[发明专利]一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别与防冲开采方法

权利要求书

1.一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、依据地表沉陷统计规律，得到孤岛工作面两侧不对称覆岩空间分布特征，并利用微震监测结果结合砾岩物理力学特性，揭示砾岩对工作面上覆岩层活动的控制影响；

S2、将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”；分析不同区域内的覆岩对孤岛工作面的应力传递规律，建立不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型；

S3、根据工作面煤体不同深度条件下的煤体破坏应力条件，提出煤体冲击失稳分析方法，建立工作面“当量采深-工作面破坏程度-平均支承压力”之间的关系，并据此判别不对称孤岛工作面发生冲击失稳的可能性；

所述步骤S3中，关于煤层冲击失稳判断：

当采掘空间周围“煤-岩”系统的压力达到或者超过煤体冲击地压发生的临界压力水平时，“煤-岩”就可能发生冲击破坏；根据压力条件，冲击地压对应描述为：

式(10)中，σ*为“煤-岩”系统发生冲击的临界压力；

煤体冲击破坏的临界压力：

σ*＝ηR_C 式(11)；

式(11)中，R_C为煤体单轴抗压强度；η为不同围压条件下的综合抗压系数；

由于发生冲击地压的煤层单轴抗压强度为15～25MPa，工作面巷道周边煤体平均支承压力大于煤体单轴抗压强度1.5倍，是发生冲击地压的临界值，因此，冲击地压发生条件转化为：

采前工作面深部煤体相对完整，煤体处于三向应力状态下，此时综合抗压系数达到最大值η_max≈4，即当工作面煤体平均支承压力达到4R_C时，煤体就会整体发生失稳破坏；据此，建立孤岛工作面破坏程度U与当量开采深度H′及工作面平均支承压力之间关系，并采用模糊函数表示：

式(13)中，U₁、U₂分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；为工作面平均支承压力，取作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，H_c、H_s为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度；

据此，U＜0.375，工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。

2.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述不对称孤岛工作面具体为巨厚砾岩条件下的不对称孤岛工作面。

3.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S2中，采区地表设置的地表沉降观测线南北走向分布，沿矿井勘探线钻孔布置，通过监测钻孔孔口标高变化，反映开采与地面沉降关系；当工作面开采完毕，地表经过成分充分沉降后，得到地表实测沉降曲线；用开采尺寸与开采深度比值D/H表示采动程度，D/H结果越大表明采动程度越大；据此，将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”。

4.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S2中，不对称孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加；根据地表沉降和微震监测结果，“超充分采动区”范围内上覆岩层从采空区顶板直至地表的岩层完全垮落，覆岩重力全部作用在采空区上；“充分采动过渡区”内关键岩层破断后，从触矸点到和破裂线位置之间的破断岩块相互“咬合”形成铰接岩梁结构，这部分岩层重力一半作用在矸石，另一半重力通过破裂位置传递给孤岛工作面，形成覆岩传递应力；“非充分采动区”上方岩层受煤体直接“支撑”作用，以及采空区一侧上覆岩层悬顶作用，地表没有发生沉降，煤体承受其上覆岩层重量以及一侧采上方悬顶的岩层重量的一半。