刀把式采场顶板空间结构模型及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工作面斜长发生突变的刀把式采场安全开采领域，具体为一种刀把式采场顶板空间结构模型及控制方法。
【背景技术】
[0002]随着采煤方法的多元化和开采环境的复杂化，不规则采场的煤层开采现象增多。以工作面斜长发生突变的刀把式采场的出现成为了一种趋势，我国许多矿区相继出现了此类变长工作面，如河北的开滦煤矿、大同的四台煤矿、潞安的石圪节矿、鸡西的正阳煤矿、宁夏的灵新煤矿、徐州的权台煤矿、济宁的唐口煤矿、平顶山的平煤一矿、新汶的潘西煤矿、淮南的潘谢矿区、淮北的许疃煤矿、六盘水的水城矿区以及内蒙的神东矿区等。
[0003]刀把式采场的普遍存在导致了煤层开采的复杂性和多变性，引起深部采动含瓦斯煤岩体非线性破裂的剧烈程度增强，诱发破断煤岩中瓦斯卸压解吸的不规则性、分散流动的不均衡性以及凝结富集的不规律性，增加了低渗透度强吸附性高瓦斯煤层群的开采难度，对煤与瓦斯共采技术的合理应用提出了更高要求。同时刀把式采场的覆岩空间结构更加多样化，围岩破坏形态较不规则，应力演化过程更加复杂多变，与正规采场相比表现出独特的发展规律和时效特征。而采场覆岩的运动形式多与顶板结构有关，顶板结构受岩层属性、层位关系、节理裂隙、厚度强度等因素制约表现出不同的运动特征，因此掌握采场覆岩的空间结构及顶板破断规律是制定顶板控制决策的关键因素。
[0004]为了全面系统地研究变面长采场覆岩的运移规律与矿压显现特征，探究刀把式采场覆岩空间结构与应力分布的动态演化关系，透析刀把式采场顶板破断的力学机理与岩层垮落的时空效应，必须建立全新的刀把式采场顶板的空间结构模型。
【发明内容】
[0005]本发明突破了原有采煤工作面顶板结构的固有模式，建立了一种变面长条件下煤层安全开采、岩层动态防控、采掘独特新颖的刀把式采场顶板空间结构模型及控制方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:所述的刀把式采场顶板空间结构模型，由小面采场、变面采场、大面采场三个采面组成，经历缓压静采区、异压变采区、增压动采区三个发展阶段，对应的覆岩结构依次由缓压型结构、突变型结构、增压型结构传递转变；所述的小面采场面长较短且走向布置长度偏小，工作面正常推进过程中顶板来压缓和，矿压显现平和，煤层开采相对“安静”，处于缓压静采区阶段，对应覆岩结构为缓压型结构，顶板破断形态较为规则，采动影响颇为规律；所述的变面采场受斜长由小变大的面长变化影响，在衔接面接替的狭小区段内顶板来压异常，静压转化为动压，覆岩活动频繁，矿压显现剧烈，煤层开采进入“变采期”，处于异压变采区阶段，对应覆岩结构为突变型结构，顶板集中破断现象明显，铰接破断急促，时间短空间大范围广，来压异常猛烈，有冲击倾向性，呈现出三维空间的瞬时破坏特点；所述的大面采场为大采高长距离工作面，当工作面跨越小面进入大面以后，由于受到过渡区岩层结构的调整限制和能量释放的冲击作用，采动影响依然强烈，动压数倍于静压，顶板来压动态发展，覆岩持续密集活动，矿压显现短时间内有增无减，煤层开采进入增压动采区阶段，对应覆岩结构为增压型结构，覆岩延展趋势明显，顶板结构呈现分区迀移的阶段式动态破坏特征。
[0007]所述的刀把式采场顶板空间结构模型的控制方法，包括时间模式和空间模式两大基本模式，两大模式分别对小面采场、变面采场和大面采场进行具体的有针对性的顶板控制；每个模式包含三种主要措施，时间模式包含小面采场的前期预防、变面采场的中期控制和大面采场的后期维护三种措施，空间模式包含小面采场、变面采场、大面采场三个采面的分区预防、分段控制和全程监控三种措施；每种措施下又分别对应具体采用的关键技术，以刀把式采场顶板控制的时间模式分析，小面采场的前期预防阶段顶板管理以预防为主，工作面实行快速开采技术，逐步移架式向前推进；变面采场的中期控制阶段顶板管理以控制为主，工作面采用缓速开采技术，巷道断面进行及时调架补掘，稳步平移式向前推进；大面采场的后期维护阶段顶板管理以维护为主，工作面采用匀速开采技术，支架进行整体补架转接，动态扩展式向前推进；以刀把式采场顶板控制的空间模式分析，工作面由小面采场至变面采场再到大面采场整个推进期间都需采用全程监管督采，防患于未然，全程规避隐患；各采面实行分区渐进调采，具体区域具体对待，不同区段采取灵活机动的开采方法，转变回采思路，调整采掘技术；工作面对接区需做好过渡性接续工作，实行分段顺接跟采，细化顶板防控措施，强化围岩控制效果；刀把式采场顶板控制的基本模式、主要措施和关键技术环环相扣，密切配合，协同作用，从而建立起刀把式采场“预防-控制-维护-监控”多重机制的顶板时空防控体系。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:刀把式采场顶板空间结构模型的建立揭示了变面长采场覆岩结构具有不同于正规采场的独特空间赋存特征，提出了突变型采场岩层运移遵循的结构模式和活动原则，得到了刀把式采场顶板瞬时突变、分段延伸和分区迀移的时空演化规律和动态响应机制，为刀把式米场的顶板管理、灾害防控和安全高效开米提供了重要保证。
【附图说明】
[0009]图1为本发明刀把式采场顶板空间结构模型的平面示意图。
[0010]图2为本发明刀把式采场顶板空间结构模型的控制方法示意图。
[0011]图中，小面采场1、变面采场2、大面采场3、缓压静采区4、异压变采区5、增压动采区6、缓压型结构7、突变型结构8和增压型结构9。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图对本发明的实施过程作进一步详述:
如图1所示，本发明由由小面采场1、变面采场2、大面采场3三个采面组成，经历缓压静采区4、异压变采区5、增压动采区6三个发展阶段，对应的覆岩结构依次由缓压型结构7、突变型结构8、增压型结构9传递转变。
[0013]小面采场I面长较短且走向布置长度偏小，工作面正常推进过程中顶板来压缓和，矿压显现平和，煤层开采相对“安静”，处于缓压静采区4阶段，对应覆岩结构为缓压型结构7，顶板破断形态较为规则，采动影响颇为规律。
[0014]变面采场2受斜长由小变大的面长变化影响，在衔接面接替的狭小区段内顶板来压异常，静压转化为动压，覆岩活动频繁，矿压显现剧烈，煤层开采进入“变