[发明专利]一种小煤柱开采技术中的切顶方法

权利要求书

1.一种小煤柱开采技术中的切顶方法，其特征在于，包括以下步骤：先依据矿方提供的某巷道前期钻孔柱状图与近期钻孔探测获得的柱状图，对某巷道顶板覆岩性、赋存状态进行系统分析，选出多个切割位置；再通过巷道顶板稳定性分析及相邻巷道煤柱受力分析理论计算出每个切割位置对某巷道顶板稳定性及某巷道相邻巷道煤柱稳定性的影响，确定切割位置；在切割位置确定后，使用链臂切顶机沿确定的切割路径进行切割；

所述巷道顶板稳定性分析理论计算步骤如下：设某巷道顶板岩层在巷道内最大下沉量为E，θ₁为岩层回转角，顶板岩层在某巷道实体帮以里断裂距离为s₁，巷道高度为b，顶板悬跨长度为C，C为周期来压步距，建立围岩变形预计模型：

假定沿空顺槽围岩变形来自煤层与直接顶厚度变化及扩容，建立围岩变形量计算模型：

根据围岩变形预计模型与围岩变形量计算模型中的几何关系，可得

联立可得：

由于某巷道采用锚杆或锚索支护，所以

式中，k_延-锚杆为螺纹钢锚杆最大延伸率，取k_延-锚杆＝15％；k_延-锚索为锚索最大延伸率，取k_延-锚索＝4％；h为切顶高度；

可得

取

θ₁＝[θ₁] (7)

由于基本顶和直接顶的刚度大于煤体的刚度，则实体煤帮上边界为施加给定变形的边界，下边界及左边界可视为固定边界；实体煤帮采用锚网带支护，作用于实体煤帮的支护阻力为P，取P＝0.10MPa，建立实体煤帮力学模型，煤柱沿走向的尺寸远大于沿x，y方向上的尺寸，因此为平面应变问题，在平面应变问题中，用位移分量表示的形变势能U表达式为：

式中：E，μ分别为煤体的弹性模量和泊松比；

若弹性体位移分量u，v发生了位移边界条件所允许的微小变化u，v，则得到拉格朗日位移变分方程：

式中：X，Y均为体力分量；X，Y均为面力分量；

取位移分量u，v分别为

式中：A_m，B_m均为待定系数；u₀，v₀均为设定的能够满足边界条件的位移函数；um，vm均为在边界上等于0的函数；

将式(10)代入(9)式，可得

视为平面应变问题，根据实体煤帮力学模型，确定边界条件为：

体力分量：X＝0，Y＝0；

面力边界条件：x＝s₁时，

位移边界条件：x＝0时，u＝v＝0；y＝0时，u＝v＝0；y＝b时，v＝-xtanθ；

采用位移变分法求解，设位移分量表达式：

式中：A₁，B₁均为待定系数；

由式(12)及边界条件，得

将式(13)代入的形变势能U位移分量表达式(8)，并分别对A，B求导，得

解得A₁，B₁；

根据弹性力学，煤柱上任一点的垂直应力为

某巷道实体煤帮的平均垂直应力为

某巷道实体煤帮支撑力R₁为

顶板回转下沉过程中，顶板发生形变是水平载荷产生的主要原因之一，根据水平载荷计算中几何关系可知：

则水平载荷为：

假设某巷道顶板所受载荷均来上覆岩层自重，可得

q＝6ρ′gH (20)

式中，q为某巷道顶板所受载荷；H为开采高度，取4.4m；ρ′为某巷道顶板平均容重，取2500kg/m³；g为重力加速度，9.8N/kg；切缝扰动应小于回采扰动，扰动系数取6，

代入数据得

q＝6ρ′gH＝6×2500×9.8×4.4＝0.65MPa

Q＝q×C＝0.65×10⁶×15.0＝9.70×10³kN (21)

某巷道顶板所受力矩为

若M大于0，则某巷道围岩保持稳定；若M小于0，则需要对某巷道进行补强支护；

所述相邻巷道煤柱受力分析理论计算步骤如下：假设链臂锯切顶后相邻巷道顶板岩层在某巷道内最大下沉量为E，θ₂为岩层回转角，顶板岩层在某巷道相邻巷实体煤帮以里断裂距离为s₂，巷道高度为b，顶板最大悬跨长度为C′，C′为2倍周期来压步距，建立围岩变形预计模型，s₂为某巷道相邻巷道实体煤帮支承区宽度，取

根据围岩变形预计模型中几何关系可知：

假定沿空顺槽围岩变形来自煤层与直接顶厚度变化及扩容，建立围岩变形量计算模型，则：

根据围岩变形预计模型与围岩变形量计算模型中的几何关系，可得

联立可得：

由于某巷道相邻巷道采用锚杆或锚索支护，所以

式中，k_延-锚杆为螺纹钢锚杆最大延伸率，取k_延-锚杆＝15％；k_延-锚索为锚索最大延伸率，取k_延-锚索＝4％；h为切顶高度；

可得

取θ₂＝[θ₂]...................................(29)

同某巷道顶板稳定性分析过程中实体煤帮支承力计算过程，将θ₂代入可得某巷道相邻巷道

实体煤帮的平均垂直应力为

某巷道相邻巷道实体煤帮支撑力R₅为

由于力的作用是相互的，故水平载荷R₆为

相邻巷道顶板所受力矩为

假设某巷道相邻巷道顶板保持稳定，则有

M＝0 (34)

易知

某巷道相邻巷道实体煤帮支撑应力为

若则某巷道相邻巷道煤柱毁坏，需要加强支护；若则某巷道相邻巷道煤柱保持稳定。