專利名稱：一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，尤其涉及在具有動(dòng)力現(xiàn)象的礦井中，應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法。
背景技術(shù)：
煤炭行業(yè)屬于傳統(tǒng)的高危行業(yè)，各種災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。近年來(lái)，包括煤與瓦斯突出、沖擊地壓和礦震在內(nèi)的礦井動(dòng)力現(xiàn)象成為威脅煤礦的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的724處國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，高瓦斯礦井達(dá)到152處，占總數(shù)的21%;煤與瓦斯突出的礦井154處，占總數(shù)的21. 3%，并且達(dá)到全世界的1/3。另外，我國(guó)910處大型煤礦中具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤礦47處，占總數(shù)的5. 16%。截止到2003年已有102處煤礦發(fā)生過(guò)礦震。
我國(guó)目前礦井的平均開(kāi)采深度遞增速度為8_12m/年，東部的一些礦井更是達(dá)到了 10-25m/年的延深速度，這一現(xiàn)狀決定了我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的礦井已經(jīng)或者即將進(jìn)入深部開(kāi)采范疇，而且，埋深1000米以下探明的煤炭資源儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的53%。與淺部開(kāi)采相比，深部巖體構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜，表現(xiàn)為“煤與瓦斯突出、沖擊地壓以及礦震”等動(dòng)力現(xiàn)象產(chǎn)生的災(zāi)害在強(qiáng)度上加劇、頻率上升高，將會(huì)制約我國(guó)煤炭工業(yè)的安全、高效以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。因此，為了保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展，深部開(kāi)采帶來(lái)的制約煤礦安全、高效以及集約化開(kāi)采的動(dòng)力現(xiàn)象需要得到盡快的解決。這就要求必須揭示動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及應(yīng)用合理化的解危措施。多年來(lái)研究人員致力于探索動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理、沖擊傾向性指標(biāo)確定以及動(dòng)力現(xiàn)象的預(yù)報(bào)和防治工作，提出了多種理論模型，包括剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向理論以及變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論等。概括上述研究成果，認(rèn)為動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的主要共性影響因素之一為構(gòu)造及其產(chǎn)生的應(yīng)力，而針對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生，目前研究工作的重點(diǎn)均集中在煤巖作為材料體失穩(wěn)的條件上，而沒(méi)有從改善動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生時(shí)能量的來(lái)源上進(jìn)行主動(dòng)防治的研究。因此，確定礦井動(dòng)力現(xiàn)象的能量來(lái)源(構(gòu)造及其應(yīng)力分布)并提出針對(duì)性的防治措施對(duì)于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防治具有重要的意義。對(duì)于能量的來(lái)源問(wèn)題，俄羅斯H. M.佩圖霍夫教授和H. M.巴圖金娜教授在1978-1979年期間建立了區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法，認(rèn)為影響礦井動(dòng)力現(xiàn)象的因素是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其空間分布的非均勻性，礦井動(dòng)力現(xiàn)象多發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力梯度區(qū)內(nèi)，可部分解釋礦井動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)分布的不均勻性，受到地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的影響和控制。綜合區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的應(yīng)用以及目前動(dòng)力現(xiàn)象的研究，認(rèn)為區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法為從源頭解決動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生提供了可能性，但是目前的應(yīng)用卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而且仍然忽略了工程技術(shù)因素對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的重要作用
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出了一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法，使用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的結(jié)果控制礦井動(dòng)力來(lái)源，指導(dǎo)處于不同階段的礦井采用最合理的方式進(jìn)行生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)礦井動(dòng)力災(zāi)害的主動(dòng)防治。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法，其中，所述方法包括以下步驟a、根據(jù)地質(zhì)勘探資料，使用已有方法確定開(kāi)采的工程技術(shù)方案；b、采用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法進(jìn)行斷塊識(shí)別與斷裂劃分；C、根據(jù)區(qū)域動(dòng)力劃分出的斷塊及斷裂對(duì)步驟a確定的工程技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案；d、對(duì)礦井進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量；e、根據(jù)步驟c得到的改進(jìn)的工程技術(shù)方案和步驟d得到的地應(yīng)力，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件FLAC3d對(duì)工程背景的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案分別對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況和分布范圍；f、對(duì)步驟e得到的應(yīng)力分布進(jìn)行劃分，通過(guò)對(duì)比各改進(jìn)的工程技術(shù)方案的應(yīng)力分布值及分布范圍的大小，確定最優(yōu)方案；g、根據(jù)步驟f得到的最優(yōu)方案，劃分出步驟f得到的最優(yōu)方案對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)進(jìn)行防治。進(jìn)一步，在步驟c中，當(dāng)?shù)V井處于設(shè)計(jì)或建設(shè)初期，對(duì)現(xiàn)有工程技術(shù)方案的改進(jìn)包括開(kāi)拓方式的改進(jìn)和采煤方法的改進(jìn)；當(dāng)?shù)V井處于建設(shè)的中、后期，對(duì)現(xiàn)有工程技術(shù)方案的改進(jìn)僅包括采煤方法的改進(jìn)。進(jìn)一步，在步驟c中，得到的多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案為3-6個(gè)。進(jìn)一步，在步驟f中對(duì)比各方案應(yīng)力分布值及分布范圍的大小，當(dāng)最大應(yīng)力分布值的差大于或等于5%，則應(yīng)選取最大應(yīng)力分布值相對(duì)最小的方案作為最優(yōu)方案；如果最大應(yīng)力分布值的差小于5%，則應(yīng)進(jìn)一步比較最大應(yīng)力分布值的分布范圍，選取分布范圍相對(duì)最小的方案作為最優(yōu)方案。進(jìn)一步，在步驟g中，將危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)劃分出來(lái)時(shí)，在區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布值從高到低的分布范圍達(dá)到總范圍的20%時(shí)，將該20%的分布范圍作為危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)。進(jìn)一步，在步驟g中，當(dāng)在應(yīng)用的礦井或相鄰礦井已經(jīng)發(fā)生過(guò)沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象，那么根據(jù)該沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的地點(diǎn)，從軟件的模擬結(jié)果中找出該地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布值，并將該值作為沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的臨界值，進(jìn)而劃分出危險(xiǎn)和威脅區(qū)。進(jìn)一步，所述開(kāi)拓方式的改進(jìn)包括開(kāi)采解放層對(duì)于沖擊礦井，如果有解放層，應(yīng)先期開(kāi)采解放層，對(duì)于不是沖擊型的礦井，或者無(wú)解放層的礦井不做調(diào)整；開(kāi)采方向在本煤層開(kāi)采中，根據(jù)斷裂的方向，采用與斷裂方向平行的開(kāi)采方向，在存在交叉的斷裂時(shí)，開(kāi)采方向應(yīng)與交叉斷裂中的主要斷裂平行；開(kāi)采范圍在本煤層開(kāi)采中，在斷裂影響范圍內(nèi)，留設(shè)一定寬度的安全煤柱不采；開(kāi)采順序根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，應(yīng)采用單向開(kāi)采。進(jìn)一步，所述采煤方法的改進(jìn)包括巷道布置的改進(jìn)和回采工藝的改進(jìn)，所述巷道布置的改進(jìn)包括巷道形狀，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，將巷道頂部設(shè)計(jì)為拱形；巷道尺寸，可以沿用第一步確定的工程技術(shù)方案的巷道尺寸設(shè)計(jì)，不做調(diào)整；巷道支護(hù)方式，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，采取柔性支護(hù)；煤柱留設(shè)，當(dāng)?shù)谝徊酱_定的工程技術(shù)方案中設(shè)有煤柱時(shí)，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，將斷裂布置在煤柱內(nèi)部，以斷裂作為相鄰兩工作面分界處的留設(shè)煤柱；所述回采工藝的改進(jìn)包括推進(jìn)速度，對(duì)于放頂煤、大采高以及分層開(kāi)采第一分層的工作面，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，在原工作面推進(jìn)速度的基礎(chǔ)上降低推進(jìn)速度，對(duì)于其它情況的不做調(diào)整；回采支護(hù)方式，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，優(yōu)選采用具有良好伸縮性的支護(hù)設(shè)備，比如液壓支架；頂板管理，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，采用刀柱法還是充填法對(duì)斷裂區(qū)域進(jìn)行支撐。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明使用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的結(jié)果，建立區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃在礦井中的應(yīng)用方法，結(jié)合區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃提出工程技術(shù)方案，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)力分布，選擇出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生幾率最小的最佳方案，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行防治，從而改善了區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)認(rèn)為技術(shù)因素的改進(jìn)，控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃與采礦工程的結(jié)合，指導(dǎo)處于不同階段的礦井采用合理的方式進(jìn)行生產(chǎn)，以及對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行主動(dòng)防治。


圖I為本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面以本發(fā)明所述方法在煤炭生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并不因此而受到任何限制。如圖I所示，本發(fā)明提出的一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，使用已有方法確定開(kāi)采的工程技術(shù)方案。礦山開(kāi)采需要考慮自然因素和工程技術(shù)因素，其中自然因素包括斷裂劃分、頂板巖性、煤層結(jié)構(gòu)、煤層傾角、煤層厚度和開(kāi)采深度；工程技術(shù)因素包括開(kāi)拓方式和采煤方法，而開(kāi)拓方式進(jìn)一步涉及開(kāi)采解放層、開(kāi)采方向、開(kāi)采范圍和開(kāi)采順序；采煤方法進(jìn)一步涉及巷道布置和回采工藝，其中巷道布置又包括巷道形狀、巷道尺寸、巷道支護(hù)方式和煤柱留設(shè)，同時(shí)回采工藝包括推進(jìn)速度、回采支護(hù)方式和頂板管理。在地質(zhì)勘探資料的基礎(chǔ)上，使用已有方法提出開(kāi)采的工程技術(shù)方案為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。例如，遵循以下原則提出開(kāi)拓方式①貫徹執(zhí)行國(guó)家有關(guān)煤炭工業(yè)的技術(shù)政策，在保證生產(chǎn)可靠和安全的前提條件下，減少開(kāi)拓工程量，尤其是減少初期建設(shè)工程量，節(jié)約基建投資，加快礦井建設(shè)；②合理集中開(kāi)拓部署，簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，避免生產(chǎn)分散，做到合理集中生產(chǎn)合理開(kāi)發(fā)資源，減少煤炭損失建立完善的生產(chǎn)系統(tǒng)，使主要井巷保持在良好的實(shí)用和維護(hù)狀態(tài)；⑤適應(yīng)當(dāng)前國(guó)家的技術(shù)水平和設(shè)備供應(yīng)情況，并為采用新技術(shù)、新工藝、發(fā)展采煤機(jī)械化、綜合機(jī)械化、自動(dòng)化創(chuàng)造條件。例如，主要依據(jù)地質(zhì)因素以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素選擇采煤方法。具體地，煤層傾角及變化直接影響采煤工作面的落煤方法、運(yùn)煤方式、采場(chǎng)支護(hù)和采空區(qū)處理等的選擇，也直接影響巷道布置、運(yùn)輸、通風(fēng)及采煤方法各種參數(shù)的確定。采煤方法隨煤層傾角加大而逐漸趨于困難；煤層厚度影響采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)選擇、裝備能否充分發(fā)揮作用及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，薄煤層及中厚煤層通常采用一次采全厚采煤法，厚煤層及特厚煤層可以采用分層開(kāi)采，也可采用大采高或放頂煤采煤法；煤層及圍巖巖性反映煤層特征的軟硬程度及結(jié)構(gòu)特征、圍巖的穩(wěn)定性等，直接影響到采煤機(jī)械、采煤工藝以及采空區(qū)處理方法的選擇。煤層及圍巖性質(zhì)還直接影響巷道布置及維護(hù)方法，也影響采區(qū)、盤(pán)區(qū)或帶區(qū)中各種參數(shù)的確定；對(duì)于煤層地質(zhì)構(gòu)造及可采塊段大小，當(dāng)埋藏條件穩(wěn)定、開(kāi)采塊段較大的煤層有利于綜采；埋藏條件不穩(wěn)定，煤層構(gòu)造較復(fù)雜宜用普采；開(kāi)采塊段內(nèi)走向斷層多時(shí)，宜采用走向長(zhǎng)壁采煤法；煤層傾角小，而傾斜斷層多時(shí)，宜采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法；對(duì)于煤層的含水性、瓦斯涌出量及煤的自燃傾向性，當(dāng)煤層及圍巖含水量大時(shí)，需要在采煤之前預(yù)先疏干，或在采煤過(guò)程中布置排水及疏水系統(tǒng)。而煤層含瓦斯量大時(shí)，要布置預(yù)抽瓦斯的巷道，同時(shí)，采煤工作面通風(fēng)應(yīng)采取措施。煤層的自燃傾向性及發(fā)火期直接影響巷道布置、巷道維護(hù)方法和采煤工作面推進(jìn)方向，決定是否需要采取防火灌漿措施或選用充填采煤法。此外，還有經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素。以上均為本領(lǐng)域常見(jiàn)技術(shù)，這里便不再詳述。第二步，采用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法對(duì)開(kāi)采區(qū)域礦山巖體進(jìn)行斷塊識(shí)別與斷裂劃分。 例如，依據(jù)公開(kāi)出版文獻(xiàn)《地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃》(ISBN978-1-5020-3540-2)中區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法對(duì)礦山巖體進(jìn)行斷塊識(shí)別與斷裂劃分，礦山巖體的斷塊可以利用地貌構(gòu)造分析查明，以斷塊沿著處在不同深度、不同時(shí)代的斷裂帶體系的垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分。第三步，根據(jù)區(qū)域動(dòng)力劃分出的斷塊及斷裂對(duì)第一步確定的工程技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案，比如3-6個(gè)。然而在現(xiàn)有的采礦工作中，根據(jù)地質(zhì)勘探出的斷裂，一般用于井田邊界或者是采區(qū)邊界的劃分，而對(duì)于影響工作面的小型斷裂以及斷裂的生長(zhǎng)情況預(yù)先無(wú)法掌握。而應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃可以查明潛在的斷裂結(jié)構(gòu)，這與地質(zhì)勘探上得到的斷裂具有不同的性質(zhì)，具有生長(zhǎng)的特點(diǎn)，可稱為活斷裂，屬于大的斷裂構(gòu)造的衍生。由于自然因素是客觀存在的，可以通過(guò)地質(zhì)勘探以及區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法查明，屬于不變因素；而工程技術(shù)因素理論上可以通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，在實(shí)際生產(chǎn)中需要結(jié)合礦井所處的具體階段加以考慮當(dāng)?shù)V井處于設(shè)計(jì)或建設(shè)初期(即礦井開(kāi)拓系統(tǒng)，包括井筒、井底車(chē)場(chǎng)、主要運(yùn)輸大巷以及主要回風(fēng)大巷，尚未完成)，開(kāi)拓方式可以調(diào)整的，則整個(gè)工程技術(shù)因素(開(kāi)拓方式和采煤方法)為可變因素，因此對(duì)工程技術(shù)方案的改進(jìn)應(yīng)包括開(kāi)拓方式的改進(jìn)和采煤方法的改進(jìn)；當(dāng)?shù)V井處于建設(shè)的中、后期(即開(kāi)拓系統(tǒng)已經(jīng)完成，例如正在布置采區(qū)或準(zhǔn)備巷道)，整體的開(kāi)拓方式已經(jīng)形成，無(wú)法做出調(diào)整時(shí)，則開(kāi)拓方式為不變因素，此時(shí)，采煤方法的調(diào)整較為容易，因此將采煤方法始終作為可變因素，即對(duì)已經(jīng)形成開(kāi)拓系統(tǒng)的礦井，對(duì)工程技術(shù)方案的改進(jìn)僅包括采煤方法的改進(jìn)。因此，為了使用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的結(jié)果指導(dǎo)處于不同階段的礦井采用最合理的方式進(jìn)行生產(chǎn)，控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源，從而實(shí)現(xiàn)礦井動(dòng)力災(zāi)害的主動(dòng)防治，還需要結(jié)合區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃成果對(duì)工程技術(shù)方案進(jìn)一步加以改進(jìn)。為了描述方便，下文中提到的斷裂均指區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃劃分出的斷裂。具體地，在改進(jìn)開(kāi)拓方式時(shí)，充分考慮區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃劃分出的斷裂的影響，使主要井巷保持在良好的實(shí)用和維護(hù)狀態(tài)。其中，開(kāi)拓方式的改進(jìn)包括(I)開(kāi)采解放層對(duì)于沖擊礦井，如果有解放層，應(yīng)先期開(kāi)采解放層，對(duì)于不是沖擊型的礦井，或者無(wú)解放層的礦井可不做改進(jìn)；(2)開(kāi)采方向在本煤層開(kāi)采中，根據(jù)斷裂的方向，采用與斷裂方向平行的開(kāi)采方向，在存在交叉的斷裂時(shí)，開(kāi)采方向應(yīng)與交叉斷裂中的主要斷裂(即這些斷裂中影響范圍最大的斷裂)平行，以避免掘進(jìn)或開(kāi)采過(guò)程中，采動(dòng)應(yīng)力與斷裂應(yīng)力產(chǎn)生疊加；(3)開(kāi)采范圍在本煤層開(kāi)采中，應(yīng)根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，留設(shè)一定寬度的安全煤柱不采，避免造成工作面礦山壓力的大幅度升高，而發(fā)生沖擊地壓，其中，根據(jù)斷裂得出斷裂影響范圍為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬或?qū)嶒?yàn)室模擬得出斷裂影響范圍，具體的模擬過(guò)程為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，此處便不再詳述；(4)開(kāi)采順序根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，應(yīng)采用單向開(kāi)采，以避免雙翼采區(qū)內(nèi)出現(xiàn)相向開(kāi)采的情況?？傮w說(shuō)來(lái)，在本煤層開(kāi)采中，確定的開(kāi)采方向、開(kāi)采范圍以及開(kāi)采順序，應(yīng)與斷裂形成的構(gòu)造應(yīng)力平行，避免出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。同樣，在改進(jìn)采煤方法時(shí)，應(yīng)充分考慮區(qū)域動(dòng)力劃分出斷裂的特點(diǎn)，比如斷裂生長(zhǎng)的方位角，主要沿煤層的走向還是傾向發(fā)展，避免或者降低工程技術(shù)因素對(duì)于活斷裂生長(zhǎng) 的促進(jìn)作用，從而避免因斷裂活動(dòng)或者生長(zhǎng)造成上覆巖層的運(yùn)動(dòng)而提供巨大的動(dòng)力來(lái)源。根據(jù)區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃斷裂的特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定礦區(qū)內(nèi)斷裂主要沿煤層走向派生還是沿煤層傾向派生，從而確定沿煤層走向還是傾向布置巷道，例如，如果斷裂具有沿煤層的傾向發(fā)展特點(diǎn)，為了避免或減少工作面與劃分?jǐn)嗔研纬蓱?yīng)力疊加，可以確定采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法、刀柱式、大采高一次采全厚、傾斜分層傾斜長(zhǎng)壁下行垮落、傾斜分層長(zhǎng)壁上行充填、放頂煤長(zhǎng)壁等采煤方法；如果斷裂具有沿煤層走向的發(fā)展特點(diǎn)，可以采用走向長(zhǎng)壁采煤法、刀柱式、大采高一次采全厚、傾斜分層走向長(zhǎng)壁下行垮落、傾斜分層長(zhǎng)壁上行充填、放頂煤、水平分段放頂煤等采煤方法。采煤方法的改進(jìn)包括巷道布置的改進(jìn)和回采工藝的改進(jìn)。具體地，巷道布置的改進(jìn)包括(I)巷道形狀根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，優(yōu)選將巷道頂部設(shè)計(jì)為拱形；(2)巷道尺寸可以沿用第一步確定的工程技術(shù)方案的巷道尺寸設(shè)計(jì)；(3)巷道支護(hù)方式根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，優(yōu)選采取柔性支護(hù)，比如錨網(wǎng)索支護(hù)；(4)煤柱留設(shè)當(dāng)?shù)谝徊酱_定的工程技術(shù)方案中設(shè)有煤柱時(shí)，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，優(yōu)選將斷裂布置在煤柱內(nèi)部，即以斷裂作為相鄰兩工作面分界處的煤柱留設(shè)。這樣既可提高回采率，又可以通過(guò)合理的煤柱尺寸降低斷裂對(duì)回采工作的影響。具體地，回采工藝的改進(jìn)包括(I)推進(jìn)速度對(duì)于放頂煤、大采高以及分層開(kāi)采第一分層的工作面，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，應(yīng)在原工作面推進(jìn)速度的基礎(chǔ)上降低推進(jìn)速度，如降低到原工作面推進(jìn)速度的50%或以下，其它的可以不做改進(jìn)；(2)回采支護(hù)方式根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，優(yōu)選采用具有良好伸縮性的支護(hù)設(shè)備，比如液壓支架；(3)頂板管理根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，可以采用刀柱法或者充填法對(duì)斷裂區(qū)域進(jìn)行支撐，主要用于避免上覆巖層斷裂的發(fā)展造成頂板失穩(wěn)而產(chǎn)生巨大的動(dòng)力來(lái)源。這樣，通過(guò)開(kāi)拓方式的改進(jìn)以及采煤方法的改進(jìn)，可以在第一步確定的工程技術(shù)方案的基礎(chǔ)上得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案。優(yōu)選地，在根據(jù)第三步得到多個(gè)所述改進(jìn)的工程技術(shù)方案后，還可以通過(guò)室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所述改進(jìn)的工程技術(shù)方案的可行性，例如，針對(duì)大傾角厚煤層，采用傾斜長(zhǎng)壁還是走向長(zhǎng)壁、采用分層開(kāi)采還是一次采全高，煤柱留設(shè)的合理性以及頂板的不同管理等效果，以初步去除不可行的方案。第四步，對(duì)礦井進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，地應(yīng)力測(cè)量是對(duì)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行直接觀測(cè)，測(cè)量的數(shù)據(jù)將為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。存在的方法包括多種，如全應(yīng)力解除法、水壓致裂法等。其中應(yīng)力解除法是國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法，應(yīng)該在能確切反映區(qū)域巖體應(yīng)力的地點(diǎn)進(jìn)行。全應(yīng)力解除法使測(cè)點(diǎn)巖體完全脫離地應(yīng)力作用的方法，通常采用套鉆的方法實(shí)現(xiàn)套孔巖心的完全應(yīng)力解除，因 此也稱套孔應(yīng)力解除法。在實(shí)測(cè)中，要求保證測(cè)點(diǎn)位于未受巖體開(kāi)挖擾動(dòng)的原巖應(yīng)力區(qū)；保證測(cè)試的小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。第五步，將第三步得到的改進(jìn)的工程技術(shù)方案和第四步得到地應(yīng)力作為初始條件，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件FLAC3d對(duì)工程背景的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，得到不同工程技術(shù)方案分別對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況。FLAC3d(Fast Lagrangian Analysis of Continua in3Dimensions)是由美國(guó)Itasca Consulting Group Inc開(kāi)發(fā)的三維顯式有限差分法程序。FLAC3d將研究對(duì)象劃分為可以變形和移動(dòng)的多面單元體網(wǎng)格，采用拉格朗日差分方法求解，其基本原理與算法與離散元法相似，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)條件，可對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析。該軟件可以用于邊坡穩(wěn)定、礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)、巷道掘進(jìn)設(shè)計(jì)及支護(hù)、地震工程及巖爆研究以及采掘大變形等方面的研究。采用FLAC3d進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，要按照確定分析的目標(biāo)、建立模型、匯集求解問(wèn)題的詳細(xì)數(shù)據(jù)、進(jìn)行模型的運(yùn)算、分析運(yùn)算結(jié)果，由于該軟件為本領(lǐng)域常用模擬工具，因此其具體模擬過(guò)程便不再詳述。第六步，根據(jù)第五步得到的應(yīng)力分布情況，通過(guò)比較各方案危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)的應(yīng)力分布值及分布范圍的大小，確定最優(yōu)方案。如果應(yīng)力分布值及分布范圍不同時(shí)滿足時(shí)，這時(shí)首先比較應(yīng)力分布值的大小，根據(jù)采礦學(xué)，如果最大應(yīng)力分布值的差大于或等于5%，則應(yīng)選取最大應(yīng)力分布值相對(duì)最小的方案作為最優(yōu)方案；如果最大應(yīng)力分布值的差小于5%，則應(yīng)進(jìn)一步比較最大應(yīng)力分布值的分布范圍，選取分布范圍相對(duì)小的方案作為最優(yōu)方案，從而控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源。第七步，針對(duì)第六步得到的最優(yōu)方案，劃分出最優(yōu)方案對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)進(jìn)行防治。按照已有的研究結(jié)論，動(dòng)力現(xiàn)象普遍發(fā)生在危險(xiǎn)區(qū)、威脅區(qū)和無(wú)危險(xiǎn)區(qū)(高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力梯度區(qū)和低應(yīng)力區(qū)，即“三區(qū)”)中的危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)(高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力梯度區(qū))，根據(jù)本領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)成果，在區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布值從高到低的分布范圍達(dá)到總范圍的20%時(shí)，將該20%的分布范圍作為危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)進(jìn)行礦井動(dòng)力災(zāi)害防治，具體的防治手段可以是本領(lǐng)域常用的防治手段，從而使防治更有針對(duì)性，并且可以在災(zāi)害發(fā)生之前進(jìn)行防治。當(dāng)然，如果在應(yīng)用的礦井或相鄰礦井已經(jīng)發(fā)生過(guò)沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象，那么根據(jù)該沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的地點(diǎn)，可以從軟件的模擬結(jié)果中找出該地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布值，并將該值作為沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的臨界值，從而更為科學(xué)合理地劃分出危險(xiǎn)和威脅區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 a、根據(jù)地質(zhì)勘探資料，使用已有方法確定開(kāi)采的工程技術(shù)方案； b、采用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法進(jìn)行斷塊識(shí)別與斷裂劃分； C、根據(jù)區(qū)域動(dòng)力劃分出的斷塊及斷裂對(duì)步驟a確定的工程技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案； d、對(duì)礦井進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量； e、根據(jù)步驟c得到的改進(jìn)的工程技術(shù)方案和步驟d得到的地應(yīng)力，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件FLAC3d對(duì)工程背景的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，得到多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案分別對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況和分布范圍； f、對(duì)步驟e得到的應(yīng)力分布進(jìn)行劃分，通過(guò)對(duì)比各改進(jìn)的工程技術(shù)方案的應(yīng)力分布值及分布范圍的大小，確定最優(yōu)方案； g、根據(jù)步驟f 得到的最優(yōu)方案，劃分出步驟f得到的最優(yōu)方案對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)進(jìn)行防治。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟c中，當(dāng)?shù)V井處于設(shè)計(jì)或建設(shè)初期，對(duì)現(xiàn)有工程技術(shù)方案的改進(jìn)包括開(kāi)拓方式的改進(jìn)和采煤方法的改進(jìn)； 當(dāng)?shù)V井處于建設(shè)的中、后期，對(duì)現(xiàn)有工程技術(shù)方案的改進(jìn)僅包括采煤方法的改進(jìn)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟c中，得到的多個(gè)改進(jìn)的工程技術(shù)方案為3-6個(gè)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟f中對(duì)比各方案應(yīng)力分布值及分布范圍的大小，當(dāng)最大應(yīng)力分布值的差大于或等于5%，則應(yīng)選取最大應(yīng)力分布值相對(duì)最小的方案作為最優(yōu)方案；如果最大應(yīng)力分布值的差小于5%，則應(yīng)進(jìn)一步比較最大應(yīng)力分布值的分布范圍,選取分布范圍相對(duì)最小的方案作為最優(yōu)方案。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟g中，將危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)劃分出來(lái)時(shí)，在區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布值從高到低的分布范圍達(dá)到總范圍的20%時(shí)，將該20%的分布范圍作為危險(xiǎn)區(qū)和威脅區(qū)。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟g中，當(dāng)在應(yīng)用的礦井或相鄰礦井已經(jīng)發(fā)生過(guò)沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象，那么根據(jù)該沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的地點(diǎn)，從軟件的模擬結(jié)果中找出該地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布值，并將該值作為沖擊地壓或動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的臨界值，進(jìn)而劃分出危險(xiǎn)和威脅區(qū)。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述開(kāi)拓方式的改進(jìn)包括開(kāi)采解放層對(duì)于沖擊礦井，如果有解放層，應(yīng)先期開(kāi)采解放層，對(duì)于不是沖擊型的礦井，或者無(wú)解放層的礦井不做調(diào)整；開(kāi)采方向在本煤層開(kāi)采中，根據(jù)斷裂的方向，采用與斷裂方向平行的開(kāi)采方向，在存在交叉的斷裂時(shí)，開(kāi)采方向與交叉斷裂中的主要斷裂平行；開(kāi)采范圍在本煤層開(kāi)采中，在斷裂影響范圍內(nèi)，留設(shè)一定寬度的安全煤柱不采；開(kāi)采順序根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，應(yīng)采用單向開(kāi)采。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述采煤方法的改進(jìn)包括巷道布置的改進(jìn)和回采工藝的改進(jìn)，所述巷道布置的改進(jìn)包括巷道形狀，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，將巷道頂部設(shè)計(jì)為拱形；巷道尺寸，沿用第一步確定的工程技術(shù)方案的巷道尺寸設(shè)計(jì)，不做調(diào)整；巷道支護(hù)方式，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，采取柔性支護(hù)；煤柱留設(shè)，當(dāng)?shù)谝徊酱_定的工程技術(shù)方案中設(shè)有煤柱時(shí)，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，將斷裂布置在煤柱內(nèi)部； 所述回采工藝的改進(jìn)包括推進(jìn)速度，對(duì)于放頂煤、大采高以及分層開(kāi)采第一分層的工作面，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，在原工作面推進(jìn)速度的基礎(chǔ)上降低推進(jìn)速 度，對(duì)于其它的情況不做調(diào)整；回采支護(hù)方式，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，采用具有良好伸縮性的支護(hù)設(shè)備；頂板管理，根據(jù)劃分出的斷裂，在斷裂的影響范圍內(nèi)，采用刀柱法或充填法對(duì)斷裂區(qū)域進(jìn)行支撐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃控制礦井動(dòng)力能量來(lái)源的方法，以實(shí)現(xiàn)礦井設(shè)計(jì)、回采工作與自然環(huán)境的最優(yōu)化組合，解決目前在礦井動(dòng)力問(wèn)題上被動(dòng)防治的局面。本發(fā)明使用區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的結(jié)果，建立區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃在礦井中的應(yīng)用方法，通過(guò)結(jié)合區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃得到工程技術(shù)方案，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)比分析，選擇出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生幾率最小的最佳方案，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行防治，從而改善了區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃的應(yīng)用現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃與采礦工程的結(jié)合，以及礦井動(dòng)力災(zāi)害的主動(dòng)防治。
文檔編號(hào)E21C41/16GK102777179SQ201210225910
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者喬建永, 王志強(qiáng), 趙景禮 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)