[发明专利]一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法

说明书

本发明公开了一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，该方法是分别从弱化后顶板的自稳平衡条件和沿空巷道窄煤柱的载荷两个角度考虑，根据两个不同的条件分别建立平衡方程，解得不同的切顶高度H_F、H_f，再结合工作面的实际生产状况在两者之间选一个合理的切顶高度H_q，满足：min{H_F,H_f}≤Hq≤max{H_F,H_f}。本发明基于顶板经过人工弱化后的残余强度和切缝高度范围内的顶板岩体所受的载荷的平衡关系，从荷载和经人工弱化后顶板残余强度之间的关系以及煤柱载荷和煤柱强度之间的平衡关系建立方程求解切顶高度，得到的切顶高度更加的科学合理，可以避免因切顶高度不足而造成顶板难以切落或者切顶高度太大而浪费人力物力和增加生产成本。

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，具体涉及一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法。

背景技术

煤层上方存在一层或者几层厚且坚硬的岩层，工作面回采过后，坚硬的顶板很难及时垮落，容易形成大面积的悬顶结构。我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬顶板的煤层占1/3左右，分布在50％以上的矿区。随着综合机械化长壁采煤技术的发展，有38％的综采工作面属于来压强烈的坚硬顶板，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面分布更广。一方面由于顶板不能及时垮落使得回采巷道及煤柱的附加载荷增大，巷道的维护难度增大；另一面，当悬顶的跨度达到坚硬岩层的极限跨距时，大面积悬顶突然垮落，会引起工作面岩体的剧烈震动和冲击矿压及煤与瓦斯突出等动力灾害。为了让厚层的坚硬顶板容易及时垮落，保证工作面回采安全，现场通常采用人工干预的方式控制和处理坚硬的顶板，常用的方法有爆破切顶卸压技术和水力压裂弱化切顶卸压技术。

在爆破切顶卸压和水力压裂弱化切顶卸压的工艺参数中，切顶高度的设计是至关重要的。目前主要根据煤层的采高及顶板岩层的碎胀系数确定切顶的高度，即利用岩体破碎后体积增大的性质，根据顶板岩层的碎胀系数计算切顶范围内的岩体跨落后是否能够充满采高范围内的空间来确定切顶的高度，这种方法理论上是可行的，但是由于岩体的碎胀系数较小，而大多数文献中选取的碎胀系数的大小为1.3-1.5，况且，岩层垮落被重新压实后的残余碎胀系数更小，因此用这种方法计算的切顶高度并不合理，主要体现在：①若选取的碎胀性系数太大，计算出的切顶高度不能满足切顶卸压的预期效果要求；②若选取的碎胀性系数太小，尽管可以达到预期的切顶卸压效果，但是会增加成本和劳动强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，科学合理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于煤矿切顶弱化的切顶高度的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

第一步，基于人工弱化后的岩体具有一定的强度，直接顶和基本顶自身的重量和工作面的回采引起的采动应力需要克服人工弱化带的残余抗剪强度才能跨落，设人工切顶的钻孔高度为H_F，建立平衡方程为：

(H-H_F)τ+kH_Fτ-k_ck_qγHd＝0，

解得：

式中：H为直接顶与基本顶厚度，m；γ为直接顶与基本顶平均容重，kg/m³；d为老顶的周期来压步距，m；τ为弱化后顶板岩体的残余抗剪强度，MPa；k_c为采动影响系数；k_q为上覆岩层载荷传递系数；k为切缝区顶板残余系数；

第二步，基于沿空掘巷窄煤柱上的载荷大小与煤柱强度之间的关系，设人工切顶的钻孔高度为H_f，建立平衡方程为：