进行模拟计算分析。② 上述模拟计算运算完成后，通过观察及建立评价指标体系，分析各条件下的垮落岩体对采空区的充填效果，确定判别标准为垮落岩体完全充满采空区、顶板位移变形较小、煤帮应力处于较低应力状态等。当切顶方案达到判别标准时，确定此时的切缝高度H_G与煤层开采高度H_C的比值即为最佳切顶系数。③通过若干组不同采高和切缝高度组合的模拟结果，可进一步做出拟合曲线和拟合公式，根据该拟合曲线和公式，可得到该工程地质条件下任意采高时的最佳顶板切缝高度。④ 在煤层开采过程中，采高变化是很常见的事情，即使采高变化（采煤过程中，不同区域煤层可开采高度可能有所不同），任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本方法得到的拟合曲线和拟合公式获得，从而随时根据采高变化调整设计和施工。

为使本实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合柠条塔矿切缝设计这一实施例对本发明作进一步详细的说明：

S21：根据现场工程地质条件，利用模拟计算软件模拟固定采高、不同切缝高度条件下的工作面开采过程。当工作面尚未开采时，可依据工作面工程概况开展物理模型试验研究，可将试验结果作为模拟计算参数校核的依据，参数校核后才可进行模拟计算分析。

S21-1：模型参数确定。

以陕西榆林某矿N1217工作面工程地质报告为基础，对岩性及物理力学性质相似的岩层参数进行统一简化处理，依据现场煤层赋存实际情况，使用UDEC模拟软件建立计算模型。

S21-2：模型尺寸确定。

考虑切缝影响作用在一定范围内（约40m），同时考虑巷道顶板切缝在工作面两侧具有高度的对称性，因此模型建立为向工作面中部的半无限型，这样做有利于在重点研究区域进行更加细致的块体划分。结合现场地质条件建立及主要研究区域，确定模型的尺寸为长×高=100m×60m，模型顶部埋深180m，主采煤层埋深220m，煤层顶部距模型顶面39.8m，煤层底部距模型底面17.7m。工作面设计开挖长度为64m，根据工作面巷道尺寸设计，巷道宽度为6m，巷道高度2.5m。

S21-3：模型支护布置。

根据现场巷道支护条件，确定模型的支护设计。支护顶板采用恒阻大变形锚索支护，锚索直径为21.8mm，恒阻值35t，长度L 10m，巷内临时支护采用“3架2梁”的支护方式，即在巷道采空区侧间距1m布置两架切顶护帮支架，实体煤侧布置一架切顶护帮支架，与两根π型梁组合使用，巷道距右部边界30m。

S21-4：模型块体划分。

模型的划分主要根据以下原则：主要开挖岩层近处细致划分，在远离开挖层方向上逐渐稀疏划分；主要研究内容所在部位进行细致划分，远离该部位方向上逐渐稀疏划分。在UDEC模拟中，岩体的断裂破坏只发生在块体之间和节理位置，不发生在块体内部，为避免人为划分节理对岩层破坏断裂产生干扰，同时贴合岩体中节理裂隙不规则发育这一实际情况，煤层顶板与巷道围岩均采用voronoi镶嵌来创建随机大小的多边形块体建模，煤层底板采用正四边形块体建模。块体划分完成后，模型体为刚体，需对模型进行网格划分，本模型网格划分均采用edge命令进行，所有块体均为可变形体。

S21-5：选取本构模型。

块体为可变形体须指定本构模型，UDEC建模需要选取块体和接触面两方面的本构模型。在本模型中，块体选取摩尔-库伦本构模型，节理接触面选取库伦滑移本构模型。

S21-6：模型初始条件与边界条件设定。

计算模型的左右边界设置X方向速度为0，模型下边界设置Y向速度为0，在模型顶部施加补偿应力，补偿应力大小根据模型顶部实际埋深计算得出。根据竖向应力大小给模型施加初始应力，然后进行初始平衡计算。

S21-7：模拟计算参数校核。

由于陕西榆林某矿N1217工作面处于开采设计阶段，因此依据工作面工程概况开展物理模型试验研究，可将试验结果作为模拟计算参数校核的依据，参数校核后才可进行模拟计算分析。

S21-8：某采高条件下不同切缝高度下的模拟计算。

为了研究顶板切缝机制，得到不同顶板切缝高度下采空区垮落充填特征和效果，基于上述确定的模拟参数，以切缝高度为变量开展模拟计算，采高固定为2.5m。切顶角度依据设计定为10°，巷道支护按照实际支护方案设计布置，共设计7组方案，分别为不切顶，切缝高度3.5m，4.5m，5.5m，6.5m，7.5m和8.5m，根据现场经验，在2.5m采高条件下，切缝高度3.5m不能满足成巷需求，为减少无用模拟，方案设计最小切缝从3.5m起始。具体模拟计算方案见表1。对方案1~7进行模拟计算，观察2.5m采高条件下不同切缝高度的成巷效果。

表1

S22：上述模拟计算运算完成后，通过模拟结果的观察及评价指标体系的建立，分析各条件下的垮落岩体对采空区的充填效果，确定判别标准为垮落岩体完全充满采空区、顶板位移变形较小、煤帮应力处于较低应力状态等。当切顶方案达到判别标准时，确定此时的切缝高度H_G与煤层开采高度H_C的比值即为最佳切顶系数。

S22-1：不同方案模拟云图导出原则。

顶板不切缝（即切缝高度0m）模拟保留各类巷内支护，为保证与下述顶板切缝模拟只有切缝高度为唯一变量，此处留巷在煤层开挖后不单独进行巷帮充填。模型煤层采用分步开挖，每步挖5m，每次开挖后运行相同步数再进行下一步开挖。为明显得出模型采场顶板垮落断裂情况及巷道顶板下沉情况，选择输出模型体竖向位移云图进行分析。

不同切缝高度条件下的采场顶板垮落堆积效果不同，采空区的充填率存在差异，可通过模拟实现相关效果并进行对比分析。具体方法为，在煤层开挖完成后对每个方案设定相同的运算步数，该运算步数的具体值以方案2~7中切缝范围内岩层完全垮落采空区所需步数为基准。最终得到计算56万步后各切缝方案的竖直位移云图。

S22-2：切顶效果评价体系。

（1）采空区充填情况与巷道围岩变形及应力状态评价。

对将上述模拟结果进行汇总整理，可以进一步对比分析不同方案切缝高度下，采空区充填情况与巷道围岩变形及应力之间的关系，得到不同切缝方案的切缝效果评价指标，主要包含顶板位移下沉量、减小率，煤帮应力峰值、减小率等指标。不同指标进行统计归纳后，对不同切缝方案的切缝效果进行评价，如表2所示，确定顶板位移较小、煤帮应力较低的最优切缝方案。

表2

（2）不同切缝条件下巷道围岩稳定状态评价。

由于在S22-1原则（2）中采用固定计算步数的方法研究了不同切缝高度采空区的充填效果，建立了采空区充填情况与巷道围岩变形及应力状态评价指标，对比分析了切缝顶板发生初始垮落后巷道顶板下沉量及实体煤帮应力集中情况，但未对上位基本顶运动阶段巷道围岩情况进行分析。由于切顶自成巷道除服务本工作面外，还需服务于相邻工作面的开采，因此需要对不同切缝条件下巷道围岩稳定状态进行分析，对比切缝效果，验证合理切缝高度。

故采用solve命令，不限制计算步数，导出上位基本顶进入稳定状态下不同切缝方案自成巷位移云图。在solve命令下，进行充分平衡运算后，不同方案上位基本顶板进入稳定状态后表现不同。因此，对该状态下顶板下沉及煤帮峰值应力等数据进行汇总，建立上位基本顶稳定后切缝效果评价指标，如表3所示（不含无切缝方案），确定顶板位移较小、煤帮应力较低的最优切缝方案，从而确定最优切缝系数。

表3

如图3-图5所示不同切顶方案切顶效果不同，切缝设计合理时，垮落岩体完全充满采空区，取得最佳碎胀充填效果。

S23：上述为2.5m采高条件下研究切缝机制的模拟，为研究采高与切顶系数之间的关系，通过若干组不同采高和切缝高度组合的模拟结果，可进一步做出拟合曲线和拟合公式，根据该拟合曲线和公式，可得到该工程地质条件下任意采高时的最佳顶板切缝高度。

S23-1：不同采高不同切缝高度模拟方案研究。

为保证变量唯一，各方案的模型尺寸、岩石力学参数、边界条件、开挖步骤、巷道尺寸、支护方案及切顶角度均保持一致。为了探究不同采高条件下的最优切缝系数，设计方案见表4。对方案1~5五种采高条件下的不同切缝系数切顶进行模拟，结合切缝效果评价体系，根据成巷效果确定的合理切缝系数见表5。

表4

表5

S23-2：确定拟合曲线及优化切缝高度计算公式。

通过若干组不同采高和切缝高度组合的模拟结果，可确定切顶系数f的取值范围，并利用模拟得到不同采高下的最佳切顶系数值，确定拟合曲线(如图6)及公式，根据该拟合曲线和公式，可得到该工程地质条件下任意采高时的最佳顶板切缝高度。

其中， f为顶板切缝系数，为煤层开采高度， a和 b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。将该公式代入得到。

结合拟合曲线及S1中切顶系数与切缝高度的关系，可提出一种改进的切缝高度计算公式，进一步优化切缝设计方法，公式如下：

其中，为顶板切缝高度，为煤层开采高度；

S24：在煤层开采过程中，采高变化是很常见的事情，即使采高变化（采煤过程中，不同区域煤层可开采高度可能有所不同），任意采高条件下的最佳切缝高度都可以根据本方法得到的拟合曲线和拟合公式获得，从而随时根据采高变化调整设计和施工。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，包括：

基于所述最优切顶系数和所述定量模型，获取最佳切缝高度的计算方法；

获取所述最优切顶系数包括：

2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述定量模型为：其中，为切缝高度，为煤层开采高度，f为切顶系数。

3.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述切顶系数为：其中，f为切顶系数，为垮落岩体综合碎胀系数。

4.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，对工作面开采过程进行模拟计算包括：

采用现场监测数据对所述模拟参数进行校核；

5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述切缝效果评价指标模型中的评价指标包括：垮落岩体充填率、巷道顶板位移下沉量、顶板位移减小率、煤帮应力峰值和煤帮应力减小率。

6.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，对所述固定采高工作面的模拟结果进行评价包括：

7.根据权利要求6所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，获取所述最佳切缝高度包括：

8.根据权利要求7所述的无煤柱自成巷开采顶板切缝设计方法，其特征在于，所述最佳切缝高度计算方法为：其中，为顶板切缝高度，为煤层开采高度，a和b为根据所述拟合模型得到的拟合系数。