沿空切顶巷道时效性预测方法

本发明涉及煤矿无煤柱开采领域，尤其涉及切顶沿空留巷无煤柱开采技术，提出了一种沿空切顶巷道时效性预测方法。

背景技术：

1、传统的煤炭开采方式是通过留设煤柱、沿空掘巷来进行的，每个工作面需要掘进两条顺槽，留设一个煤柱，万吨掘进率高，煤炭回收率低。随着大规模的煤炭开采，煤炭资源量日益减少，传统的留设煤柱、沿空掘巷的开采方式造成的开采成本高，煤炭回收率低等问题日益突出。

2、沿空留巷是一项安全高效的无煤柱开采技术，传统沿空留巷大多采用巷旁充填方式，但施工工艺繁琐、留巷速度慢。切顶沿空留巷是一种新型沿空留巷技术，通过定向爆破切断采空区顶板与留巷顶板的力学关系，采空区岩层回采后自动垮落形成巷帮并支撑上覆顶板，从而达到了取消巷旁充填的目的，并且不影响工作面开采速度。沿空切顶巷道达到稳定状态后，此时巷道覆岩压力主要由实体煤帮和采空区矸石承担，因此矸石巷帮的稳定显得尤为重要。但在多个沿空切顶成巷无煤柱开采实践探索中，发现由于采空区矸石压缩蠕变特性切顶巷道围岩变形呈现出一定的长期性和流变性，如切顶沿空巷道压缩蠕变量过大甚至会导致留巷的失稳与报废，造成巨大的经济损失和安全隐患。因此，本发明提出了一种基于矸石帮压缩蠕变的切顶沿空巷道时效性预测方法，可对切顶沿空巷道失稳时间进行预测，从而在采用切顶留巷技术时对巷道和采区布置做出指导。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的沿空切顶巷道围岩变形的长期性和流变性对巷道的稳定性构成的潜在风险，本发明提出了一种切顶沿空巷道时效性预测方法，目的在于实现对切顶沿空巷道失稳时间进行提前预测，进而在采用切顶留巷技术时更科学准确地布置巷道和采区。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种切顶沿空巷道时效性预测方法，修正后的巷道顶板中央点的下沉量s’与时间t的关系如下：

4、，

5、其中，s为修正前的巷道顶板中央点的下沉量，k1为修正系数，x为实体煤帮塑性区宽度，a为巷道宽度， l为基本顶岩块伸入到采空区的长度，f（t）为采空区破碎矸石压缩变形量δs与时间t的函数关系δs=f（t），m为煤层厚度，h为直接顶厚度，k为直接顶岩石初始碎胀系数，s2为直接顶在巷道中央的离层碎胀量；

6、根据s′ ≤smax，即可求出切顶巷道所能承受的最长时间tmax，其中smax为切顶巷道在顶板中央的极限下沉量。

7、进一步的，在采用切顶留巷技术采煤时，工作面顺槽长度l1应满足以下关系：

8、，

9、其中v为回采速度，k2为富裕系数。

10、进一步的，所述采空区破碎矸石压缩变形量δs与时间t的函数关系δs=f（t）的获取方法如下：

11、第一步、选取采空区现场大块直接顶岩块采用破碎机进行破碎，并按相似级配法缩小后各粒径区间配制破碎岩石试验样品；

12、第二步，采用五联压缩蠕变试验系统对破碎岩石试样进行压缩蠕变试验；

13、第三步，同时加载五个试样，最大加载应力为直接顶上方岩层的自重应力γh，加载方式为荷载控制，加载到最大压力后保持120h，实时记录各时间点时产生的压缩量；

14、第四步，通过试样压缩量与时间的一系列数据（δs1，t1）、（δs2，t2）···（δsn，tn）拟合破碎岩石压缩蠕变量δs与时间t的函数关系式，五个试样可得到五个关系式，找出相关性系数最高的关系式作为最终的破碎岩石压缩蠕变量δs与时间t的函数式，即破碎岩石压缩蠕变量δs与时间t的函数式确定为δs=f（t）。

15、进一步的，所述修正系数k1的算法如下：

16、，

17、其中，s’0为布置在巷道中央的顶板下沉观测点测得的实际顶板下沉量，s0为理论顶板下沉量，且

18、，

19、其中t0为工作面推过下沉观测点后持续的时间，s20为由布置在巷道中央的顶板离层仪测得此时的直接顶离层量。

20、进一步的，所述实体煤帮塑性区范围  x由下式计算：

21、，

22、式中， c， φ分别为煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力(mpa)和内摩擦角(°)； a为侧压系数； k为最大应力集中系数； γ为岩层平均容重，kn/m3； h为开采深度，m； p x为煤帮支护阻力，mpa。

23、有益效果：本发明首先通过实验得出采空区破碎矸石压缩变形量δs与时间t的函数关系δs=f（t），然后求得修正后的巷道顶板中央点的下沉量s’与时间t的函数关系式，再依据切顶巷道在顶板中央的极限下沉量smax，最后求出了切顶巷道所能承受的最长时间tmax，超过此时间后巷道有失稳和报废的风险，从而为采煤时间提供科学合理的预测；同时根据采煤的回采速度和富裕系数，还可计算得到采煤工作面的顺槽最大长度，为采煤工艺提供科学合理的指导，进而提高采煤效率。

技术特征：

1.一种切顶沿空巷道时效性预测方法，其特征在于：修正后的巷道顶板中央点的下沉量s’与时间t的关系如下：

2.根据权利要求1所述的一种切顶沿空巷道时效性预测方法，其特征在于：在采用切顶留巷技术采煤时，工作面顺槽长度l1应满足以下关系：

3.根据权利要求1所述的一种切顶沿空巷道时效性预测方法，其特征在于：所述采空区破碎矸石压缩变形量δs与时间t的函数关系δs=f（t）的获取方法如下：

4.根据权利要求1所述的一种切顶沿空巷道时效性预测方法，其特征在于：所述修正系数k1的算法法如下：

5.根据权利要求1所述的一种切顶沿空巷道时效性预测方法，其特征在于：所述实体煤帮塑性区范围 x由下式计算：

技术总结
本发明给出了一种切顶沿空巷道时效性预测方法，给出了修正前及修正后的巷道顶板中央点的下沉量s’与时间t的函数关系式。再依据切顶巷道在顶板中央的极限下沉量s<subgt;max</subgt;，最后求出了切顶巷道所能承受的最长时间t<subgt;max</subgt;，从而为采煤时间提供科学合理的预测；同时根据采煤的回采速度和富裕系数，还可计算得到采煤工作面的最大长度，为采煤工艺提供科学合理的指导，进而提高采煤效率。

技术研发人员：陈上元,吕谦,闫春岭
受保护的技术使用者：安阳工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12