CN109214135B - 一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，确定具体充填方案；获取固体充填物料密度参数；计算充填协同垮落式综采面长度L_总；计算充填段长度L_充及垮落段长度L_垮；获取煤岩体物理力学参数；构建充填协同垮落式综采面矿压显现计算模型；得到高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式；结合实际工程质参数，确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过。本发明的方法简单易行，准确性高，实现充填协同垮落式综采面充填段与垮落段矿压显现平稳过渡，进一步丰富充填采煤理论，扩大充填采煤的应用范围，具有广泛的实用性。

Description

一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法

技术领域

本发明涉及一种采煤工作面过渡区域强矿压控制的技术领域，特别是涉及一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法。

背景技术

传统全断面充填工作面充填与采煤工序相互干扰，导致充填效率和产能偏低，难以满足现代化矿井高产高效要求。基于充填效率和产能需求，设计一种充填协同垮落式综采技术方法。如图3所示，充填协同垮落式综采面在同一工作面中集成布置充填段（1）与垮落段（2），既保留了充填能力又提高了工作面产能，有效协调提高了充填与采煤效率。充填段（1）和垮落段（2）前部共用一套采煤设备完成采煤工序，充填段通过悬挂于充填采煤液压支架（4）后部的底卸式刮板输送机（11）将矸石、粉煤灰等固体废弃物直接充填至充填段（1）采空区，起到消耗矸石、粉煤灰等固体废弃物及控制岩层移动等多重目标。充填协同垮落式综采面充填段（1）与垮落段（2）矿压显现差异显著，且两者之间存在一个局部小范围强矿压显现过渡区域（3）。过渡区域（3）与充填段（1）支护所采用的液压支架基本架型相同，但过渡区域（3）矿压显现剧烈程度明显高于充填段（1），因此提出根据过渡区域（3）局部高应力影响范围S和应力集中系数K，针对性提高过渡区域液压支架（5）支护强度P过控制思路。目前针对充填协同垮落式综采面过渡区域（3）局部高应力影响范围S及其应力集中系数K尚无系统的有效预计方法，研究充实率η、充垮比V（充填段与垮落段长度比值）工程主控因素对充填协同垮落式综采面过渡区域（3）局部强矿压显现影响特征，可准确预计过渡区域（3）高应力影响范围及其应力集中程度，准确设计布置过渡区域液压支架（5）数量N及其支架加强支护强度P过，该方法可为充填协同垮落式综采面局部强矿压加强支护设计提供参考，实现充填协同垮落式综采面充填段与垮落段矿压显现平稳过渡，进一步丰富充填采煤理论，扩大充填采煤的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于：本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种方法简单，准确的充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，包括以下步骤：

1）根据充填协同垮落式综采面充填目的确定具体充填方案，通过实验获取不同充填状态下固体充填物料密度参数；

2）根据矿井产能设计充填协同垮落式综采面产量T₁，计算充填协同垮落式综采面长度L_总；

3）根据固体充填物料设计充填量T₂，计算充填段长度L_充及垮落段（2）长度L_垮；

4）进行充填协同垮落式综采区域煤岩层力学特性参数测试，获取煤岩体物理力学参数，采用FLAC^3D数值模拟软件构建充填协同垮落式综采面矿压显现计算模型；

5）基于First Optimization多元回归分析，得到充实率η与充垮比V因素与充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响范围S以及高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式；

6）最后结合实际工程质参数，计算出充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响区域范围S₁以及覆岩平均应力集中系数K₁，最终确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过。

本发明进一步改进方案是，所述步骤1）中，

a．根据充填协同垮落式综采面消耗固体废弃物或控制岩层移动的充填目的确定充填方案，相应选择自然落料充填或密实充填方案；

b．自然落料时固体充填物料密度为松散视密度ρ₁，通过密度试验测试获取；密实充填时固体充填物料压实密度为ρ₂，通过矸石压实实验测试获取。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，根据矿井产能需求，设计充填协同垮落式综采面产量T₁，结合充填协同垮落式综采面相关工程参数，由下式计算充填协同垮落式综采面长度L_总：

式中：L_推 ——充填协同垮落式综采面走向推进长度；

M ——充填协同垮落式综采面平均采高；

ρ_煤 ——煤密度。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，根据充填协同垮落式综采面固体充填物料设计充填量T₂，结合充填方案测试固体充填物料密度ρ，计算充填段长度L_充及垮落段长度L_垮，不同充填方案状态下充填段长度L_充分别按以下公式计算：

a、自然落料充填时：

式中，H₁——固体充填物料自然落料堆积高度；

H₂——底卸式刮板输送机卸料孔下端距顶板距离；

ρ₁——固体充填物料松散视密度；

b、密实充填时：

式中，H₃-充填材料未接顶高度；

H₄——顶板提前下沉量；

ρ₂——密实充填时固体充填物料压实密度；

垮落段长度L_垮为充填协同垮落式综采面总长度L_总与充填段长度L_充之差：

。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤4）中，进行充填协同垮落式综采区域煤岩层力学特性参数测试，获取煤岩体物理力学参数，结合充填协同垮落式综采面几何参数，通过FLAC^3D三维数值模拟软件，构建充填协同垮落式综采面矿压显现数值分析模型。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤5）中，

c．固定充填协同垮落式综采面总长度L_总和平均采高M参数不变；先模拟充垮比V不变，充实率η变化条件下的覆岩应力分布规律；再模拟充实率η不变，充垮比V变化条件下的充填协同垮落式综采面覆岩应力分布规律；

d．定义充填协同垮落式综采面过渡区域覆岩垂直应力值大于或等于充填段覆岩垂直应力平均值1.3倍以上区域为高应力影响范围S，基于模拟结果，确定不同充实率η和充垮比V条件下充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响范围S；

e．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域高应力影响范围S的关系表达式S（η、V）；

f．定义过渡区域高应力影响范围S内平均应力集中系数K=σ₂/σ₁，其中σ₁为过渡区域高应力影响范围S内覆岩平均应力值，σ₂为充填段覆岩平均应力；基于数值模拟结果，分析不同充实率η和充垮比V条件下过渡区域高应力影响范围平均应力集中系数K值；

g．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式K（η、V）。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤6）中，

根据实际充填协同垮落式综采面充实率η₁和充垮比V₁，代入关系表达式S（η、V）与K（η、V），计算出充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响区域范围S₁以及覆岩平均应力集中系数K₁；根据以下公式确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过：

式中：N——大于等于n的最小正整数；

f——相邻液压支架中心距；

式中：P_充——充填段充填采煤液压支架设计支护强度P_充。

本发明更进一步改进方案是，所述充实率η的变化范围，自然落料充填时，变化范围为40%~55%；密实充填时变化范围为55%~85%。

本发明的有益效果在于：

本发明的充填协同垮落式综采面过渡区域强矿压局部控制设计方法在实际运用时只需明确充填协同垮落式综采面充填方案，依据实验确定不同充填方案时固体充填物料密度，结合相关工程参数建立数值模拟计算模型，便可根据回归方程计算出过渡区域高应力影响范围S和平均应力集中系数K，通过计算确定过渡区域局部加强支护支架数量N与支架支护强度P_充，此方法为充填协同垮落式综采面过渡区域强矿压局部控制设计提供了参考与理论指导。此设计方法简单易行，准确性高，实现充填协同垮落式综采面充填段与垮落段矿压显现平稳过渡，进一步丰富充填采煤理论，扩大充填采煤的应用范围，具有广泛的实用性。该方法可为充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压加强支护设计提供参考，实现充填协同垮落式综采面充填段与垮落段矿压显现平稳过渡，进一步丰富充填采煤理论，扩大充填采煤的应用范围。

附图说明：

图1为本发明充填协同垮落式综采密实充填示意图。

图2为本发明充填协同垮落式综采自然落料充填示意图。

图3为本发明充填协同垮落式综采面系统布置图。

图4为本发明充填协同垮落式综采数值计算模型图。

图5为本发明充填协同垮落式综面充实率-过渡区域高应力影响范围曲线图。

图6为本发明充填协同垮落式综面充垮比-过渡区域高应力影响范围曲线图。

图7为本发明充填协同垮落式综面充实率-平均应力集中系数曲线图。

图8为本发明充填协同垮落式综面充垮比-平均应力集中系数曲线图。

图9为煤岩体的物理力学参数表。

图10为充实率η与充垮比V的关系表。

图11为定义过渡区域覆岩垂直应力值大于或等于充填段覆岩垂直应力平均值1.3倍以上范围为高应力影响区域的情况下，相关数学统计学参数表。

图12为定义定义过渡区域高应力影响范围S平均应力集中系数K=σ₂/σ₁的情况下，相关数学统计学参数表。

图13为本发明的方案流程图。

图中，1、充填段；2、垮落段；3、过渡区域；4、充填采煤液压支架；4、过渡区域液压支架；6、传统综采液压支架；7、采煤机；8、运矸皮带；9、可移式矸石转载机；10、升降平台；11、底卸式刮板输送机；12、刮板输送机；13、运煤皮带；14、挡矸板；15、夯实机构。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的一个实施案例作进一步的描述：

实施案例1

如图13可知，以某矿充填协同垮落式综采面为例，具体实施步骤如下：

1）

a．充填协同垮落式综采根据不同充填目的可以选择密实充填或自然落料充填两种充填方案，如图1和图2所示。

b．某矿充填协同垮落式综采面充填目的为消耗矸石，充填方式选择自然落料充填，采空区矸石从底卸式刮板输送机11卸料口落至采空区自然落料堆积，经现场取样测试矸石松散视密度ρ₁为1.84t/m3。充填协同垮落式综采面布置如图3所示。

2）根据矿井产能，设计充填协同垮落式综采面产量T₁为95Mt，由以下公式计算充填协同垮落式综采面长度L_总，为便于计算和布置数据取整：

式中，充填协同垮落式综采面平均采高M取3.2m；推进长度L_推取1000m；煤密度ρ_煤取1.35t/m³；

3）根据充填协同垮落式综采面设计矸石充填物料量T₂，结合相关工程他参数，由以下公式计算充填协同垮落式综采面充填段1长度L_充。

式中，底卸式刮板输送机卸料孔下端距顶板距离H₂取0.9m；

4）对充填协同垮落式综采面开采区域煤岩体钻孔取芯，在实验室测试其物理力学特性，获取煤岩体的物理力学参数，结果见图9中的表1。根据充填协同垮落式综采面工程地质参数与煤岩体的物理力学参数，采用FLAC^3D数值模拟软件建立数值分析计算模型，如图4所示。模型尺寸为400×300×130m，边界条件为四周约束水平方向自由度，固定模型底面，约束其水平和垂直自由度。模型上部未铺设部分按相应厚度加载补应力22.5MPa，本构关系采用摩尔-库伦模型。

5）

c．固定充填协同垮落式综采面总长度L_总为220m，采高M为3.2m不变。先模拟方案

充垮比V不变，充实率η变化条件下覆岩应力分布规律；再模拟方案

充实率η不变，充垮比V变化条件下覆岩应力分布规律，具体模拟方案见图10中的表2。

d．定义过渡区域3覆岩垂直应力值大于或等于充填段1覆岩垂直应力平均值1.3倍以上范围为高应力影响区域，基于数值模拟结果，确定不同充实率η和充垮比V条件下过渡区域高应力影响区域范围值S，模拟结果如图5和图6所示。

e．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域3高应力影响区域范围S的关系表达式S（η、V），具体表达式为：

S（η、V）=0.495η+2.326V+2.986。

其相关数学统计学参数见图11中的表3，R为相关性系数，R²为决定性系数，RMSE为均方差，SSE为残差平方和，由图11中的表3可知，该回归模型具体统计学意义。

f．定义过渡区域3高应力影响范围S平均应力集中系数K=σ₂/σ₁，其中σ₁为过渡区域3高应力影响范围S内覆岩平均应力，σ₂为充填段1覆岩平均应力。模拟方案与图10中的表2相同，基于数值模拟结果，分析不同充实率η和充垮比V条件下过渡区域3高应力影响范围S平均应力集中系数K值，分析结果如图7和图8所示。

g．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域3高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式K（η、V），具体表达式为：

K（η、V）= -0.083η+1.059 V+0.775

其相关数学统计学参数见图12中的表4，R为相关性系数，R²为决定性系数，RMSE为均方差，SSE为残差平方和，由表可知，该回归模型具体统计学意义。

6）某矿充填协同垮落式综采面工程实际充实率η₁=55%，充垮比V₁=120：100，代入关系表达式S（η、V）与K（η、V），计算出过渡区域3高应力影响区域范围S₁=4.94m，高应力影响范围S内平均应力集中系数K₁=1.230。由以下公式确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过：

式中：N——大于等于n的最小正整数；

f-相邻液压支架中心距，取1.5m；

式中：P_充——充填段充填采煤液压支架设计支护强度，取P_充=0.84MPa；

最终设计充填协同垮落式综采面过渡区域3内过渡段液压支架支护强度为1.04MPa，支架数量为4架。

Claims (8)

1.一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据充填协同垮落式综采面充填目的确定具体充填方案，通过实验获取不同充填状态下固体充填物料密度参数；

2）根据矿井产能设计充填协同垮落式综采面产量T₁，计算充填协同垮落式综采面长度L_总；

3）根据固体充填物料设计充填量T₂，计算充填段长度L_充及垮落段长度L_垮；

4）进行充填协同垮落式综采区域煤岩层力学特性参数测试，获取煤岩体物理力学参数，采用FLAC^3D数值模拟软件构建充填协同垮落式综采面矿压显现计算模型；

5）基于First Optimization多元回归分析，得到充实率η与充垮比V因素与充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响范围S以及高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式；

6）最后结合实际工程质参数，计算出充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响区域范围S₁以及覆岩平均应力集中系数K₁，最终确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过。

2.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤1）中，

a．根据充填协同垮落式综采面消耗固体废弃物或控制岩层移动的充填目的确定充填方案，相应选择自然落料充填或密实充填方案；

b．自然落料时固体充填物料密度为松散视密度ρ₁，通过密度试验测试获取；密实充填时固体充填物料压实密度为ρ₂，通过矸石压实实验测试获取。

3.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤2）中，根据矿井产能需求，设计充填协同垮落式综采面产量T₁，结合充填协同垮落式综采面相关工程参数，由下式计算充填协同垮落式综采面长度L_总：

式中：L_推 ——充填协同垮落式综采面走向推进长度；

M ——充填协同垮落式综采面平均采高；

ρ_煤 ——煤密度。

4.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤3）中，根据充填协同垮落式综采面固体充填物料设计充填量T₂，结合充填方案测试固体充填物料密度ρ，计算充填段长度L_充及垮落段长度L_垮，不同充填方案状态下充填段长度L_充分别按以下公式计算：

a、自然落料充填时：

式中，H₁——固体充填物料自然落料堆积高度；

H₂——底卸式刮板输送机卸料孔下端距顶板距离；

ρ₁——固体充填物料松散视密度；

b、密实充填时：

式中，H₃——充填材料未接顶高度；

H₄——顶板提前下沉量；

ρ₂——密实充填时固体充填物料压实密度；

垮落段长度L_垮为充填协同垮落式综采面总长度L_总与充填段长度L_充之差：

。

5.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤4）中，进行充填协同垮落式综采区域煤岩层力学特性参数测试，获取煤岩体物理力学参数，结合充填协同垮落式综采面几何参数，通过FLAC^3D三维数值模拟软件，构建充填协同垮落式综采面矿压显现数值分析模型。

6.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤5）中，

c．固定充填协同垮落式综采面总长度L_总和平均采高M参数不变；先模拟充垮比V不变，充实率η变化条件下的覆岩应力分布规律；再模拟充实率η不变，充垮比V变化条件下的充填协同垮落式综采面覆岩应力分布规律；

d．定义充填协同垮落式综采面过渡区域覆岩垂直应力值大于或等于充填段覆岩垂直应力平均值1.3倍以上区域为高应力影响范围S，基于模拟结果，确定不同充实率η和充垮比V条件下充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响范围S；

e．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域高应力影响范围S的关系表达式S（η、V）；

f．定义过渡区域高应力影响范围S内平均应力集中系数K=σ₂/σ₁，其中σ₁为过渡区域高应力影响范围S内覆岩平均应力值，σ₂为充填段覆岩平均应力；基于数值模拟结果，分析不同充实率η和充垮比V条件下过渡区域高应力影响范围平均应力集中系数K值；

g．以数值模拟分析结果为基础，采用First Optimization统计分析软件，多元回归得到充实率η、充垮比V与过渡区域高应力影响范围S内平均应力集中系数K的关系表达式K（η、V）。

7.如权利要求1所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述步骤6）中，

根据实际充填协同垮落式综采面充实率η₁和充垮比V₁，代入关系表达式S（η、V）与K（η、V），计算出充填协同垮落式综采面过渡区域高应力影响区域范围S₁以及覆岩平均应力集中系数K₁；根据以下公式确定过渡区域局部加强支架数量N和加强支护强度P_过：

式中：N——大于等于n的最小正整数；

f——相邻液压支架中心距；

式中：P_充——充填段充填采煤液压支架设计支护强度P_充。

8.根据权利要求1~7其中任意一项所述的一种充填协同垮落式综采面过渡区域局部强矿压控制方法，其特征在于：所述充实率η的变化范围，自然落料充填时，变化范围为40%~55%；密实充填时变化范围为55%~85%。

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