本发明涉及煤矿开采矿压预测预控方法，具体为坚硬顶板特厚煤层开采强矿压预测预控方法。
背景技术：
煤层地下开采后，势必会引发上覆岩层的破断失稳运动，从而一定程度造成工作面的矿压显现。对于薄及中厚煤层开采，因工作面开采厚度不大，采出空间小，覆岩运移垮落失稳范围较小，工作面矿压显现程度不强。而我国特厚煤层储量丰富，是我国井下矿井高产高效的主体煤层，目前对于特厚煤层的开采大多均采用大采高一次采全厚开采，这就造成特厚煤层开采后，采出空间大，覆岩运移范围广，上覆岩层破断、失稳、应力分布复杂，尤其在覆岩为坚硬顶板条件下，因坚硬顶板的破断步距大，破断规律更为复杂，从而加剧了坚硬顶板特厚煤层开采条件下工作面的矿压显现程度，对采场强矿压和岩层控制带来了一定的挑战。同时，因地下多煤层赋存现象比较普遍，当上煤层开采后在采空区赋存有遗留煤柱时，因遗留煤柱处产生应力集中现象，也会加剧下赋煤层开采工作面的矿压显现程度。由此导致的工作面支架压死、巷道破坏等矿压显现强烈，尤其当工作面上赋有采空区遗留煤柱时，工作面矿压显现极为剧烈，严重影响工作面的安全生产。
工作面的强矿压显现机理及特征与冲击地压有着本质区别，其核心是开采扰动、岩层破断失稳所致。由于目前缺乏矿压预测的方法，因此井下坚硬顶板特厚煤层开采时工作面和巷道的支护具有一定的盲目性。若采用低等级的支护，则会导致井下开采安全系数降低；若一律采用高等级的安全支护，则会导致生产成本大幅提高，且影响生产进度。
由此可见，研究一种能够在坚硬顶板特厚煤层开采强矿压显现之前进行预测，从而指导生产时工作面控制措施随着生产进度做出相应调整，合理安排支护等级，保证工作面安全高效生产的坚硬顶板特厚煤层开采强矿压预测预控方法是十分有必要的。
技术实现要素：
本发明解决目前缺乏坚硬顶板特厚煤层开采强矿压预测预控方法的问题，提供一种坚硬顶板特厚煤层开采强矿压预测预控方法。
本发明是通过以下操作步骤实现的：坚硬顶板特厚煤层开采矿压预测预控方法，包括以下操作步骤：
一、运用FLAC模拟软件建立数值模拟模型，并基于模型计算结果拟合得到工作面处围岩应力σ分别与工作面长度L、工作面煤层采厚M、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H、上覆遗留煤柱宽度Lp、上覆遗留煤柱距工作面距离Hp的函数关系式f(L)、f(M)、f(D)、f(H)、f(Lp)、f(Hp)；
二、基于步骤一所得的工作面处围岩应力σ的函数关系式σ=f (L)、σ=f (M)、σ=f (D)、σ=f (H)、σ=f (Lp)、σ=f (Hp)，运用SPSS模拟软件建立工作面处围岩应力σ与L、M、D、H、Lp、Hp相关的回归模型:σ=a*f (L)+b*f (M)+c*f (D)+e* f (H)+g*f (Lp)+h*f (Hp)+k，式中a、b、c、e、g、h、k均为常数；
三、利用SPSS模拟软件，将步骤一中的数值模拟模型的计算结果代入步骤二的回归模型中进行计算，得到a、b、c、e、g、h、k的值，从而确定工作面处围岩应力σ与L、M、D、H、Lp、Hp的回归模型表达式；
四、任取一个坚硬顶板特厚煤层开采工作面，确定工作面长度L、工作面煤层采厚M、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H、上覆遗留煤柱宽度Lp、上覆遗留煤柱距工作面距离Hp，代入回归模型中计算得到工作面处围岩应力σ；若工作面上覆不存在遗留煤柱，则回归模型中g、h取值为0；
五、将计算得到的工作面处围岩应力σ与工作面处原始应力σ0进行对比，当σ=（1~1.5）σ0，则矿压显现等级为一般，当σ=（1.5~2.0）σ0，则矿压显现等级为较强烈，当σ=（2.0~3.0）σ0，则矿压显现等级为强烈，当σ≥3.0 σ0，则矿压显现等级为极强烈；
六、预测矿压显现等级为一般时，在巷道范围内通过采用液压单体支柱支护、锚杆锚索支护等常规方法对围岩进行支护，预测矿压显现等级为较强烈时，在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护，预测矿压显现等级为强烈时，通过井下采用水力压裂的方法对煤层上覆低位坚硬岩层进行压裂弱化，同时在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护，预测矿压显现等级为极强烈时，通过在井下采用水力压裂的方法对煤层上覆低位坚硬岩层进行压裂弱化，同时在井上地面采用地面水力压裂对高位坚硬岩层进行压裂弱化，并在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护；当覆岩中因赋存遗留煤柱而造成工作面矿压显现强烈或极强烈时，同时采用水压致裂的方式对遗留煤柱上下坚硬岩层进行压裂。
在运用FLAC模拟软件计算分析并拟合得到工作面处围岩应力σ分别与工作面长度L、工作面煤层采厚M、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H、上覆遗留煤柱宽度Lp、上覆遗留煤柱距工作面距离Hp的函数关系式f(L)、f(M)、f(D)、f(H)、f(Lp)、f(Hp)时，分别设定L、M、D、H、Lp、Hp为变量，其余参数为常量，且每次设定一个变量，变量的取值个数不少于4个。
本发明具有以下优点：1、涵盖了坚硬顶板特厚煤层开采条件下影响工作面强矿压显现的主要因素，保证了预测模型的全面性；2、首先基于数值模型计算数据拟合得到各影响因素与工作面围岩应力的函数关系式，而后基于函数关系式建立回归模型，可有效的提高回归模型的回归系数，保证预测模型的准确性；3、所建立的数值模拟模型可根据待预测工作面的地质条件的变化而变化，保证了预测模型的灵活性和实用性；4、根据强矿压显现等级预测结果，预先采用巷道围岩加强支护、上覆坚硬岩层弱化等预控强矿压发生的措施，有利于保证工作面的安全高效开采，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明操作流程示意图。
具体实施方式
坚硬顶板特厚煤层开采矿压预测预控方法，包括以下操作步骤：
一、1）、运用FLAC模拟软件建立四个数值模拟模型，取工作面长度L分别为L1、L2、L3、L4，固定工作面采厚为M3、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度为D3、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离为H3、上覆遗留煤柱宽度为Lp3、上覆遗留煤柱距工作面距离为Hp3，模拟计算得到不同工作面长度时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与工作面长度L的关系式：σ=f (L)；
2）、运用FLAC模拟软件建立4个数值模拟模型，取工作面煤层采厚M分别为M1、M2、M3、M4，固定工作面长度为L3、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度为D3、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离为H3、上覆遗留煤柱宽度为Lp3、上覆遗留煤柱距工作面距离为Hp3，模拟计算得到不同工作面煤层采厚时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与工作面煤层采厚M的关系式：σ=f (M)；
3）、运用FLAC模拟软件建立4个数值模拟模型，取工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D分别为D1、D2、D3、D4，固定工作面长度为L3、工作面采厚为M3、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离为H3、上覆遗留煤柱宽度为Lp3、上覆遗留煤柱距工作面距离为Hp3，模拟计算得到不同工作面上覆最厚坚硬岩层厚度时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D的关系式：σ=f (D)；
4）、运用FLAC模拟软件建立4个数值模拟模型，取工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H分别为H1、H2、H3、H4，固定工作面长度为L3、工作面采厚为M3、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度为D3、上覆遗留煤柱宽度为Lp3、上覆遗留煤柱距工作面距离为Hp3，模拟计算得到不同工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H的关系式：σ=f (H)；
5）、运用FLAC模拟软件建立4个数值模拟模型，取上覆遗留煤柱宽度Lp分别为Lp1、Lp2、Lp3、Lp4，固定工作面长度为L3、工作面采厚为M3、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度为D3、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离为H3、上覆遗留煤柱距工作面距离为Hp3，模拟计算得到不同上覆遗留煤柱宽度时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与上覆遗留煤柱宽度Lp的关系式：σ=f (Lp)；
6）、运用FLAC模拟软件建立4个数值模拟模型，取上覆遗留煤柱距工作面距离Hp分别为Hp1、Hp2、Hp3、Hp4，固定工作面长度为L3、工作面采厚为M3、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度为D3、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离为H3、上覆遗留煤柱宽度为Lp3，模拟计算得到不同上覆遗留煤柱距工作面距离时工作面处围岩应力σ，基于模拟数据拟合得到工作面处围岩应力σ与上覆遗留煤柱距工作面距离Hp的关系式：σ=f (Hp)；
二、基于步骤一所得的工作面处围岩应力σ的函数关系式σ=f (L)、σ=f (M)、σ=f (D)、σ=f (H)、σ=f (Lp)、σ=f (Hp)，运用SPSS模拟软件建立工作面处围岩应力σ与L、M、D、H、Lp、Hp相关的回归模型:σ=a*f (L)+b*f (M)+c*f (D)+e* f (H)+g*f (Lp)+h*f (Hp)+k，式中a、b、c、e、g、h、k均为常数；
三、利用SPSS模拟软件，将步骤一中的24个数值模拟模型的计算结果代入步骤二的回归模型中进行计算，得到a、b、c、e、g、h、k的值，从而确定工作面处围岩应力σ与L、M、D、H、Lp、Hp的回归模型表达式；
四、任取一个坚硬顶板特厚煤层开采工作面，确定工作面长度L、工作面煤层采厚M、工作面上覆最厚坚硬岩层厚度D、工作面上覆最厚坚硬岩层距工作面距离H、上覆遗留煤柱宽度Lp、上覆遗留煤柱距工作面距离Hp，代入回归模型中计算得到工作面处围岩应力σ；若工作面上覆不存在遗留煤柱，则回归模型中g、h取值为0；
五、将计算得到的工作面处围岩应力σ与工作面处原始应力σ0进行对比，当σ=（1~1.5）σ0，则矿压显现等级为一般，当σ=（1.5~2.0）σ0，则矿压显现等级为较强烈，当σ=（2.0~3.0）σ0，则矿压显现等级为强烈，当σ≥3.0 σ0，则矿压显现等级为极强烈；
六、预测矿压显现等级为一般时，在巷道范围内通过采用液压单体支柱支护、锚杆锚索支护等常规方法对围岩进行支护，预测矿压显现等级为较强烈时，在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护，预测矿压显现等级为强烈时，通过井下采用水力压裂的方法对煤层上覆低位坚硬岩层进行压裂弱化，同时在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护，预测矿压显现等级为极强烈时，通过在井下采用水力压裂的方法对煤层上覆低位坚硬岩层进行压裂弱化，同时在井上地面采用地面水力压裂对高位坚硬岩层进行压裂弱化，并在巷道范围内布置高强度和密度的液压单体支柱、锚杆锚索进行加强支护；当覆岩中因赋存遗留煤柱而造成工作面矿压显现强烈或极强烈时，同时采用水压致裂的方式对遗留煤柱上下坚硬岩层进行压裂。