JP6821219B2 - 目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法 - Google Patents
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Description
本発明は鉱山圧力の分野であり、目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法に関する。
目下、わが国の地下浅部における石炭資源が日増しに使い尽くす状態になくなるため、地下深部への採掘に打ち込む鉱業地が次々と現れてきている。地下浅部への採掘とは異なり、深部坑道での壁岩が複雑な応力環境に置かれ、山跳ねが起こりやすいため、炭鉱に関する正常な且つ安全な生産がひどく制限されている。穿孔圧力放出とは穿孔を壁岩に設け、穿孔の変形により応力の放出と転移を実現することであり、壁岩の変形の減少、坑道安定性の保持及び山跳ねへの制御に著しい効果を有する。しかし、従来の圧力放出穿孔の間隔の確定は経験により行われる場合が多く、間隔が大きすぎると圧力放出の効果が不十分であり、間隔が小さすぎると圧力放出穿孔の作業量が増加し、生産率が低下する。
先行技術では、圧力放出穿孔間の行間隔に関する設計方法（特許文献１）が提案されている。当該設計方法は理論的計算をもととして簡単に設計されたものであるものの、多くのパラメータが含まれ且つこれらのパラメータの殆どが現場の実際条件を考慮に入れず経験のみにより定められるものであるため、現場工事を有効に導くことができない。また、深部高応力坑道に関する圧力放出穿孔パラメータの数値模擬確定法（特許文献２）も提案されている。当該方法は室内での積み降ろし実験を行うという方法により坑道壁岩の強度が衰える規律を検討し、数値模擬により数値計算のパラメータを得るものの、設計が複雑であり且つ数値模擬法自体は大きな制約性があるため、現場の真実状況を反映することができない。
本発明は、目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法を提供することを目的とし、穿孔圧力放出の効果を十分に発揮し、坑道壁岩の安定性を向上させるという有利な効果を得らえる。
本発明で採用される技術手段は以下の工程通り行われる。
工程１：石炭層の原位置応力ｐ0と超前支え圧の曲線及びピーク値σｍを測定する；
工程２：作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う；
工程３：穿孔される所の支え圧の目標支え圧に対する大きさ及び穿孔間の破壊情況に基づいて最高の圧力放出穿孔の間隔ＬＢを定める。
工程１：石炭層の原位置応力ｐ0と超前支え圧の曲線及びピーク値σｍを測定する；
工程２：作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う；
工程３：穿孔される所の支え圧の目標支え圧に対する大きさ及び穿孔間の破壊情況に基づいて最高の圧力放出穿孔の間隔ＬＢを定める。
さらに、工程２における作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う方法は以下のとおりである。
工程２．１：穿孔の塑性領域の半径Ｒを確定すること
線型のモール―クーロン強度基準に基づいて、静水圧ｐ0の作用の下で穿孔の塑性領域の半径Ｒは以下のように示される。
工程２．１：穿孔の塑性領域の半径Ｒを確定すること
線型のモール―クーロン強度基準に基づいて、静水圧ｐ0の作用の下で穿孔の塑性領域の半径Ｒは以下のように示される。
式中、ｒは圧力放出穿孔の半径であり、その単位は「ｍ」である；モル強度線の勾配であるεは以下のように示される。
式中、ψは内摩擦角であり、その単位は「°」である；
σｃは単軸圧縮強度であり、その単位はＭＰａであり、室内試験で測定されてもよい。
σｃは単軸圧縮強度であり、その単位はＭＰａであり、室内試験で測定されてもよい。
工程２．２：作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行うこと
作業面における超前支え圧の影響以外に、坑道軸線と直角をなして採掘される石炭層に圧力放出穿孔をｎ個設け、圧力放出穿孔の番号を順にＤ１〜Ｄｎとする；穿孔Ｄ１とＤ２との距離はＬ１（Ｌ１＝２Ｒ）であり、穿孔Ｄ２後の間隔はそれぞれ少しずつ０．１ｍ増加する。
作業面における超前支え圧の影響以外に、坑道軸線と直角をなして採掘される石炭層に圧力放出穿孔をｎ個設け、圧力放出穿孔の番号を順にＤ１〜Ｄｎとする；穿孔Ｄ１とＤ２との距離はＬ１（Ｌ１＝２Ｒ）であり、穿孔Ｄ２後の間隔はそれぞれ少しずつ０．１ｍ増加する。
さらに、工程３における最高の圧力放出穿孔の間隔ＬＢを定める方法は以下のとおりである。
工程３．１：目標支え圧σ１を確定すること
現場の実際地質状況に基づいて、圧力放出の目標を確定し、目標支え圧σ１は下式を満たしている。
工程３．１：目標支え圧σ１を確定すること
現場の実際地質状況に基づいて、圧力放出の目標を確定し、目標支え圧σ１は下式を満たしている。
工程３．２：目標支え圧σ１を監視すること
圧力放出穿孔を設けるとともに、圧力放出穿孔の中で穿孔応力計を入れ、作業面が前へ進むに従って、穿孔応力が目標支え圧σ１に達するまで穿孔応力計における示度の変化をリアルタイムで監視する。
圧力放出穿孔を設けるとともに、圧力放出穿孔の中で穿孔応力計を入れ、作業面が前へ進むに従って、穿孔応力が目標支え圧σ１に達するまで穿孔応力計における示度の変化をリアルタイムで監視する。
工程３．３：穿孔間の塑性領域を探測すること
或る穿孔の応力が目標支え圧σ１に達する場合、物理探査法により当該穿孔とその前の穿孔との間の岩層の破壊状況を探測する。
或る穿孔の応力が目標支え圧σ１に達する場合、物理探査法により当該穿孔とその前の穿孔との間の岩層の破壊状況を探測する。
工程３．４：目標支え圧の位置に置かれる穿孔間の岩層の破壊状況に基づいて圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢを確定すること
得られる穿孔間の岩層が完全に壊され、塑性状態になる場合、得られる穿孔間で一部の完全な岩層が存在するようになるまで作業面が進むに従って継続して工程３．３を行う。完全に壊されなかった場合、圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢ（つまり当該穿孔Ｄｍとその後の穿孔Ｄｍ−１との間隔）を得ることができる。
得られる穿孔間の岩層が完全に壊され、塑性状態になる場合、得られる穿孔間で一部の完全な岩層が存在するようになるまで作業面が進むに従って継続して工程３．３を行う。完全に壊されなかった場合、圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢ（つまり当該穿孔Ｄｍとその後の穿孔Ｄｍ−１との間隔）を得ることができる。
以下、具体的な実施形態により本発明を詳しく説明する。
本発明に係る工事環境の一つは図１のように示され、上方の採掘中の作業面１（図中では矢印の示す方向は作業面が進む方向である）、中部で設けられる繰り返し坑道４及び底部領域の採掘待ちの作業面５を含む。繰り返し坑道４の上方は超前支え圧の曲線３である。本発明に係る圧力放出穿孔の間隔を確定する方法は図２〜図４のように示され、実施する工程は以下のとおりである。
本発明に係る工事環境の一つは図１のように示され、上方の採掘中の作業面１（図中では矢印の示す方向は作業面が進む方向である）、中部で設けられる繰り返し坑道４及び底部領域の採掘待ちの作業面５を含む。繰り返し坑道４の上方は超前支え圧の曲線３である。本発明に係る圧力放出穿孔の間隔を確定する方法は図２〜図４のように示され、実施する工程は以下のとおりである。
工程１：穿孔応力計により石炭層原位置応力ｐ0と超前支え圧の曲線及びピーク値σｍを測定する；
工程２：作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う；
工程２．１：穿孔の塑性領域の半径Ｒを確定すること
線型のモール―クーロン強度基準に基づいて、静水圧ｐ0の作用の下で穿孔の塑性領域の半径Ｒは以下のように示される。
工程２：作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う；
工程２．１：穿孔の塑性領域の半径Ｒを確定すること
線型のモール―クーロン強度基準に基づいて、静水圧ｐ0の作用の下で穿孔の塑性領域の半径Ｒは以下のように示される。
式中、ｒは圧力放出穿孔の半径であり、その単位は「ｍ」である；モル強度線の勾配であるεは以下のように示される。
式中、ψは内摩擦角であり、その単位は「°」である；σｃは単軸圧縮強度であり、その単位はＭＰａであり、室内試験で測定されてもよい。
工程２．２：作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行うこと
作業面における超前支え圧の影響以外に、坑道軸線と直角をなして採掘される石炭層に圧力放出穿孔をｎ個設け、圧力放出穿孔の番号を順にＤ１〜Ｄｎとする；穿孔Ｄ１とＤ２との距離はＬ１（Ｌ１＝２Ｒ）であり、穿孔Ｄ２後の間隔はそれぞれ少しずつ０．１ｍ増加する。
作業面における超前支え圧の影響以外に、坑道軸線と直角をなして採掘される石炭層に圧力放出穿孔をｎ個設け、圧力放出穿孔の番号を順にＤ１〜Ｄｎとする；穿孔Ｄ１とＤ２との距離はＬ１（Ｌ１＝２Ｒ）であり、穿孔Ｄ２後の間隔はそれぞれ少しずつ０．１ｍ増加する。
工程３：穿孔される所の支え圧の目標支え圧に対する大きさ及び穿孔間の破壊情況に基づいて最高の圧力放出穿孔の間隔ＬＢを定める。
工程３．１：目標支え圧σ１を確定すること
現場の実際地質状況に基づいて、圧力放出の目標を確定し、目標支え圧σ１は下式を満たしている。
工程３．１：目標支え圧σ１を確定すること
現場の実際地質状況に基づいて、圧力放出の目標を確定し、目標支え圧σ１は下式を満たしている。
工程３．２：目標支え圧σ１を監視すること
圧力放出穿孔を設けるとともに、圧力放出穿孔の中で穿孔応力計を入れ、作業面が前へ進むに従って、穿孔応力が目標支え圧σ１に達するまで穿孔応力計における示度の変化をリアルタイムで監視する。
圧力放出穿孔を設けるとともに、圧力放出穿孔の中で穿孔応力計を入れ、作業面が前へ進むに従って、穿孔応力が目標支え圧σ１に達するまで穿孔応力計における示度の変化をリアルタイムで監視する。
工程３．３：穿孔間の塑性領域を探測すること
或る穿孔の応力が目標支え圧σ１に達する場合、物理探査法により当該穿孔とその前の穿孔との間の岩層の破壊状況を探測する。
或る穿孔の応力が目標支え圧σ１に達する場合、物理探査法により当該穿孔とその前の穿孔との間の岩層の破壊状況を探測する。
工程３．４：目標支え圧の位置に置かれる穿孔間の岩層の破壊状況に基づいて圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢを確定すること
得られる穿孔間の岩層が完全に壊され、塑性状況に入る場合、得られる穿孔間で一部の完全な岩層が存在するようになるまで作業面が進むに従って継続して工程３．３を行う。完全に壊されなかった場合、圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢ（つまり当該Ｄｍとその後の穿孔Ｄｍ−１（最後に完全に壊される穿孔の間隔）との間隔）を得ることができる。
得られる穿孔間の岩層が完全に壊され、塑性状況に入る場合、得られる穿孔間で一部の完全な岩層が存在するようになるまで作業面が進むに従って継続して工程３．３を行う。完全に壊されなかった場合、圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢ（つまり当該Ｄｍとその後の穿孔Ｄｍ−１（最後に完全に壊される穿孔の間隔）との間隔）を得ることができる。
また、本発明に係る方法は以下のようなメリットを有する。
１、当該方法は現場の実需により圧力放出目標を確定し、それぞれの現場条件により目標支え圧を調整することができる。穿孔圧力放出の程度を数量化し、作業効率を向上させ、圧力放出を精確に実現する。
２、当該方法は少ないパラメータに関連し、取り扱いが簡単であり、実行可能性が高く、現場の圧力放出穿孔を導くことができ、過大又は過小な圧力放出穿孔の間隔による一連の問題を回避し、コストの制御をもととして圧力放出の効果の向上を最大限にする。
１、当該方法は現場の実需により圧力放出目標を確定し、それぞれの現場条件により目標支え圧を調整することができる。穿孔圧力放出の程度を数量化し、作業効率を向上させ、圧力放出を精確に実現する。
２、当該方法は少ないパラメータに関連し、取り扱いが簡単であり、実行可能性が高く、現場の圧力放出穿孔を導くことができ、過大又は過小な圧力放出穿孔の間隔による一連の問題を回避し、コストの制御をもととして圧力放出の効果の向上を最大限にする。
上述したことは本発明に係る比較的よい実施方式のみであり、これらに限定されていない。本発明の技術構想により上記実施方式を修正したり同等に変えたりすることはいずれも本発明の範囲内のものである。
１ 採掘中の作業面
２ 作業面が進む方向
３ 超前支え圧の曲線
４ 繰り返し採掘の坑道
５ 採掘待ちの作業面
２ 作業面が進む方向
３ 超前支え圧の曲線
４ 繰り返し採掘の坑道
５ 採掘待ちの作業面
Claims (3)
- 石炭層の採掘開始位置応力ｐ０と採掘の作業面の前の石炭層の垂直応力の増加分である超前支え圧の曲線及びピーク値σｍを測定するという工程１と、
作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行うという工程２と、
穿孔応力を逐次測定し、或る穿孔（Ｄｍ）における穿孔応力が「目標支え圧」に達したことが検知され、かつ当該穿孔（Ｄｍ）とその一つ前の穿孔（Ｄｍ−１）の間の岩層が完全には破壊されていないことが検知された場合に、これらの穿孔（Ｄｍ、Ｄｍ−１）間の距離を、圧力放出穿孔の最高間隔ＬＢに定めるという工程３と、からなる
ことを特徴とする目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法。 - 工程２における作業面の採掘方向に沿って作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行う方法は以下のとおりである：
工程２．１：穿孔の塑性領域の半径Ｒを確定すること：
線型のモール―クーロン強度基準に基づいて、静水圧ｐ0の作用の下で穿孔の塑性領域の半径Ｒは以下のように示される；
σｃは単軸圧縮強度であり、その単位はＭＰａであり、室内試験で測定されてもよい；
工程２．２：作業間隔が少しずつ増えるように圧力放出穿孔を行うこと：
作業面における超前支え圧の影響以外に、坑道軸線と直角をなして採掘される石炭層に圧力放出穿孔をｎ個設け、圧力放出穿孔の番号を順にＤ１〜Ｄｎとする；穿孔Ｄ１とＤ２との距離はＬ１（Ｌ１＝２Ｒ）であり、穿孔Ｄ２後の間隔はそれぞれ少しずつ０．１ｍ増加する
請求項１に記載の目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法。 - 工程３における最高の圧力放出穿孔の間隔ＬＢを定める方法は以下のとおりである：
工程３．１：目標支え圧σ１を確定すること：
現場の実際地質状況に基づいて、圧力放出の目標を確定し、目標支え圧σ１は下式を満たしている；
圧力放出穿孔を設けるとともに、圧力放出穿孔の中で穿孔応力計を入れ、作業面が前へ進むに従って、穿孔応力が目標支え圧σ１に達するまで穿孔応力計における示度の変化をリアルタイムで監視する；
工程３．３：穿孔間の塑性領域を探測すること：
或る穿孔の応力が目標支え圧σ１に達する場合、物理探査法により当該穿孔とその前の穿孔との間の岩層の破壊状況を探測する；
工程３．４：目標支え圧の位置に置かれる穿孔間の岩層の破壊状況に基づいて圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢを確定すること：
得られる穿孔間の岩層が完全に壊され、塑性状態になる場合、得られる穿孔間で一部の完全な岩層が存在するようになるまで作業面が進むに従って継続して工程３．３を行う。完全に壊されなかった場合、圧力放出穿孔の最高の間隔ＬＢ（つまり当該穿孔Ｄｍとその後の穿孔Ｄｍ−１との間隔）を得ることができる
請求項１に記載の目標支え圧に基づく圧力放出穿孔の間隔の確定方法。
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