切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法与流程

1.本发明涉及切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法，属于煤炭开采技术领域。


背景技术：

2.众所周知，煤炭在我国生产和消费的一次性能源中长期占比50%以上，是我国的主体能源。煤炭普遍形成于地下，目前传统的地下采煤方法主要有短壁和长壁开采方法，其中的长壁开采方法以其生产率高，通风性能好的特点，已在国内外被广泛应用，特别是长壁开采方法中的121工法（即开采1个工作面，掘进2条巷道，留设1个煤柱）广泛用于煤矿开采，但从实际实施中可以发现，其仍存在以下不足：1）巷道掘进量大，无形导致高额生产成本：开采时往往需要开展大量的巷道掘进工程，掘进费用高，同时掘巷过程多为人力施工，耗时耗力。2）资源浪费严重，安全事故频发：留设的煤柱无法回收，煤炭资源浪费严重，同时导致围岩应力集中，安全事故多发。3）对土地资源造成不可逆的破坏：由于煤柱的支撑作用，使得采空区和煤柱上面的上覆岩层断裂垮落的形态不一致，裂隙会不断扩展至地表，因此易产生地表不均匀沉降等损伤环境的问题，造成损伤大量土地资源。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法，其实现了在工作面回采采煤的过程中同步形成巷道，并保障巷道稳定性，不留设煤柱，成本低，工作效率高，安全可靠，适于推广。
4.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法，其特征在于，它包括步骤：1）利用采煤装备进行采煤作业的过程中，在煤层的预定位置同时掘出巷道空间；2）通过随钻探测装置对掘出的巷道进行围岩分区，划分出多个围岩区域；3）根据围岩分区结果，确定各个围岩区域的预应力支护参数和切顶参数；4）根据预应力支护参数，对各个围岩区域的巷道上面的顶板进行高预应力吸能支护，同时根据切顶参数，对顶板的采空区侧进行定向切顶；5）在巷道的采空区侧进行巷帮挡矸支护；6）采用快涂密闭件对巷道的挡矸侧进行封闭，形成预留巷道；7）对预留巷道进行巷道稳定性评价指标的实时监测，从而基于自成巷道稳定性评价系统对预留巷道的稳定性进行实时评价；8）根据稳定性评价结果，对预留巷道进行优化处理。
5.本发明的优点是：与传统121工法相比，本发明可称之为“n00”工法，即开采n个工作面，提前掘进0条巷道，留设0个煤柱，本发明将回采采煤与巷道掘进相同步，实现了在工作面回采采煤的过程中同步形成顺槽巷道，并对巷道采取了稳定性保护措施，开采后不留设煤柱，采煤成本
低、效率高，省时省力，节约了煤炭资源，开采过程安全可靠。
附图说明
6.图1是本发明切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法的实施流程示意图。
7.图2是本发明切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法的实施说明示意图。
8.图3是图2的局部放大示意图。
具体实施方式
9.如图1至图3所示，本发明切顶卸压无煤柱自成巷开采设计与评价方法包括步骤：1）利用采煤装备沿工作面走向长度方向进行采煤作业的过程中，在煤层9的预定位置同时掘出巷道空间；2）通过随钻探测装置对掘出的巷道1按照等效岩体强度进行围岩分区，划分出多个围岩区域；3）根据围岩分区结果，即各个围岩区域的等效岩体强度，确定各个围岩区域的预应力支护参数和切顶参数；4）根据确定的预应力支护参数，对各个围岩区域的巷道1上面的顶板进行高预应力吸能支护，同时根据确定的切顶参数，对巷道1上面顶板的采空区侧进行定向切顶，形成顶板定向切缝（参考图3中标号3示出的顶板定向切缝来理解）；5）在巷道1的采空区侧进行巷帮挡矸支护；6）采用快涂密闭件11对巷道1的挡矸侧进行封闭，形成预留巷道；7）采用相关监测设备，基于大数据远程在线实时监测技术，对预留巷道进行巷道稳定性评价指标的实时监测，从而基于自成巷道稳定性评价系统对预留巷道的稳定性进行实时评价；8）根据稳定性评价结果，对预留巷道进行优化处理。
10.在本发明中，图2示出了工作面走向长度方向和工作面倾向长度方向，开采n个工作面（n为自然数）是指沿工作面走向长度方向连续开采出n个工作面，工作面的横向面积即为开采面积。
11.在实际应用时，针对沿工作面走向长度方向连续的n个工作面，对每一工作面实施本发明煤炭开采方法。另外，在实际应用中，可针对一个工作面的单侧实施本发明煤炭开采方法，也可针对一个工作面的双侧同时实施本发明煤炭开采方法（参考图2来理解）。
12.在采矿工程中，顶板是指位于煤层上方一定距离的岩层。在掘出巷道后，巷道顶部的岩层会往下落，巷道顶部的岩层重量就会压在巷道的两帮上，在这里，将压在巷道两帮上的顶部岩层称之为顶板。请参考图3来理解，例如将压在巷道1上面的直接顶8和基本顶7称为顶板。
13.在本发明中，煤炭采出后形成的空洞称为采空区，如图3所示标号5。图3示意性地在底板20与上覆岩层6之间示出采空区5，以便于理解。
14.在实际开采前，先在工作起始位置开切眼，布置采煤装备和成巷装备，从而启动开采，在利用采煤装备进行采煤作业的同时形成巷道。成巷装备是在形成巷道后进行高预应力吸能支护等步骤时所使用的装备。通常，采煤装备包括无煤柱自成巷采煤机、无煤柱自成
巷刮板输送机和无煤柱自成巷过渡支架，成巷装备包括无煤柱自成巷锚索钻机、无煤柱自成巷定向切缝钻机、无煤柱自成巷切顶护帮支架和无煤柱自成巷多功能钻机支架。
15.在步骤1）中，利用采煤装备在割煤过程中同时掘出的巷道空间的尺寸应根据巷道空间使用率、巷道实体帮弧形角度、巷道围岩岩性、开采高度、煤层厚度、地应力参数来合理设计。
16.在步骤2）中，对巷道进行围岩分区可根据随钻探测装置在钻进过程中的随钻参数与等效岩体强度关系公式来进行准确分区，具体请参见专利号为201810291024.5的发明专利“基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法”。
17.在实际设计中，步骤3）包括步骤：3-1）根据各个围岩区域的等效岩体强度获得顶板的岩性、岩体结构及岩体力学参数，获得围岩外荷载模型；3-2）结合数值模拟确定出预应力支护参数，以及结合岩体碎胀试验和数值模拟确定出切顶参数；其中：岩体力学参数包括单轴抗压强度、粘聚力c和摩擦角φ，当然不受局限；预应力支护参数包括预应力支护件长度lz、预应力支护件直径、预应力支护件间距和预应力支护件排距，当然不受局限；切顶参数包括切顶高度hc和切顶角度αc，当然不受局限。
18.在实际设计时，切顶角度αc可为锐角、钝角或直角等，例如当αc为90度时，顶板定向切缝垂直设置。
19.在本发明中，根据围岩区域的等效岩体强度获得顶板岩性、岩体结构及岩体力学参数来获得围岩外荷载模型为本领域的熟知技术，岩体碎胀试验及相关数值模拟也是本领域的熟知技术，不在这里详述。
20.在步骤4）中：高预应力吸能支护包括步骤：令预应力支护件2按照确定的预应力支护件间排距从巷道1内由下往上贯穿顶板吊接于上覆岩层6，其中，预应力支护件2为锚杆或锚索，当然不受局限；定向切顶基于下面的碎胀控制公式，通过双向聚能张拉成型爆破、瞬时胀裂或水力压裂（不受局限）来实现：上式中，
△vb
为切顶后垮落矸石碎胀体积，k
p
为顶板垮落矸石碎胀系数，hc为切顶高度，s为开采面积。
21.在实际实施时，预应力支护件排距按照岩体强度越低的部位排距越密来设计，属于惯常设计。在实际实施时，双向聚能张拉成型爆破、瞬时胀裂和水力压裂为本领域的熟知切顶方式，不在这里详述。
22.进一步来说，预应力支护件2的长度lz由下式得到：l
z =hc k1m k2m
其中：上式中，hc为切顶高度，m为煤层厚度，k
p
为顶板垮落矸石碎胀系数，k1为松动圈影响系数，k2为顶板岩性影响系数。
23.进一步来说，顶板垮落矸石碎胀系数k
p
通过碎胀控制函数来求得，其中：k0为顶板垮落矸石初始碎胀系数，α为拟合系数，t取设计值，时刻t大于0。通常，t为现场实测值，当然也可基于岩体碎胀试验及数值模拟给出一预估值。
24.另外，在实际实施时，还应视情况决定是否需要对巷道实体帮（相应煤层部分）进行高预应力吸能支护，此高预应力吸能支护的实施与上述对顶板进行高预应力吸能支护原理相同，可参考理解，不在此详述。
25.在步骤5）中，巷帮挡矸支护应根据工作面采高、垮落矸石物理形态和空间堆积、冲击力等来合理设计，如图3，巷帮挡矸支护通过在巷道1的采空区侧设置挡矸支护件4来实现，挡矸支护件4可为加装钢筋网的u型钢、切顶护帮支柱、约束混凝土立柱或混凝土立柱，当然不受局限。
26.在实际实施时，除在巷道1的采空区侧设置挡矸支护件4外，巷道1的实体煤帮侧也可设置挡矸支护件4，从而形成了非对称支护，且采空区侧的挡矸支护件4与实体煤帮侧的挡矸支护件4应遵循如下公式来设置：上式中，r为采空区侧设置的挡矸支护件4的支护强度与实体煤帮侧设置的挡矸支护件4的支护强度的比值，n1为采空区侧顶板下沉量，n2为实体煤帮侧顶板下沉量，k2为顶板岩性影响系数。
27.在步骤6）中，快涂密闭件11可为使用快涂密闭材料形成的挡矸帘、混凝土挡矸墙或柔膜挡墙（不受局限），其中：快涂密闭材料为矿用聚氨酯材料，当然不受局限。
28.在采煤作业和巷道掘进作业继续的过程中，定向切顶后的顶板会陆续发生矸石碎胀垮落，从而如图3所示，采空区5会被碎胀垮落的矸石10充满，达到卸压效果。
29.在步骤7）中，巷道稳定性评价指标包括当前工作面、当前预留巷道和当前采空区这些监测对象的矿压、温度、湿度、气体成分和围岩变形，当然不受局限。
30.在步骤8）中，稳定性评价结果包括稳定、预警和风险三个等级，预留巷道的优化处理包括：若稳定性评价结果为稳定，则巷帮挡矸支护进行回撤处理，以待循环利用；若稳定性评价结果为预警，则继续实时监测巷道稳定性评价指标；若稳定性评价结果为风险，则加强巷帮挡矸支护。
31.在本发明中，采煤装备、成巷装备、随钻探测装置、监测设备、高预应力吸能支护和定向切顶中使用到的设备、结构等均为本领域的已有技术，大数据远程在线实时监测技术为本领域的熟知技术，自成巷道稳定性评价系统为本领域的熟知评价系统，基于自成巷道
稳定性评价系统对预留巷道的稳定性进行实时评价的过程为本领域的熟知技术，在此不再详述。
32.本发明的优点是：1、本发明不用提前掘进巷道，降低了生产成本，省时省力，促进了煤矿向智能化和无人化的发展。
33.2、本发明无需留设煤柱，避免发生煤炭资源的浪费，提高了煤炭回收率，同时因无煤柱设计，极大减轻了地表下沉等对环境造成损伤的灾害，保护了土地资源不受损伤，保证了生态稳定。
34.3、本发明通过对巷道顶板进行高预应力吸能支护和定向切顶处理，使巷道顶板形成了稳定的“短臂梁”结构，大大削弱了巷道围岩应力集中的现象，提高了生产安全性。
35.4、本发明在开采煤炭的过程中结合实时监测得到的巷道稳定性评价指标，基于自成巷道稳定性评价系统可对自成巷道的稳定情况进行实时评价，提高了留巷过程中的巷道稳定性和安全性。
36.以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。