均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法及实验装置与流程

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及均衡能量的硬煤层开采方法及实验装置。

背景技术：

煤体由于地质构造变迁长期积累形成的产物，一般煤炭的赋存条件均较复杂，煤体在地应力场、构造应力场、渗流场、地热场等场影响下发生变形破坏，随着开采深度的增加，三向应力不等(σ1≠σ2≠σ3)且越来越大，煤层上部及两侧的应力可能呈现x型、y型、z型及其复合型应力场，形成相应的能量场。极硬煤层(5.0＞坚固性系数≥4.0)和硬煤层(4.0＞坚固性系数≥3.0)在我国所占储量较高、且分布广泛，硬煤层极易储存大量的能量，在开采过程中容易诱发动力灾害。

硬煤开采过程中，如果能量场不均衡，将导致高能区的能量流入到低能区，一般为煤炭临空面(开采面)，将会导致工作面的煤体折断甚至弹射出来，形成动力破坏，致使采煤机及工作面相应设备破损，还会危害到工作面的人员，并诱发煤与瓦斯等事故，灾害间的联动诱发将致使更大范围的破坏，最终可能迫使整个矿井停产。硬煤层的强度更大，所能储存的弹性能更多，不均衡能量场导致发生灾害的可能性越大。

实际上采煤工作面硬煤储存能量在一定范围内是安全的，当储存的能量大于消耗的能量时，盈余的能量将转化为动能，导致动力破坏的发生。

在硬煤层的开采过程中，还存在着其他问题，其中一个问题就是：采煤机切割硬煤层时存在截齿磨损严重，设备损耗率较高的问题，不仅增加耗费成本升高，还会导致煤炭开采速度下降，加上设备更换维修的时间，进一步降低煤炭开采速度，导致吨煤产量耗时增大。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的硬煤层开采方法存在容易导致截齿磨损严重的问题，以及容易引起动力破坏的问题。

均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，包括以下步骤：

步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；

通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；

步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；

步骤3、计算能量分布阵列的平均能量值：

如果能量分布矩阵的平均值小于储能危险阈值且大于煤层脆裂能量值，以能量分布矩阵的平均值作为基准能量值；

如果能量分布矩阵的平均值大于等于储能危险阈值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；

如果能量分布矩阵的平均值小于等于煤层脆裂能量值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；

步骤4、对比每个煤壁单元的能量值与基准能量值的差值；

如果煤壁单元的能量值大于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置制冷，对煤壁单元进行降温；

如果煤壁单元的能量值小于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置加热，对煤壁单元进行升温；

同时利用冲击地压监测系统进行实时监测；

步骤5、当煤壁单元的能量值等于基准能量值，或者不超过基准能量值的上下误差阈值的范围时，进行硬煤层开采。

进一步地，所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：

采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验；当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力f和裂纹位移s1得到煤层脆裂能量值q1＝∫fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移。或者，采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力f和裂纹位移s1得到脆裂能量值q1＝∫fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移；进行若干组实验，将若干组实验得到的脆裂能量值中最小的脆裂能量值作为煤层脆裂能量值。

进一步地，所述的储能危险阈值值的确定过程如下：

采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力f和破碎位移s2得到储能危险阈值q2＝∫fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移。或者，采集硬煤层的煤样并制成标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力f和破碎位移s2得到危险阈值q2＝∫fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移；进行若干组实验，将若干组实验得到的危险阈值中最小的危险阈值作为储能危险阈值。

进一步地，所述的基准能量值的上下误差阈值为0.1倍的基准能量值，即，当煤壁单元的能量值α满足0.9e<α<1.1e时，进行硬煤层开采；其中e为基准能量值，且保证1.1e小于储能危险阈值。

本发明具有以下有益效果：

本发明能够在当前的开采范围内使能量得到均衡，从而避免了煤层的压力差或者能量差过大的问题，进而尽量避免了能量差过大导致的能量释放造成的动力破坏，能够很大程度上解决硬煤层开采中容易引起动力破坏的问题。同时，如果工作面能量场相差较大时，在现有的开采过程中需要针对不同的区域采取不同的支护方案，否则将出现过支护和支护不足的现象，过支护将耗费成本，支护不足将带来顶板事故。但采用本发明均衡能量场后，顶板及煤层的应力场相差不大，采用一种支护方案即可，减少了支护方案调整带来的时间成本及经济成本。

本发明还使得硬煤层发生一定程度的塑性破坏，有助于硬煤的开采，不仅能够减少采煤机的能量消耗，还能够延长采煤机的使用寿命，而且能够提高采煤的速度。虽然本发明消耗了一部分能量，但是采煤机减少了能量效果，同时增加采煤机的使用寿命，且提高采煤速度、增加产量，使得本发明相比现有的硬煤层开采方法，极大的提高了效益。

附图说明

图1为具体实施方式二中标准试样(煤样)产生裂纹的效果图；

图2为实施例中进行煤样硬度检测时实验测量数据的装置图；

图3为实施例中进行煤样硬度检测时实验测量数据的曲线图；

图4为实施例中给定应力下的煤样处于塑性区的曲线图；

图5为三维加载示意图；

图6为采用三维多体加载装置模拟下图中应力场的分布对应应力场呈现对称的特征的曲线图；

图7为采用下行开采方式对煤层进行开挖时压力盒得到三维体内应力场；

图8为对钻孔后三维体内应力场。

具体实施方式

具体实施方式一：

均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法，包括以下步骤：

步骤1、在硬煤层的开采面上设置能量补偿孔阵列，即：能量补偿孔成行列排布，成行列排布的能量补偿孔形成一个阵列；每个能量补偿孔内设置一个能量补偿装置，所述的能量补偿装置包括一个加热装置和一个制冷装置；根据能量补偿孔阵列将煤壁划分为与能量补偿孔阵列对应的若干煤壁单元；

通过设置冲击地压监测系统监测煤壁的能量分布，在每个煤壁单元对应设置应力采集孔，应力采集孔成行列排布，成行列排布的应力采集孔形成一个阵列；每个应力采集孔内设置有一个微震传感器，微震传感器是矿用冲击地压监测系统中的组成部分，微震传感器用于监测硬煤层的能量分布；

步骤2、在煤层开采前，通过设置的冲击地压监测系统实时检测煤壁若干煤壁单元的能量情况，对应生成能量分布阵列；

步骤3、计算能量分布阵列的平均能量值：

如果能量分布矩阵的平均值小于储能危险阈值且大于煤层脆裂能量值，以能量分布矩阵的平均值作为基准能量值；

如果能量分布矩阵的平均值大于等于储能危险阈值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；

如果能量分布矩阵的平均值小于等于煤层脆裂能量值，以小于储能危险阈值且大于等于煤层脆裂能量值的能量值作为基准能量值；

步骤4、对比每个煤壁单元的能量值与基准能量值的差值；

如果煤壁单元的能量值大于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置制冷，对煤壁单元进行降温；

如果煤壁单元的能量值小于基准能量值，则控制对应煤壁单元的能量补偿装置加热，对煤壁单元进行升温；

同时利用冲击地压监测系统进行实时监测；

步骤5、当煤壁单元的能量值等于基准能量值，或者不超过基准能量值的上下误差阈值的范围时，进行硬煤层开采。

实际上煤层开采遇到的动力可以解释为开采过程中煤层的压力差或者能量差过大，导致压力或者能量的释放产生动力破坏，本发明引入极限储能原理，调控能量场后使每个特征单元均不超过极限储能，以保证工作面的安全稳定。但应接近极限储能条件，以保证煤体发生塑性破坏。高温将增加煤体的内能，低温将消耗煤体的内能，据此采取在工作面埋设高低温装置，通过应变片和压力盒计算特征单元能量的变化，利用极限储存校核能量升降的效果，最终保证工作面能量均衡。所以，通过本发明能够在当前的开采范围内使能量得到均衡，从而避免了煤层的压力差或者能量差过大的问题，进而尽量避免了能量差过大导致的能量释放造成的动力破坏，能够很大程度上解决硬煤层开采中容易引起动力破坏的问题。同时，如果工作面能量场相差较大时，在现有的开采过程中需要针对不同的区域采取不同的支护方案，否则将出现过支护和支护不足的现象，过支护将耗费成本，支护不足将带来顶板事故。但采用本发明均衡能量场后，顶板及煤层的应力场相差不大，采用一种支护方案即可，减少了支护方案调整带来的时间成本及经济成本。

与此同时，本发明还对一些单元施加了能量，使整体的能量超过硬煤层的塑性破坏需要的能量，这样能够使得硬煤层发生一定程度的塑性破坏，将有助于煤炭的开采。目前的硬煤层的开采过程中，由于煤层相对较硬，采煤机切割硬煤将严重磨损截齿，煤炭开采速度下降，耗费成本升高，吨煤产量耗时增大。本发明在一定范围内提高煤层的能量将有煤层的塑性破坏，塑性破坏致使煤层硬度降低，有助于硬煤的开采，不仅能够减少采煤机的能量消耗，还能够延长采煤机的使用寿命，而且能够提高采煤的速度。虽然本发明消耗了一部分能量，但是采煤机减少了能量效果，同时增加采煤机的使用寿命，且提高采煤速度、增加产量，使得本发明相比现有的硬煤层开采方法，极大的提高了效益。

具体实施方式二：不同硬煤层的煤层脆裂能量值是不同的，与开采煤层的硬度相关，所以煤层脆裂能量值需要通过试验确定。本实施方式所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》第7部分“单轴抗压强度测定及软化系数计算方法(gb/t23561.7-2009)”，采集硬煤层的煤样并制成50×50×100mm的标准试样，进行压力试验；当标准试样产生裂纹时，如图1所示的煤样，根据试验施加的压力f和裂纹位移s1得到煤层脆裂能量值q1＝∫fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移。

此时选取的煤层脆裂能量值能够保证煤层能够产生一定的塑性破坏，从而保证塑性破坏致使煤层硬度降低，有助于硬煤的开采。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述的煤层脆裂能量值的确定过程如下：

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》第7部分“单轴抗压强度测定及软化系数计算方法(gb/t23561.7-2009)”，采集硬煤层的煤样并制成50×50×100mm的标准试样，进行压力试验，当标准试样产生裂纹时，根据试验施加的压力f和裂纹位移s1得到脆裂能量值q1＝∫fds1，其中裂纹位移s1是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样产生裂纹时对应的位移；

进行若干组实验，将若干组实验得到的脆裂能量值中最小的脆裂能量值作为煤层脆裂能量值。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：不同硬煤层的煤层储能危险阈值是不同的，与开采煤层的硬度相关，所以储能危险阈值需要通过试验确定；本实施方式所述的储能危险阈值值的确定过程如下：

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》第7部分“单轴抗压强度测定及软化系数计算方法(gb/t23561.7-2009)”，采集硬煤层的煤样并制成50×50×100mm的标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力f和破碎位移s2得到储能危险阈值q2＝∫fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移；所述标准试样碎裂为标准试样破碎或部分解体。

其他步骤与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述的储能危险阈值通过以下过程确定：

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》第7部分“单轴抗压强度测定及软化系数计算方法(gb/t23561.7-2009)”，采集硬煤层的煤样并制成50×50×100mm的标准试样，进行压力试验，当标准试样碎裂时，根据试验施加的压力f和破碎位移s2得到危险阈值q2＝∫fds2，其中破碎位移s2是从压力加载装置接触标准试样时到标准试样碎裂时对应的位移；所述标准试样碎裂为标准试样破碎或部分解体；

进行若干组实验，将若干组实验得到的危险阈值中最小的危险阈值作为储能危险阈值。

此时能够保证整体均衡的能量满足储能危险阈值的最小风险，从而保证了不导致发生动力破坏，最大程度上保证采煤的安全性。

其他步骤与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的基准能量值的上下误差阈值为0.1倍的基准能量值，即，当煤壁单元的能量值α满足0.9e<α<1.1e时，进行硬煤层开采；其中e为基准能量值，且保证1.1e小于储能危险阈值。

其他步骤与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：

均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采的实验装置，包括一套冲击地压监测系统，所述冲击地压监测系统包括一台能量监测计算机；所述实验装置还包括若干个能量补偿装置和电源装置，所述个每套能量补偿装置均包括一个加热装置和一个制冷装置，能量监测计算机与加热装置、制冷装置进行通信，并控制加热装置、制冷装置工作；电源装置为加热装置和制冷装置供电。

所述的冲击地压监测系统可以采用申请号为2018107580345的一种探究回采煤体能量传递和引导规律的试验装置，因为其对应的研究方向为本发明所述领域中的一个研究方向，更加符合本发明整体的要求，能量监测计算机内的系统无需重新设计或开发，只要在能量监测计算机中通过插件或者通过系统补丁升级的方式即可实现加热装置和制冷装置通信，并按照每个能量补偿孔的实际能量监测结果分别控制加热装置和制冷装置工作。同时只需要将能量检测系统更换为微震传感器，并对系统进行简单调整即可。所述的冲击地压监测系统实际上也可以采用市面上能够采购到的冲击地压监测系统，但是对应的计算机中系统需要重新设计或开发，而且也需要添加力的加载装置并且有针对性的设计。

具体实施方式八：

本实施方式所述的均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采的实验装置的力加载部分为三维多体加载装置，即在三维方向上进行力的加载，且每个方向上的力加载装置分为若干个加载单元，即在同一个方向上多个加载单元分别进行力的加载。三维加载示意图如图5所示。

本实施方式分成不同的单元进行单独加载，能够按照实际矿井开采管径测量数据，并按照测量的数据进行不同部位的分为模拟加载，所以能够更加真实的模拟地下开采的真实煤层环境和压力环境，从而获得实验获得的数据更加贴近真实情况，数据更加准确，从而为均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法提供更加可靠的数据支持，进而保证均衡能量诱发塑性破坏且防治动力破坏的硬煤层开采方法的有效可靠。

实施例

实验研究思路

硬煤现场取样进行与现场应力一致的室内三轴实验，获取煤岩的塑性区。收集某矿硬煤开采的地质条件、应力分布及开采资料，利用相似理论及应力分布给出材料配比及受力边界，根据综合柱状图设计煤层的铺设高度，利用研制的真三维多体加载装置构造符合客观实际的应力条件，在装置中逐层填充材料并埋设压力盒及应变片。

根据受力边界条件对模型进行加载，计算煤岩内部应力场的分布，根据煤岩塑性区特征，采取钻孔的方式进行卸能，并在内部铺设低温管道进行二次卸能，利用煤岩的塑性区间评价卸压效果；根据应力场的分布得到低应力区，采取钻孔的方式进行卸能，在钻孔内部埋设电阻丝，以增加围岩的内能，利用煤岩的塑性区间评价加压效果，最终的目的是使应力场处于趋于一致的状态并使围岩处于塑性区，这样即可以保证安全开采，又可以保证稳定开采，能够提高生产效率。

细化方案

1.通过单轴实验得到煤样硬度3.2，依据煤层划分标准(极硬煤层5.0>f>4.0、硬煤层4.0>f>3.0、中硬煤层3.0>f>1.5、软煤层1.5>f>0.8、极软煤层0.8>f>0.5)，煤层属于硬煤层，实验测量数据的装置如图2所示，具体数据曲线如图3所示。

2.结合地应力，给定应力为11.6mpa和6.5mpa，三轴实验得到煤样的塑性区间，应变在1.0～1.1之间或压力在39mpa～41mpa煤样处于塑性区，如图4所示。

3.相似模拟实验

根据某矿务局某矿1254工作面的基本情况，通过柱状图确定煤层分布，通过相似条件及原理计算煤层用料比例及用量。主要采用的设备有：xky021型应变桥智能数据采集仪，电脑，bw型箔式微型压力盒，数据转换仪，p20r-17型预调平衡箱，yjd-17型静动态电阻应变仪。相似条件，根据模拟开采长度和煤层的埋深，本次的实验采用长宽高为5m×5m×5m的三维多体加载装置，三维加载示意图如图5所示，进行三维加载，并且每个加载方向均设多个加载点，能够实现真正模拟现场的边界应力分布。模拟煤层的埋深为838.7m，从地表至煤层底板共29个岩层，其中有些岩层厚度较小或有的岩层和相邻岩层的岩性相近按同一岩层计算，模型比例1：168，模型顶板高度为1.6m。模型材料的配比原理，模型材料配比的理论根据是相似三大定律。其中运动学相似在本次模拟中很显然满足，不再加以赘述。根据以上要求，本次实验所采用的主要材料如下：主料砂；辅料大白粉、熟石膏、云母、水，其中煤层的配比时要加入粉煤灰。由于模型材料的主料是砂，辅料占比重较少，不影响模型材料的比重，所以，除煤层外，其它各层的比重均按1600kg/m³计算。

根据以上相似比计算公式和各岩层的岩石物理力学性质，可计算出模拟实验各岩层相似材料配比具体见表1。

表1模拟实验各岩层相似材料配比

根据地应力的实测结果，采用数值模拟手段对地应力进行反演，得到三个方向应力场的分布，基于此，采用三维多体加载装置模拟下图中应力场的分布，此处仅对中部切面进行说明，应力场呈现对称的特征，如图6所示。

采用下行开采方式，对煤层进行开挖，通过压力盒得到三维体内应力场(如图7所示)，结合塑性变形区，对煤层进行钻孔卸压，对1.3m至3.3m区间应进行卸压，其他区域采取升压的措施。高压区利用直径20mm钻头进行钻孔且距离为20cm，进行初步卸压。低压区利用5mm钻头进行钻孔且距离为20cm，为升压埋设电阻丝做准备。钻孔结果如图8所示。

对二次降压区埋设低温管，对升压区埋设高温管，通过应力传感器标定高低温对应力影响的效果，若未进入塑性区，采取持续降温和增大电压升温的方式，直到应力场均衡且均达到塑性区位置。然后进行煤层的回采。

对硬煤层进行回采，整个开采过程平稳，未出现卡顿、局部坍塌和弹射的现象，能较容易和安全的开采工作面。说明采用高低温手段能够较好的平衡应力场，采用均衡应力场且煤岩进入塑性区开采的思想，能够安全和稳定的开采硬煤层，即克服了灾害的发生，也能利用煤样的应力特征，弱化了开采强度。