一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法与流程

本发明涉及煤矿采场矿压控制领域，特别涉及一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法。

背景技术：

坚硬顶板工作面矿压的控制是世界性难题之一，若能够用一种方法提前预测工作面的来压强度，针对其来压强度特征在工作面开采前进行相应的卸压技术措施，对保障工作面安全生产、特别是坚硬顶板厚煤层工作面的安全生产十分重要。

影响矿压显现的因素众多，根据其对矿压显现控制作用的机制可以分为基础类、核心类和强化类三类因素。基础类因素主要包括：采高、工作面长度、基本顶赋存特征、煤层埋藏深度、原岩应力等；核心类因素主要包括：远场高位结构的层位、结构刚度、结构稳定性等；强化类因素指工作面四邻及邻近煤层的开采特征，指标主要分解为：区段煤柱宽度、邻近工作面的开采时间、邻近层的层间距、邻近层特别是上覆邻近层开采后采空区覆岩结构特征等。当其中的因素比较突出或多项比较突出因素同时存在时，这些因素对矿压显现的强度起主要作用，这虽然在一定程度上解决了一部分矿压现象，但是由于坚硬顶板具有整体性强、强度高、采后不易冒落、断块大、冒落具有强烈冲击性、大面积悬顶将使工作面、四周煤体及巷道形成高应力集，产生强烈矿压显现现象。尤其是坚硬顶板厚煤层条件下开采，工作面矿压显现强度更大，矿压影响范围广，矿压显现现场更为复杂等矿压显现现象。到目前为止，还没有一套系统的针对坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法能够在坚硬顶板厚煤层工作面开采之前进行工作面来压强度预测，制约着坚硬顶板厚煤层工作面安全高效开采。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供了一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一：确定基础类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap1

式中：ap1-基础类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数；

bi-各种基础类因素的实际影响强度指数；

bmi-各种基础类因素的最大强度指数。

对于每一种基础类影响因素和每一种基础类影响因素的强度指数均分为四个等级，由低至高依次为0、1、2、3；其中，0表示对矿压显现强度没有影响，1表示对矿压显现强度影响程度弱，2表示对矿压显现强度影响程度中等，3表示对矿压显现强度影响程度强。表1为基础类因素划分及其影响的矿压显现强度指数分析。

表1基础类因素划分及其影响的矿压显现强度指数分析

表中σg为开采区域内构造应力值，σ为邻近不受构造影响区域的正常应力值。

步骤二：确定核心类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap2

式中：ap2-核心类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数；

cj-各种核心类因素的实际影响指数；

cmj-各种核心类因素的最大强度指数。

对于每一种核心类因素和每一种核心类因素的强度指数均分为四个等级，由低至高依次为0、1、2、3，其中，0表示对矿压显现强度没有影响，1表示对矿压显现强度影响程度弱，2表示对矿压显现强度影响程度中等，3表示对矿压显现强度影响程度强。表2为核心类因素影响划分及其影响的矿压显现强度指数分析。

表2核心类因素划分及其影响的矿压显现强度指数分析

高位结构曲面刚度k为：

式中，e为弹性模量，h高为远场高位坚硬岩层厚度，v为组成结构岩体的泊松比。

高位结构失稳判据：

式中，r为远场高位结构的尺度半径，dmax为高位结构失稳时的最大跨度，η为高位结构稳定性系数，i为截面惯性矩，q为荷载，α为岩层非均质系数。当采场基本顶之上覆岩不存在坚硬岩层时，则采场覆岩中不会形成高位结构；当采场基本顶之上覆岩中存在坚硬岩层时，且k基＞8时，则认为基本顶范围内垮落岩层可以充满采空区，即为存在高位结构但其不失稳情形；若6＜k基≤8时，则认为基本顶范围内垮落岩层充不满采空区，但其下伏自由空间小的情形，此时，高位结构的稳定性需要用公式(4)来判别；若k基≤6时，则认为基本顶范围内垮落岩层充不满采空区，采场上覆存在高位结构，且其下伏自由空间大的情形，此时，高位结构的稳定性需要用公式(4)来判别。

步骤三：确定强化类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap3

式中：ap3-强化类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数；

rn-各种强化类因素的实际影响指数；

rmn-各种强化类因素的最大强度指数；

同样，对于每一种强化类因素和每一种强化类因素的强度指数均分为四个等级，由低至高依次为0、1、2、3，其中，0表示对矿压显现强度没有影响，1表示对矿压显现强度影响程度弱，2表示对矿压显现强度影响程度中等，3表示对矿压显现强度影响程度强。

表3为强化类因素影响划分及其影响的矿压显现强度指数分析。

表3强化类因素划分及其影响的矿压显现强度指数分析

其中，表中煤柱宽度b为厚及特厚煤层工作面，且采用留煤柱护巷的方式，其区段煤柱的留设宽度。不包括回采顺槽采用无煤柱护巷、薄及中厚煤层开采的情形；上覆采空区中留设大型煤柱指煤柱尺寸为40m以上的煤柱；上覆采空区覆岩中的厚层坚硬岩层指厚度为20m以上，抗压强度为60mpa以上。

步骤四：确定矿压显现强度评定的综合强度指数wp

式中：wp-矿压显现强度评定的综合强度指数；

ωpi-不同类型因素对矿压显现强度影响的权重；

ωpi＝{ωp1,ωp2,ωp3}＝{0.3,0.5,0.2}。

工作面矿压显现强度指数wp值与评估区域的矿压显现等级成正比，根据矿压显现强度评定的强度指数wp，将矿压显现的强烈程度分为四个强度等级，分别为矿压显现一般、矿压显现较强、矿压显现强烈、矿压显现极强烈，分级标准见表4。

表4矿压显现强度等级划分

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法，该方法中涉及的各项数据，均可以在工作面开采设计之前和开采中，根据地质资料、开采技术资料、矿压显现监测资料等方式实现，本发明能够为坚硬顶板厚煤层工作面来压强度预测提供理论分析方法，可为坚硬顶板厚煤层工作面开采前顶板管理设计、巷道围岩控制设计、液压支架选型等矿压控制问题提供理论支持，对工作面开采过程中如何采取矿压防治措施提供理论与数据依据，为坚硬顶板厚煤层工作面矿压灾害防治技术选择提供理论依据，本发明对于坚硬顶板厚煤层条件下采场来压强度的分级预测具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式采用坚硬顶板厚煤层工作面来压强度预测指标体系及分类图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明做进一步的详细说明。

来压强度预测预报是矿压灾害防治的重要组成部分，为了深入研究矿压显现发生的核心因素及不同因素对矿压显现的贡献，将影响矿压显现的因素归纳为三大类，即基础类因素、核心类因素、强化类因素，并建立了坚硬顶板厚煤层工作面来压强度预测指标体系，如图1所示，由图可知核心类因素是采场矿压显现强烈的关键因素。

一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法，具体为一种坚硬顶板厚煤层条件下，采场来压强度分级预测的分析方法，为坚硬顶板厚煤层工作面开采矿压分级及防治提供新的技术支持。以大同矿区同忻煤矿开采的石炭系3-5#煤层8105工作面为例，进行工作面来压强度预测分析，大同矿区赋存有侏罗系、石炭系双系煤层，双系煤层上覆岩层中赋存有多层坚硬顶板，是国内外最具典型的坚硬顶板矿区。其具体包括以下步骤：

同忻矿8105工作面基本情况：开采3-5#煤层，煤层平均厚度为15.3m，煤层倾角为1～3°。邻近的8104工作面已开采完毕，区段间留设煤柱45m。8105工作面上覆侏罗系煤层群(9、11、12、14#煤层)主要由永定庄矿开采，其中侏罗系14#煤层与3-5#煤层间距为130～160m。根据同忻矿北一盘区综合柱状及钻孔数据，确定8105工作面上覆岩层特征(表5)，3-5#煤层至侏罗系14#煤层之间有24层岩层，其中以坚硬的砂岩和砾岩为主，软弱的泥岩分布很少。8105工作面上覆有多层侏罗系采空区，侏罗系采空区留设有多种类型煤柱，且侏罗系煤层覆岩赋存有k21巨厚坚硬砂岩，平均厚度约50m，根据对石炭系3-5#煤层8105工作面上覆侏罗系多煤层开采覆岩结构调查与研究分析，确定由于上覆侏罗系采空区有厚的k21坚硬岩层存在，采场覆岩形成了承载性结构，这一结论在石炭系3-5#煤层8105工作面开采时工作面出现无规律的动载现象得到证实。石炭系煤层埋藏深度约500m。

表5同忻煤矿北一盘区综合柱状及其物理力学参数

步骤一：确定基础类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap1

同忻矿8105工作面基础类因素对矿压显现影响的实际强度指数见表6。

表6同忻矿8105工作面基础类因素实际影响的矿压显现强度指数表

根据公式(1)确定基础因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap1：

步骤二：确定核心类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap2

岩体刚度是反映其承载特性的物理量，表明其整体力学特性，曲面的弯曲刚度k增加时，结构的曲率半径增大，形成的高位结构尺度大，结构失稳是释放的能量多。

根据大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采实践和矿压显现因素分析，确定坚硬顶板厚煤层采场高位结构失稳是强矿压发生的根本原因。高位结构失稳判据如公式(4)所示。

同忻矿8105工作面核心类因素对矿压显现影响的实际强度指数见表7。

表7同忻矿8105工作面核心类因素实际影响的矿压显现强度指数表

根据公式(2)确定核心类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap2：

步骤三：确定强化类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap3

表3为强化类因素影响划分及其影响的矿压显现强度指数分析，由表可知，强化类因素突出考虑了被评价工作面上覆及四邻采空区的存特征，主要考虑采空区煤柱留设、开采时间及其采后覆岩结构特征。

同忻矿8105工作面强化类因素对矿压显现影响的实际强度指数见表8。

表8实际影响的矿压显现强度指数表

根据公式(5)确定强化类因素对矿压显现强度的影响程度及来压强度等级评定的指数ap3：

根据钱鸣高院士砌体梁理论，煤层覆岩中存在巨厚坚硬岩层时，开采后采空区易形成砌体梁，砌体梁可视为承载结构体，该结构失稳时易对下伏煤层矿压显现产生一定影响；根据现场生产实践，上覆采空区遗留有大型煤柱时对下伏煤层矿压显现特别是动载矿压有重要影响。所以，对于上覆采空区的覆岩结构特征主要针对采空区中是否遗留大型煤柱、覆岩中是否存在厚层坚硬岩层进行分析。

步骤四：确定矿压显现强度评定的强度指数wp

工作面矿压显现强度指数wp值越高，评估区域的矿压显现等级越高。通过统计、模糊数学等的分析研究，根据矿压显现强度评定的强度指数wp，将矿压显现的强烈程度分为四个强度等级，分别为矿压显现一般、矿压显现较强、矿压显现强烈、矿压显现极强烈。

根据公式(6)确定矿压显现强度评定的强度指数wp：

通过现场矿压观测分析结合专家打分确定，ωpi＝{ωp1,ωp2,ωp3}＝{0.3,0.5,0.2}

基于矿压显现强度等级划分标准，应用矿压显现的强度指数法评价，预测同忻矿8105工作面矿压显现强度等级为ⅳ级，即矿压显现极强烈。

坚硬顶板一般厚度大、强度高、节理裂隙发育差、整体性强、自承能力强，因此在煤层开采后坚硬顶板条件下采空区形成大面积悬顶，短期内不易自然垮落，造成工作面矿压显现强度大，给工作面顶板管理带来很大困难。现有的对坚硬顶板来压强度预测的方法，只针对一个或者两个因素进行分析，对其他影响矿压显现的因素忽视，不能把影响矿压的众多因素综合起来进行分析，对坚硬顶板厚煤层条件下采场来压强度分级预测不能给出相对准确的理论与数据支撑，制约着坚硬顶板厚煤层条件下矿压灾害的防治和预测。而本发明提供了一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测的综合方法，该方法中涉及了影响矿压显现的众多因素，有地质的因素，也有开采的因素，其中涉及的各项数据，均可以根据地质资料、实验室试验等方式实现。对工作面开采过程中如何采取矿压防治措施提供理论与数据依据，降低工作面矿压灾害，本发明对于坚硬顶板条件下厚煤层工作面来压强度预测具有广泛的实用性。