專利名稱：：一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒?br>
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒ǎ瑢儆诿旱V開(kāi)采
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板初次放頂拉槽位置、拉槽深度、爆破工程量的確定和堅(jiān)硬頂板周期放頂?shù)暮侠響翼旈L(zhǎng)度確定方法的技術(shù)方案。
背景技術(shù)：
：在煤層之上直接賦存或在厚度較薄的直接頂板之上賦存有強(qiáng)度高、厚度大、整體性強(qiáng)、節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤層開(kāi)采后可在采空區(qū)大面積懸露，短期內(nèi)不易自然垮落的頂板為堅(jiān)硬頂板。長(zhǎng)壁工作面的堅(jiān)硬頂板具有初次來(lái)壓步距大，可達(dá)140m左右；周期懸頂長(zhǎng)，可達(dá)60m左右；懸空數(shù)萬(wàn)平米的堅(jiān)硬頂板一旦垮落，將對(duì)采場(chǎng)設(shè)備及對(duì)人員安全造成嚴(yán)重威脅。因此，在煤礦長(zhǎng)壁開(kāi)采中必須對(duì)堅(jiān)硬頂板的斷裂或來(lái)壓進(jìn)行有效控制。目前，改變或控制頂板來(lái)壓步距與來(lái)壓強(qiáng)度的方法有三種①超前工作面煤壁深孔爆破預(yù)裂頂板，即超前工作面一定距離，在工作面上、下巷道中向頂板打深孔，采用炸藥爆破，對(duì)堅(jiān)硬完整巖層進(jìn)行預(yù)裂，使其來(lái)壓或斷裂步距縮短；②超前工作面煤壁向堅(jiān)硬巖層預(yù)注高壓水致裂和軟化頂板，即在工作面前方預(yù)先向堅(jiān)硬巖層鉆孔實(shí)施高壓注水，利用高壓水壓裂和長(zhǎng)時(shí)間浸泡軟化堅(jiān)硬巖層，達(dá)到縮短來(lái)壓或斷裂步距的目的；③在開(kāi)采過(guò)程中，自始至終每隔數(shù)個(gè)循環(huán)在工作面控頂區(qū)的后部向堅(jiān)硬巖層鉆孔實(shí)施步距式爆破放頂，放頂步距是通過(guò)采場(chǎng)支架載荷觀測(cè)或采場(chǎng)壓力直觀顯現(xiàn)憑專家經(jīng)驗(yàn)確定，爆破深度與爆破參數(shù)是通過(guò)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定?，F(xiàn)有處理堅(jiān)硬頂板的方法存在的主要缺陷為①超前工作面預(yù)爆破和預(yù)注水弱化堅(jiān)硬巖層的方法屬于宏觀控制方法，通過(guò)預(yù)爆破和預(yù)注水，宏觀上弱化了堅(jiān)硬巖層，縮短了來(lái)壓或斷裂步距，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)壓的時(shí)間、來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度等的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制，工作面的生產(chǎn)管理始終處于被動(dòng)狀態(tài)，也不能確保安全。另外，也存在處理不當(dāng)導(dǎo)致頂板破碎冒漏和煤壁片幫，造成采場(chǎng)頂板和煤壁管理的困難。②循環(huán)步距放頂?shù)姆彭敳骄嗪头彭敻叨热狈茖W(xué)合理的計(jì)算方法，不是爆破過(guò)于頻繁，拉槽深度太大，增大頂板處理工程量，造成嚴(yán)重浪費(fèi)，就是爆破步距過(guò)大，拉槽深度太淺，起不到放頂?shù)男Ч?。③缺乏?duì)放頂工作量的分析對(duì)比，難以實(shí)現(xiàn)方法最優(yōu)和工程量最小，目前在煤礦開(kāi)采中迫切需要一種量化控制堅(jiān)硬頂板的方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒?，目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，根據(jù)堅(jiān)硬頂板及其長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采的特點(diǎn)，提供一種在煤礦開(kāi)采中量化控制堅(jiān)硬頂板放頂?shù)姆椒ǖ募夹g(shù)方案。具體來(lái)講是公開(kāi)一種煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)睦畚恢谩⒗凵疃取⒈乒こ塘康拇_定和堅(jiān)硬頂板周期放頂?shù)暮侠響翼旈L(zhǎng)度確定方法的技術(shù)方案，從而科學(xué)控制頂板來(lái)壓時(shí)間、來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度。本發(fā)明一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒?，其特征在于該方法的具體技術(shù)方案為I、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)臉O限跨距根據(jù)實(shí)際煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板工作面的估算和實(shí)測(cè)結(jié)果，通常將煤礦開(kāi)采中長(zhǎng)壁采場(chǎng)頂板初次垮落前的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為雙支點(diǎn)巖梁力學(xué)模型(見(jiàn)圖1)來(lái)計(jì)算堅(jiān)硬頂板初次斷裂的極限跨距，初次斷裂前頂板巖梁于端部受拉開(kāi)裂的力學(xué)條件為(1)式中o—lx—巖梁受到的拉應(yīng)力-巖梁許可拉應(yīng)力。梁端最大拉應(yīng)力可表示為『式中MMX為巖梁最大彎矩，Mn=1^:2。^為巖梁截面?！?206(2)，其中L。為巖梁極限跨距；q為堅(jiān)硬巖梁本身及上覆巖層傳遞的載荷，考慮上覆n層巖層對(duì)堅(jiān)硬頂板巖梁影響的載荷為(q》。，貝U(q》。為式中H-+￡A3-堅(jiān)硬頂板巖梁厚度；h"h2，硬頂板巖梁的彈性模量；E"E2，…，En——巖梁上覆各巖層彈性模容重；YpY2，，Yn~巖梁上覆各巖層容重。將式(2)代入式(l)，得(3)巖梁上覆各巖層厚度；E——堅(jiān)Y——堅(jiān)硬頂板巖梁丄0=『(4)則極限距(5)《II、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)暮侠砜刂品绞娇s短工作面初次跨落步距的控制放頂方式采用循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽或端部拉槽三種方式①循環(huán)淺孔拉槽控制放頂拉槽深度的確定循環(huán)淺孔拉槽放頂是在工作面推進(jìn)過(guò)程中每隔幾個(gè)循環(huán)沿工作面切頂線全長(zhǎng)打一排鉆孔進(jìn)行爆破放頂，以減小頂板巖梁的厚度，從而縮短極限垮落步距的控制放頂方法，循環(huán)淺孔拉槽巖梁的力學(xué)模型如圖2所示。巖梁的彎矩M="《";巖梁的截面模量『=7由式(2)式(5)得到巖梁的極限跨距丄:=式中H。L'n—(6)—淺孔拉槽放頂后剩余巖梁厚度-拉槽后頂板極限垮落步距；6a——采用淺孔循環(huán)控制放頂所導(dǎo)致的堅(jiān)硬巖梁本身及上覆巖層傳遞載荷改變系數(shù)，即—，，，--"丄)+M+…+],,一、a=-^-^-^-Do卿-7^)3+五A3+…"人3若要求拉槽后的極限垮落步距是非強(qiáng)制放頂前的1/n倍，則要求的拉槽深度&為廣1一//(8)(7)1廣f1廣1/11/7②中部拉槽控制放頂拉槽深度的確定中部拉槽放頂是通過(guò)減小巖梁中部抗彎截面模量達(dá)到中部先拉開(kāi)，從而縮短極限垮落步距的方法，設(shè)中部拉槽后的極限跨距為L(zhǎng)'。，當(dāng)工作面推進(jìn)到拉槽后極限垮落步距的1/2時(shí)，開(kāi)始打眼爆破拉槽。中部拉槽巖梁力學(xué)模型如圖3所示。開(kāi)槽處的巖梁彎距為M=24，巖梁的截面模量為『6由式(2)式(5)得14//，](9)《若要求拉槽后的極限垮落步距是非強(qiáng)制放頂前的l/n倍，則要求的拉槽深度Hk為12"1—1(10)w乂③端部拉槽控制放頂拉槽深度的確定端部拉槽控制放頂是沿工作面開(kāi)切眼煤壁全長(zhǎng)向頂板打眼爆破拉槽，通過(guò)減小巖梁端部抗彎截面模量達(dá)到端部先拉開(kāi)，從而縮短極限垮落步距的方法。拉槽后的極限跨距為L(zhǎng)'。，端部拉槽巖梁力學(xué)模型如圖4所示，開(kāi)槽處巖梁彎距M=^，開(kāi)槽處巖梁截面模量『=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>由式(2)式(5)得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>《若要求拉槽后的來(lái)壓步距是強(qiáng)制放頂前的1/n，則要求的拉槽深度&為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(12)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>III、拉槽深度和爆破工程量的確定在分別采用循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽或端部拉槽等三種方式強(qiáng)制放頂后的極限垮落步距均為強(qiáng)制放頂前的1/2的條件下，得到三種控制放頂方式所要求的爆破工程量分別為①循環(huán)淺孔拉槽的爆破工程量將n=2代入式(8)，得到循環(huán)淺孔拉槽深度為//,=//,1-丄I〕=(0.55~0.725)//式中取a=0.30.5。設(shè)循環(huán)淺孔拉槽后頂板初次垮落時(shí)的循環(huán)數(shù)為m，則其爆破工程jG丄=(0.550.725)mH②中部拉槽的爆破工程量2代入式(IO)，得到中部拉槽深度和爆破工程』③端部拉槽的爆破工程量2代入式(12)，得到端部拉槽深度和爆破工程jG丄為將n〖為G2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>通過(guò)上述分析，得到循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽三種控制放頂方式的拉槽深度或爆破工程量對(duì)比結(jié)果為端部拉槽深度或爆破工程量最小，中部拉槽次之，淺孔循環(huán)拉槽最大。如果以端部拉槽的深度或爆破工程量為1，則中部拉槽的深度或爆破工程量是端部拉槽的1.3倍，循環(huán)淺孔拉槽深度是端部拉槽深度的1.11.45倍，循環(huán)淺孔拉槽爆破工程量是端部拉槽爆破工程量的(1.11.45)m倍。因此，在堅(jiān)硬頂板初次控制放頂?shù)娜N方法中，優(yōu)先選用端部拉槽控制放頂方法。按照常規(guī)方法沿工作面開(kāi)切眼全長(zhǎng)背向工作面一側(cè)布置炮眼，確定炮眼與水平面夾角、孔徑、單孔裝藥量、裝藥長(zhǎng)度、孔距及封孔長(zhǎng)度等爆破參數(shù)，梁端離開(kāi)炮眼lm后實(shí)施爆破。IV、確定堅(jiān)硬頂板周期放頂合理懸頂長(zhǎng)度堅(jiān)硬頂板初次斷裂后，隨著工作面的向前推進(jìn)，巖梁一端固支在工作面前方煤壁上，另一端懸在采空區(qū)之上，形成懸臂巖梁結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬頂板懸臂巖梁上有三種載荷分布形式，即均布載荷、非均布載荷和集中載荷，以最為常見(jiàn)的均布載荷分布建立懸臂巖梁力學(xué)模型如圖5所示。根據(jù)圖5所示力學(xué)模型，設(shè)工作面支架對(duì)頂板的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度為[P]，支架所承受的懸臂巖梁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，L=LK+Ls，考慮懸臂巖梁在最危險(xiǎn)的情況下斷裂，即從煤壁上方切斷，得[P]=式中[p]-(13)-支架控頂距；LS——支架-工作面支架對(duì)頂板的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度；Lk-后巖梁懸頂長(zhǎng)度；L——為支架所承受的懸臂巖梁長(zhǎng)度?？刂品彭?shù)哪康氖鞘鬼敯逯芷跀嗔褧r(shí)對(duì)支架的支護(hù)強(qiáng)度P不大于支架的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度[P]，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>由此得到基于支架的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度[P]確定的堅(jiān)硬頂板合理懸頂長(zhǎng)度L為阿最后，按照常規(guī)方法，沿支架尾梁切頂線全長(zhǎng)斜向采空區(qū)側(cè)實(shí)施爆破控制頂板，確定炮孔深度、炮眼數(shù)，裝藥長(zhǎng)度、裝藥量以及封孔長(zhǎng)度等參數(shù)。本發(fā)明一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒ㄅc現(xiàn)有技術(shù)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)使堅(jiān)硬頂板控制更加科學(xué)化、定量化、準(zhǔn)確化和簡(jiǎn)單化。2)端部拉槽控制放頂方式縮短工作面初次垮落步距，拉槽深度與爆破工程量在所有堅(jiān)硬頂板控制方式中最小，而且易于操作。3)定量地給出了堅(jiān)硬頂板的初次跨落步距與拉槽深度的關(guān)系式，使堅(jiān)硬頂板的控制在理論上更進(jìn)一步完善，在工程實(shí)際應(yīng)用中更加科學(xué)地實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板控制。4)針對(duì)堅(jiān)硬頂板周期懸頂長(zhǎng)，基于工作面支架的設(shè)計(jì)工作阻力，推導(dǎo)了頂板周期斷裂的合理懸頂長(zhǎng)度與工作面支架設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度及上覆巖層載荷和工作面控頂距之間的關(guān)系式，得出了堅(jiān)硬頂板巖梁合理懸頂長(zhǎng)度的確定方法。圖1為頂板初次斷裂前的巖梁力學(xué)模型示意圖。圖2為懸循環(huán)淺孔拉槽巖梁力學(xué)模型示意圖。圖3為中部拉槽巖梁力學(xué)模型示意圖。圖4為端部拉槽巖梁力學(xué)模型示意圖。圖5為懸臂巖梁力學(xué)模型示意圖。圖中堅(jiān)硬頂板1、煤層2、工作面支架3、采高M(jìn)、頂板厚度H、拉槽深度H。頂板巖梁殘留深度H。拉槽后頂板極限跨距L'。、頂板及頂板上覆巖層載荷q、支架控頂距!^、懸頂長(zhǎng)度k、支架支護(hù)強(qiáng)度P。具體實(shí)施方式實(shí)施方式1以晉城七嶺煤礦為例。該礦15102工作面長(zhǎng)150m，采高2m，循環(huán)進(jìn)度0.8m。煤厚1.82.2m，平均厚度2m，含夾矸12層。煤層頂板為強(qiáng)度高、厚度大、裂隙不發(fā)育的K2石灰?guī)r，平均單軸抗壓強(qiáng)度為96.77MPa，抗拉強(qiáng)度為8.59MPa，彈性模量為35.4GPa。堅(jiān)硬頂板巖梁厚8.16m。煤層底板為泥巖或鋁土泥巖。工作面采用四柱式支撐掩護(hù)式支架，支架設(shè)計(jì)額定工作阻力6075KN/架，設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度為900KN/tf，支架控頂距為4.5m。工作面煤與頂板巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表115#煤與頂板巖石力學(xué)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>1、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)臉O限跨距1)堅(jiān)硬巖梁及其上覆巖層載荷q值的確定將表1所示的測(cè)試結(jié)果代入式(3)，得堅(jiān)硬巖梁本身的載荷q。為q0=YH=27X8.16=220.32kNm—2考慮上覆第1層對(duì)堅(jiān)硬巖梁的作用，則W〃。五//3+^32>《?？紤]上覆第2層對(duì)堅(jiān)硬巖梁的作用，則附〉、《(^3^=考慮上覆第3層對(duì)堅(jiān)硬巖梁的作用，則肌3+W+z2/22+A)349kNm做3+￡2/223+￡3/733由于(q3)。<")。，則以(q入作為作用于堅(jiān)硬巖梁上的載荷。2)由已知條件可知，堅(jiān)硬頂板巖梁厚度H=8.16m，[。]=8.59MPa，q=(q2)。=將數(shù)據(jù)帶入公式(5)可得15號(hào)煤頂板的極限跨落步距為為51.2m。n、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)暮侠砜刂品绞郊氨茀?shù)按端部拉槽方式處理頂板初次垮落步距為極限跨距的一半(即處理后的頂板極限跨距為26m，n=2)，由公式(12)可計(jì)算出采用端部拉槽的拉槽深度和爆破工程量為4.08m。其端部拉槽爆破參數(shù)為沿工作面開(kāi)切眼全長(zhǎng)背向工作面一側(cè)布置炮眼，炮眼與水平面夾角70°，與工作面推進(jìn)方向的水平轉(zhuǎn)角為180°。炮眼間距3.0m，眼深4.3m。采用YGZ-90型鉆機(jī)打眼，炮眼總計(jì)50個(gè)，總長(zhǎng)度215m，總裝藥量150kg。當(dāng)梁端離開(kāi)炮眼lm后實(shí)施爆破，爆破的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。表2爆破的主要技術(shù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>III、確定堅(jiān)硬頂板周期放頂合理懸頂長(zhǎng)度及爆破參數(shù)1)合理懸頂長(zhǎng)度的確定將上相關(guān)參數(shù)代入式(15)，得工作面合理懸頂長(zhǎng)度為7.22m，循環(huán)進(jìn)度0.8m，工作面每推進(jìn)9個(gè)循環(huán)，即7.2m控制放頂一次。2)處理懸頂爆破參數(shù)工作面每隔9個(gè)循環(huán)沿支架尾梁沿切頂線全長(zhǎng)斜向采空區(qū)布置炮眼?？咨?.7m，裝藥長(zhǎng)度5.6m，裝藥量6.0kg/孔，封孔長(zhǎng)度3.lm。其余爆破參數(shù)同表2。本發(fā)明的方法可廣泛應(yīng)用于各類煤礦堅(jiān)硬頂板的控制，上述公式應(yīng)用及爆破參數(shù)的確定要結(jié)合堅(jiān)硬頂板的具體情況，應(yīng)考慮到頂板巖性的裂隙、層理以及頂板的厚度等具體情況，做到更加精準(zhǔn)的控制頂板。實(shí)施方式2按中部拉槽方式處理頂板初次垮落步距為極限跨距的一半(即處理后的頂板極限跨距為26m，n=2)，由公式(10)可計(jì)算出采用中部拉槽的拉槽深度和爆破工程量為5.27m;其爆破主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。表3爆破的主要技術(shù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>其它同實(shí)施方式l。實(shí)施方式3按循環(huán)淺孔拉槽方式處理頂板初次垮落步距為極限跨距的一半(即處理后的頂板極限跨距為26m，n=2)，由公式(8)可計(jì)算出采用循環(huán)淺孔拉槽的拉槽深度為5.57m(a=0.4)，循環(huán)淺孔拉槽處理頂板的循環(huán)數(shù)m>1，則其爆破工程量為5.57m，其爆破主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。表4爆破的主要技術(shù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>其它同實(shí)施方式l。權(quán)利要求一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟谠摲椒ǖ木唧w技術(shù)方案為I、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)臉O限跨距根據(jù)實(shí)際煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板工作面的估算和實(shí)測(cè)結(jié)果，通常將煤礦開(kāi)采中長(zhǎng)壁采場(chǎng)頂板初次垮落前的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為雙支點(diǎn)巖梁力學(xué)模型來(lái)計(jì)算堅(jiān)硬頂板初次斷裂的極限跨距，初次斷裂前頂板巖梁于端部受拉開(kāi)裂的力學(xué)條件為σmax＝[σ](1)式中σmax——巖梁受到的拉應(yīng)力；[σ]——巖梁許可拉應(yīng)力梁端最大拉應(yīng)力可表示為<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>M</mi><mi>max</mi></msub><mi>W</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中Mmax為巖梁最大彎矩，W為巖梁截面模量，其中L0為巖梁極限跨距；q為堅(jiān)硬巖梁本身及上覆巖層傳遞的載荷，考慮上覆n層巖層對(duì)堅(jiān)硬頂板巖梁影響的載荷為(qn)0，則(qn)0為<mrow><msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>EH</mi><mn>3</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>γH</mi><mo>+</mo><msub><mi>γ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub><mi>γ</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>h</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mi>EH</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>h</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub><msubsup><mi>h</mi><mi>n</mi><mn>3</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中H——堅(jiān)硬頂板巖梁厚度；h1，h2，…，hn——巖梁上覆各巖層厚度；E——堅(jiān)硬頂板巖梁的彈性模量；E1，E2，…，En——巖梁上覆各巖層彈性模量；γ——堅(jiān)硬頂板巖梁容重；γ1，γ2，…，γn——巖梁上覆各巖層容重將式(2)代入式(1)，得<mrow><mo>[</mo><mi>σ</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>M</mi><mi>max</mi></msub><mi>W</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>則極限跨距為<mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>2</mn><mi>H</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>[</mo><mi>σ</mi><mo>]</mo></mrow><mi>q</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>II、確定堅(jiān)硬頂板初次放頂?shù)暮侠砜刂品绞娇s短工作面初次跨落步距的控制放頂方式采用循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽或端部拉槽三種方式①循環(huán)淺孔拉槽控制放頂拉槽深度的確定循環(huán)淺孔拉槽放頂是在工作面推進(jìn)過(guò)程中每隔幾個(gè)循環(huán)沿工作面切頂線全長(zhǎng)打一排鉆孔進(jìn)行爆破放頂，以減小頂板巖梁的厚度，從而縮短極限垮落步距的控制放頂方法，按照循環(huán)淺孔拉槽巖梁的力學(xué)模型巖梁的彎矩巖梁的截面模量由式(2)～式(5)得到巖梁的極限跨距<mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>0</mn><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mn>2</mn><mi>H</mi></mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>[</mo><mi>σ</mi><mo>]</mo></mrow><mi>αq</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中Hc——淺孔拉槽放頂后剩余巖梁厚度；L′0——拉槽后頂板極限垮落步距；α——采用淺孔循環(huán)控制放頂所導(dǎo)致的堅(jiān)硬巖梁本身及上覆巖層傳遞載荷改變系數(shù)，即<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>L</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup><mo>[</mo><mi>γ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>L</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>γ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub><mi>γ</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>h</mi><mi>n</mi></msub><mo>]</mo></mrow><mrow><mi>E</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>L</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>h</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub><msubsup><mi>h</mi><mi>n</mi><mn>3</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>/</mo><msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>若要求拉槽后的極限垮落步距是非強(qiáng)制放頂前的1/n倍，則要求的拉槽深度Hl為<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><msqrt><mi>α</mi></msqrt><mi>H</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><msqrt><mi>α</mi></msqrt><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>②中部拉槽控制放頂拉槽深度的確定中部拉槽放頂是通過(guò)減小巖梁中部抗彎截面模量達(dá)到中部先拉開(kāi)，從而縮短極限垮落步距的方法，設(shè)中部拉槽后的極限跨距為L(zhǎng)′0，當(dāng)工作面推進(jìn)到拉槽后極限垮落步距的1/2時(shí)，開(kāi)始打眼爆破拉槽，按照中部拉槽巖梁力學(xué)模型開(kāi)槽處的巖梁彎距為巖梁的截面模量為由式(2)～式(5)得<mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>0</mn><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mn>4</mn><mi>H</mi></mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>[</mo><mi>σ</mi><mo>]</mo></mrow><mi>q</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>要求拉槽后的極限垮落步距是非強(qiáng)制放頂前的1/n倍，則要求的拉槽深度Hlz為<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>n</mi></mrow></mfrac><mi>H</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>10</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>③端部拉槽控制放頂拉槽深度的確定端部拉槽控制放頂是沿工作面開(kāi)切眼煤壁全長(zhǎng)向頂板打眼爆破拉槽，通過(guò)減小巖梁端部抗彎截面模量達(dá)到端部先拉開(kāi)，從而縮短極限垮落步距的方法，拉槽后的極限跨距為L(zhǎng)′0，按照端部拉槽巖梁力學(xué)模型，開(kāi)槽處巖梁彎距開(kāi)槽處巖梁截面模量由式(2)～式(5)得<mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>0</mn><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mn>2</mn><mi>H</mi></mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>[</mo><mi>σ</mi><mo>]</mo></mrow><mi>q</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>11</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>要求拉槽后的來(lái)壓步距是強(qiáng)制放頂前的1/n，則要求的拉槽深度Hl為<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mi>H</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>12</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>III、拉槽深度和爆破工程量的確定在分別采用循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽或端部拉槽等三種方式強(qiáng)制放頂后的極限垮落步距均為強(qiáng)制放頂前的1/2的條件下，得到三種控制放頂方式所要求的爆破工程量分別為①循環(huán)淺孔拉槽的爆破工程量將n＝2代入式(8)，得到循環(huán)淺孔拉槽深度為<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><msqrt><mi>α</mi></msqrt><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mn>0.55</mn><mo>~</mo><mn>0.725</mn><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi></mrow>式中取α＝0.3～0.5設(shè)循環(huán)淺孔拉槽后頂板初次垮落時(shí)的循環(huán)數(shù)為m，則其爆破工程量G1為G1＝(0.55～0.725)mH②中部拉槽的爆破工程量將n＝2代入式(10)，得到中部拉槽深度和爆破工程量為G2<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0.65</mn><mi>H</mi></mrow>③端部拉槽的爆破工程量將n＝2代入式(12)，得到端部拉槽深度和爆破工程量為G3<mrow><msub><mi>H</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0.5</mn><mi>H</mi></mrow>IV、確定堅(jiān)硬頂板周期放頂合理懸頂長(zhǎng)度堅(jiān)硬頂板初次斷裂后，隨著工作面的向前推進(jìn)，巖梁一端固支在工作面前方煤壁上，另一端懸在采空區(qū)之上，形成懸臂巖梁結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬頂板懸臂巖梁上有三種載荷分布形式，即均布載荷、非均布載荷或集中載荷，以最為常見(jiàn)的均布載荷分布建立懸臂巖梁力學(xué)模型，設(shè)工作面支架對(duì)頂板的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度為[P]，支架所承受的懸臂巖梁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，L＝LK+LS，考慮懸臂巖梁在最危險(xiǎn)的情況下斷裂，即從煤壁上方切斷，得<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>[</mo><mi>P</mi><mo>]</mo><msubsup><mi>L</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>q</mi><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mo>[</mo><mi>P</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mfrac><msup><mrow><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>S</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>L</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>13</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中[P]——工作面支架對(duì)頂板的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度；LK——支架控頂距；LS——支架后巖梁懸頂長(zhǎng)度；L——為支架所承受的懸臂巖梁長(zhǎng)度控制放頂?shù)哪康氖鞘鬼敯逯芷跀嗔褧r(shí)對(duì)支架的支護(hù)強(qiáng)度P不大于支架的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度[P]，即<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mi>q</mi></mrow><msubsup><mi>L</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup></mfrac><mo>≤</mo><mo>[</mo><mi>P</mi><mo>]</mo></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mi>S</mi></msub><mo>≤</mo><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msqrt><mfrac><mrow><mo>[</mo><mi>P</mi><mo>]</mo></mrow><mi>q</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>14</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>由此得到基于支架的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度[P]確定的堅(jiān)硬頂板合理懸頂長(zhǎng)度L為<mrow><mi>L</mi><mo>≤</mo><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><msqrt><mfrac><mrow><mo>[</mo><mi>P</mi><mo>]</mo></mrow><mi>q</mi></mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>15</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>最后，按照常規(guī)方法沿工作面開(kāi)切眼全長(zhǎng)背向工作面一側(cè)布置炮眼，確定炮眼與水平面夾角、孔徑、單孔裝藥量、裝藥長(zhǎng)度、孔距及封孔長(zhǎng)度，梁端離開(kāi)炮眼1m后實(shí)施爆破。F200910075862XC0000012.tif,F200910075862XC0000013.tif,F200910075862XC0000022.tif,F200910075862XC0000023.tif,F200910075862XC0000031.tif,F200910075862XC0000032.tif,F200910075862XC0000035.tif,F200910075862XC0000036.tif全文摘要一種用于煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)姆椒ǎ瑢儆诿旱V開(kāi)采
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板控制放頂?shù)牧炕椒?，主要包括?jiān)硬頂板初次放頂拉槽位置、拉槽深度、爆破工程量的確定和堅(jiān)硬頂板周期放頂?shù)暮侠響翼旈L(zhǎng)度確定方法的技術(shù)方案。該方法控制放頂方式縮短工作面初次垮落步距，拉槽深度與爆破工程量在所有堅(jiān)硬頂板控制方式中最小，而且易于操作；定量地給出了堅(jiān)硬頂板的初次跨落步距與拉槽深度的關(guān)系式；基于工作面支架的設(shè)計(jì)工作阻力，得出了堅(jiān)硬頂板巖梁合理懸頂長(zhǎng)度的確定方法，使堅(jiān)硬頂板控制更加科學(xué)化、定量化、準(zhǔn)確化和簡(jiǎn)單化，可廣泛應(yīng)用于各種類型煤礦開(kāi)采中堅(jiān)硬頂板放頂控制中。文檔編號(hào)E21C41/16GK101705821SQ20091007586公開(kāi)日2010年5月12日申請(qǐng)日期2009年10月29日優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日發(fā)明者康天合,王東,王開(kāi)申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)