CN116579668B - 切顶自成巷留巷效果测评方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤炭开采安全控制技术领域，提供了切顶自成巷留巷效果测评方法及系统，包括：基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。对巷道稳定性进行了综合评价，得到的评价结果更精准。

Description

切顶自成巷留巷效果测评方法及系统
技术领域
本发明涉及煤炭开采安全控制技术领域，具体的说，是涉及切顶自成巷留巷效果测评方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
切顶自成巷技术利用定向切顶卸压技术，切断了采空区顶板应力传递路径，降低了巷道围岩应力集中，同时取消了煤柱留设，回收了煤柱资源，减少巷道掘进，缓解采掘接替紧张。
但是，当前切顶自成巷留巷测评方法主要通过围岩变形和支护构件受力监测，评价手段单一，无法有效覆盖采场全空间；同时，评价内容缺少应力、变形和能量的多角度综合评价方法。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供切顶自成巷留巷效果测评方法及系统，对深井巷道覆岩变形、积聚能量、支护构件受力等进行数据监测采集，建立了工作面—巷道全方位评价方法，对巷道稳定性进行了综合评价，得到的评价结果更精准。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供切顶自成巷留巷效果测评方法，其包括：
获取工作面不同区的切顶自成巷围岩位移、切顶自成巷支护构件受力、煤体受力、切顶自成巷周围岩层破断释放能量、采空区矸石垮落高度和液压支架受力；
基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；
基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；
基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；
基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。
进一步地，所述切顶自成巷围岩位移包括自成巷内巷道顶底板位移、自成巷内巷道两帮位移和顶板离层位移。
进一步地，所述切顶自成巷支护构件受力包括锚杆受力和挡矸受力。
进一步地，所述切顶自成巷周围岩层破断释放能量包括工作面内微震最大能量和微震总能量。
进一步地，对于每个区，基于采空区矸石垮落高度，计算得到碎胀系数；
基于所有区的碎胀系数和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标。
进一步地，对于每个区，基于切顶自成巷围岩位移，采用权重分析法计算巷道围岩总变形量；
对于每个区，基于煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算巷道支护构件支护力；
基于所有区的巷道围岩总变形量和巷道支护构件支护力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标。
进一步地，对于每个区，基于切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算巷道稳定微震能量；
基于所有区的巷道稳定微震能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标。
本发明的第二个方面提供切顶自成巷留巷效果测评系统，其包括：
数据获取模块，其被配置为：获取工作面不同区的切顶自成巷围岩位移、切顶自成巷支护构件受力、煤体受力、切顶自成巷周围岩层破断释放能量、采空区矸石垮落高度和液压支架受力；
第一计算模块，其被配置为：基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；
第二计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；
第三计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；
评价模块，其被配置为：基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了切顶自成巷留巷效果测评方法，其对深井巷道覆岩变形、积聚能量、支护构件受力等进行数据监测采集，建立了工作面—巷道全方位评价方法，对巷道稳定性进行了综合评价，得到的评价结果更精准。
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是本发明实施例一的切顶自成巷留巷效果测评方法的流程图；
图2是本发明实施例一的切顶自成巷留巷效果监测示意图；
图3是本发明实施例一的切顶自成巷碎胀矸石充填效果监测示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例一
本实施例提供了切顶自成巷留巷效果测评方法，实现了切顶自成巷全方位协同在线监测。
本实施例提供的切顶自成巷留巷效果测评方法，对巷道围岩变形、应力和能量、支护构件受力、采空区碎胀充填状态等进行在线监测，建立切顶自成巷留巷效果评价方法，具体包括采空区内评价、自成巷内评价、工作面总体能量评价。
本实施例提供的切顶自成巷留巷效果测评方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：留巷区域划分。在工作面推进过程中，根据留巷距离（或留巷位置），将工作面分为三个区，分别为动压剧烈区、动压调整区和动压稳定区。
其中，动压剧烈区留巷距离最近，其围岩内部动压波动剧烈；动压稳定区留巷距离最远，其围岩内部动压稳定。
步骤2：监测元件安放。在动压剧烈区、动压调整区和动压稳定区各自的工作面内布置相应监测设备（即监测元件），进行在线监测采集。
其中，如图2所示，监测设备布置包括：在采空区内布置液压支架测力计、测量碎胀系数的荧光标记和激光测距仪；在切顶自成巷内布置锚杆测力计或锚索测力计、钻孔测力计和挡矸测力计，并沿巷道中心点，在顶底板和两帮对称布置激光测距仪，顶板布置顶板离层仪；在工作面内布置微震探头。
步骤3、数据监测采集。通过上述监测设备可获取：工作面不同区（区域）的采空区矸石垮落高度，液压支架受力，切顶自成巷围岩位移（自成巷内巷道顶底板位移、自成巷内巷道两帮位移、顶板离层位移），切顶自成巷支护构件受力（锚杆（锚索）受力、挡矸受力）和煤体受力（通过钻孔测力计得到），切顶自成巷周围岩层破断释放能量（工作面内微震最大能量和微震总能量）。
具体的，通过激光测距仪、顶板离层仪等设备对切顶自成巷围岩位移（包括自成巷内巷道顶底板位移、两帮位移、顶板离层位移）进行实时监测；通过锚杆（索）测力计或锚索测力计、钻孔测力计和挡矸测力计设备对切顶自成巷支护构件受力进行实时监测；通过钻孔测力计对巷道煤体受力进行实时监测；通过微震探头等设备对切顶自成巷周围岩层破断释放能量（包括工作面内微震最大能量和微震总能量）进行实时监测；通过激光测距仪与荧光标记对切缝影响垮落区碎胀矸石（即，采空区矸石垮落高度）进行实时监测；通过液压支架测力计对液压支架受力进行实时监测。
步骤4：通过上述监测设备采集的数据进行切顶自成巷留巷效果评价，包括采空区内评价、自成巷内评价和工作面能量评价（微震能量评价）。
其中，采空区内评价（工作面内评价）通过采空区矸石垮落高度与液压支架受力情况（工作面支架压力）进行评价。即，基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标。具体包括如下步骤：
（101）利用荧光标记采空区岩石（切缝影响区顶板岩石），在采场围岩上分三个高度对岩体施加荧光标记，在工作面推进过程中通过激光测距仪测量实现，标记岩石高度（采空区矸石垮落高度）变化情况，假设荧光标记点#1、#2、#3的初始高度为、/>、/>（即图3中的/>、/>、/>），评价高度为/>、/>、/>（即图3中的/>、/>、/>），通过碎胀系数计算公式得到其碎胀系数：
其中，为岩体碎胀系数。
通过上述公式可分别测得巷道动压剧烈区、动压调整区和动压稳定区的碎胀系数、/>、/>。
（102）工作面液压支架通过压力测量仪器（在液压支架上布置测力计）测得液压支架全过程压力变化状态，即，通过液压支架测力计可测得巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的液压支架受力、/>、/>。
（103）通过权重分析法，建立采空区内有效稳定指标，/>是与岩体碎胀系数和液压支架受力相关的函数，其关系式为：
式中，、/>、/>、/>、/>、/>为权重系数，/>，/>。
（104）当时采空区内稳定，/>为采空区临界稳定系数。
其中，自成巷内评价通过位移和压力进行，位移表现为巷道总变形，压力由支护构件反应。即，自成巷内评价通过巷道总变形（即，巷道围岩总变形量或巷道围岩位移）、煤体受力和支护构件受力情况进行评价。即，基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标。具体包括如下步骤：
（201）利用激光测距仪可测得巷道顶底板、两帮位移/>，通过顶板离层仪可测得顶板离层位移/>，并根据权重分析法计算巷道围岩总变形量/>，其中巷道围岩总变形量计算公式为：
式中、/>、/>为权重系数，/>。
具体的，通过在巷道表面布置激光测距仪和离层仪，可以分别得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的巷道顶底板位移量、/>、/>，两帮位移量/>、/>、/>，离层位移量/>、/>、/>，通过上式可计算得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的总变形量/>、/>、/>。
（202）如图3所示，通过在锚杆（锚索）上、挡矸侧和煤体里布置测力计，可以分别得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的锚杆（锚索）受力情况、挡矸（U型钢挡矸）受力情况/>和煤体受力情况/>，并根据权重分析法计算巷道支护构件支护力/>，其中支护力计算公式为：
式中，、/>为权重系数，/>。
具体的，通过在锚杆上、挡矸侧和煤体里布置测力计，可以分别得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的锚杆（锚索）受力情况、/>、/>，挡矸受力情况/>、/>、和煤体受力情况/>、/>和/>，通过上式可计算得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的支护构件支护力/>、/>、/>。
（203）通过权重分析法，建立自成巷内有效稳定指标，/>是与巷道围岩变形和支护构件受力相关的函数：
式中，、/>、/>、/>、/>、/>为权重系数，/>，/>。
（204）当时采空区内稳定，/>为自成巷临界稳定系数。
其中，工作面微震能量（工作面总体能量）通过微震总能量和微震最大能量机械能评价。即，基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标。具体包括如下步骤：
（301）利用工作面内布设的微震探头，可测得微震发生时的最大能量、总能量/>，并根据权重分析法计算巷道稳定微震能量/>：
式中， 、/>为权重系数，/>。
具体的，通过在工作面内各个位置布置微震探头，可以实时采集到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区处微震发生时的最大能量，/>，/>，总能量/>、/>、/>，通过上式可计算得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的巷道稳定微震能量/>、/>、/>。
（302）通过权重分析法，建立工作面内有效稳定指标，/>是与巷道稳定微震能量相关的函数：
其中，、/>和/>均为权重系数，三者总和为1，根据巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区不同区域重要性划分对应权重。
（303）当时采空区内稳定，/>为矿井能量临界稳定系数。
在步骤4中，通过权重分析法，基于采空区内评价、自成巷内评价、微震总体能量评价结果，建立深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值/>进行比较：
其中，、/>和/>均为权重系数，三者总和为1，根据采空区内评价、自成巷内评价、微震总体能量评价不同评价内容重要性划分对应权重。
当时，说明巷道总体稳定；当/>时，说明巷道总体稳定。即，基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。
本实施例提供的切顶自成巷留巷效果测评方法，根据留巷距离将工作面分为矿压剧烈区、矿压调整区、矿压稳定区，在各个区相应位置布设检测元件，对巷道碎胀系数、围岩变形、支护构件受力、工作面微震能量进行数据的监测和采集，建立切顶自成巷留巷效果综合评价系统，利用权重分析法对采空区、自成巷、微震能量进行评价，同时利用权重分析法，基于采空区、自成巷、微震能量评价结果对巷道整体稳定性进行评价。
实施例二
本实施例提供了切顶自成巷留巷效果测评系统，其具体包括：
第一计算模块，其被配置为：基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；
第二计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷围岩位移和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；
第三计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；
评价模块，其被配置为：基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，包括：
获取工作面不同区的切顶自成巷围岩位移、切顶自成巷支护构件受力、煤体受力、切顶自成巷周围岩层破断释放能量、采空区矸石垮落高度和液压支架受力；
基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；
基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；
基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；
基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况；
基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标，具体包括如下步骤：
利用荧光标记采空区岩石，在采场围岩上分三个高度对岩体施加荧光标记，在工作面推进过程中通过激光测距仪测量实现，标记岩石高度变化情况，假设荧光标记点#1、#2、#3的初始高度为、/>、/>，评价高度为/>、/>、/>，通过碎胀系数计算公式得到其碎胀系数：
其中，为岩体碎胀系数；
通过上述公式可分别测得巷道动压剧烈区、动压调整区和动压稳定区的碎胀系数、、/>；
工作面液压支架通过压力测量仪器测得液压支架全过程压力变化状态，即，通过液压支架测力计可测得巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的液压支架受力、/>、/>；
通过权重分析法，建立采空区内有效稳定指标，/>是与岩体碎胀系数和液压支架受力相关的函数，其关系式为：
式中，、/>、/>、/>、/>、/>为权重系数，/>，/>；
当时采空区内稳定，/>为采空区临界稳定系数；
基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标，具体包括如下步骤：
利用激光测距仪可测得巷道顶底板、两帮位移/>，通过顶板离层仪可测得顶板离层位移/>，并根据权重分析法计算巷道围岩总变形量/>，其中巷道围岩总变形量计算公式为：
式中、/>、/>为权重系数，/>；
通过在锚杆上、挡矸侧和煤体里布置测力计，可以分别得到巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区的锚杆受力情况、挡矸受力情况/>和煤体受力情况/>，并根据权重分析法计算巷道支护构件支护力/>，其中支护力计算公式为：
式中，、/>为权重系数，/>；
通过权重分析法，建立自成巷内有效稳定指标，/>是与巷道围岩变形和支护构件受力相关的函数：
式中，、/>、/>、/>、/>、/>为权重系数，/>，/>；
当时采空区内稳定，/>为自成巷临界稳定系数；
基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标，具体包括如下步骤：
利用工作面内布设的微震探头，可测得微震发生时的最大能量、总能量/>，并根据权重分析法计算巷道稳定微震能量/>：
式中， 、/>为权重系数，/>；
通过权重分析法，建立工作面内有效稳定指标，/>是与巷道稳定微震能量相关的函数：
其中，、/>和/>均为权重系数，三者总和为1，根据巷道动压剧烈区、动压调整区、动压稳定区不同区域重要性划分对应权重；
当时采空区内稳定，/>为矿井能量临界稳定系数。
2.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，所述切顶自成巷围岩位移包括自成巷内巷道顶底板位移、自成巷内巷道两帮位移和顶板离层位移。
3.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，所述切顶自成巷支护构件受力包括锚杆受力和挡矸受力。
4.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，所述切顶自成巷周围岩层破断释放能量包括工作面内微震最大能量和微震总能量。
5.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，对于每个区，基于采空区矸石垮落高度，计算得到碎胀系数；
基于所有区的碎胀系数和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标。
6.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，对于每个区，基于切顶自成巷围岩位移，采用权重分析法计算巷道围岩总变形量；
对于每个区，基于煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算巷道支护构件支护力；
基于所有区的巷道围岩总变形量和巷道支护构件支护力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标。
7.如权利要求1所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，对于每个区，基于切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算巷道稳定微震能量；
基于所有区的巷道稳定微震能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标。
8.切顶自成巷留巷效果测评系统，采用如权利要求1-7任一项所述的切顶自成巷留巷效果测评方法，其特征在于，包括：
数据获取模块，其被配置为：获取工作面不同区的切顶自成巷围岩位移、切顶自成巷支护构件受力、煤体受力、切顶自成巷周围岩层破断释放能量、采空区矸石垮落高度和液压支架受力；
第一计算模块，其被配置为：基于所有区的采空区矸石垮落高度和液压支架受力，根据权重分析法计算得到采空区内有效稳定指标；
第二计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷围岩位移、煤体受力和切顶自成巷支护构件受力，采用权重分析法计算得到自成巷内有效稳定指标；
第三计算模块，其被配置为：基于所有区的切顶自成巷周围岩层破断释放能量，根据权重分析法计算得到工作面内有效稳定指标；
评价模块，其被配置为：基于采空区内有效稳定指标、自成巷内有效稳定指标和工作面内有效稳定指标，计算得到深井巷道稳定性综合评价指标，并与标准值进行比较，得到巷道总体稳定情况。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的切顶自成巷留巷效果测评方法中的步骤。
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