本發(fā)明屬于礦山開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)巷道常采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，同時(shí)對(duì)工作面兩端頭安裝兩組超前支架和一組端頭支架進(jìn)行超前端頭維護(hù)，該支護(hù)方式基本能夠控制巷道頂板及兩幫的變形，但受到工作面采動(dòng)和頂板周期來(lái)壓的影響，兩端頭頂角煤幫產(chǎn)生松動(dòng)、失穩(wěn)、煤壁承載上覆頂板巖層能力逐漸喪失，超前端頭頂角處頂板破碎、下沉嚴(yán)重，造成工作面過(guò)機(jī)頭機(jī)尾時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)片幫、冒頂、機(jī)頭機(jī)尾超前端頭支架移架困難等現(xiàn)象，影響工作面正常推進(jìn)速度，為此解決工作面兩端頭支護(hù)問(wèn)題、保證工作面正常推進(jìn)是該礦亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法，包括如下步驟：

步驟1：獲取待控制巷道工作面參數(shù)，包括：圍巖應(yīng)力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和側(cè)壓系數(shù)；

步驟2：根據(jù)巷道工作面參數(shù)計(jì)算不考慮巷道支護(hù)阻力時(shí)的圍巖應(yīng)力和只考慮巷道支護(hù)力時(shí)圍巖應(yīng)力，得到巷道受到圍巖應(yīng)力和支護(hù)體共同作用下的巷道圍巖應(yīng)力σ_θ：

其中，p為圍巖應(yīng)力，c₀、c₁、c₂分別為映射函數(shù)前3項(xiàng)系數(shù)，X為巷道x方向上的面力，Y為巷道y方向上的面力，μ為應(yīng)變常量，s為巷道側(cè)壓系數(shù)，θ為角度。

步驟3：繪制巷道圍巖應(yīng)力解析圖，確定巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域及最大值；

步驟4：巷道開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行泄壓，使巷道圍巖得到控制；如巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)槎祟^頂角，可在靠近工作面端頭頂角處煤壁進(jìn)行擴(kuò)幫處理，每班擴(kuò)幫保證一天生產(chǎn)循環(huán)進(jìn)度，擴(kuò)幫后頂部采用金屬網(wǎng)加錨索進(jìn)行加強(qiáng)端頭頂板的支護(hù)強(qiáng)度，促使巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓，將端頭頂角處的應(yīng)力集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移，減小煤壁受采動(dòng)和周期來(lái)壓影響端頭頂板失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生概率，使巷道圍巖得到控制。

有益效果：一種綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：在回采期間受開(kāi)采擾動(dòng)下，兩端頭頂板發(fā)生片幫、冒頂事故的概率得到減小，保證機(jī)頭機(jī)尾的正常推進(jìn)和超前端頭支架的順利推移。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的矩形巷道分析力學(xué)模型圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的平面矩形到ξ平面單位圓的映射示意圖，其中，(a)為平面矩形示意圖，(b)為ξ平面單位圓示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的巷道各點(diǎn)圍巖應(yīng)力分布圖；

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的3種情況下巷道圍巖受力情況及塑性區(qū)分布圖，其中，(a)為工作面未開(kāi)采前巷道圍巖受力情況圖，(b)為工作面未開(kāi)采前巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，(c)為工作面開(kāi)采后巷道圍巖受力情況圖，(d)為工作面開(kāi)采后巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，(e)為擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后工作面開(kāi)采時(shí)巷道圍巖受力情況圖，(f)為擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后工作面開(kāi)采時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布圖；

圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的回風(fēng)順槽頂?shù)捉菧y(cè)點(diǎn)布置圖；

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式的端頭頂角3個(gè)測(cè)點(diǎn)三種情況下應(yīng)力變化曲線(xiàn)圖，其中，(a)為4號(hào)測(cè)點(diǎn)三種情況下應(yīng)力變化曲線(xiàn)，(b)為8號(hào)測(cè)點(diǎn)三種情況下應(yīng)力變化曲線(xiàn)，(c)為12號(hào)測(cè)點(diǎn)三種情況下應(yīng)力變化曲線(xiàn)，系列1表示工作面未開(kāi)采時(shí)應(yīng)力變化曲線(xiàn)，系列2表示工作面開(kāi)采時(shí)應(yīng)力變化曲線(xiàn)，系列3表示工作面擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索并開(kāi)采時(shí)應(yīng)力變化曲線(xiàn)；

圖8為本發(fā)明一種實(shí)施方式的三種情況下3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖，(a)工作面未開(kāi)采前巷道端頭頂角3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖，(b)工作面開(kāi)采時(shí)巷道端頭頂角3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖，(c)工作面已擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索開(kāi)采時(shí)巷道端頭頂角3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施方式中，以上社二景煤礦15107為例，上社二景煤礦15107工作面位于15#煤Ⅰ采區(qū)西翼北部，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，進(jìn)回風(fēng)巷道均為矩形斷面，巷道采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，同時(shí)對(duì)工作面兩端頭安裝兩組超前支架和一組端頭支架進(jìn)行超前端頭維護(hù)。

如圖1所示，本實(shí)施方式的綜采工作面端頭頂板受采動(dòng)擾動(dòng)下的圍巖控制方法，包括：

步驟1：獲取待控制巷道工作面參數(shù)：圍巖應(yīng)力p、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和側(cè)壓系數(shù)s；

步驟2：根據(jù)巷道工作面參數(shù)計(jì)算不考慮巷道支護(hù)阻力時(shí)的圍巖應(yīng)力和只考慮巷道支護(hù)力時(shí)巷道邊應(yīng)力，得到巷道受到圍巖應(yīng)力和支護(hù)體共同作用下的巷道圍巖應(yīng)力σ_θ；

由于工作面進(jìn)回風(fēng)巷道的高寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巷道長(zhǎng)度，故將矩形巷道應(yīng)力計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化到平面矩形應(yīng)變問(wèn)題上，運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論和彈塑性力學(xué)理論進(jìn)行無(wú)支護(hù)狀態(tài)和有支護(hù)狀態(tài)下求解，得出圍巖應(yīng)力解析式。

假設(shè)作用在巷道上覆巖層的壓力與巷道埋深成正比p＝γH，巷道的埋深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道的高度，可認(rèn)為巷道頂?shù)装迨艿降牧σ粯?，作用在巷道水平方向上的力與巷道的側(cè)壓系數(shù)s成比例關(guān)系，即為sp，其中s表示側(cè)壓系數(shù)，為了考慮計(jì)算方便，將巷道斷面高寬設(shè)為2a×2b，鑒于要消除圍巖邊界效應(yīng)，將模型設(shè)置為巷道的5倍，如圖2所示。

結(jié)合復(fù)變函數(shù)理論和彈塑性力學(xué)理論對(duì)巷道圍巖受力分析情況進(jìn)行假設(shè)解析，即巷道在僅巷道受支護(hù)阻力和不考慮巷道支護(hù)阻力兩個(gè)方面進(jìn)行分步解析，推導(dǎo)過(guò)程為：

建立應(yīng)力組合的復(fù)變函數(shù)表達(dá)式為:

利用保角變化，將物理平面轉(zhuǎn)化到像平面上進(jìn)行問(wèn)題的求解，原有的物理平面上的關(guān)系也隨著轉(zhuǎn)化到像平面上進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式：

式3中X、Y分別為巷道支護(hù)體所提供在x、y方向上的面力，利用巷道遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力σ₁、σ₂可推導(dǎo)計(jì)算出B、B′、C，其表達(dá)式為：

其中，α為主應(yīng)力方向。為ξ在單位圓之內(nèi)的解析函數(shù)，ξ在圓周范圍內(nèi)連續(xù)，為保證矩形能完全映射到單位圓上，如圖3(a)和圖3(b)所示，結(jié)合施瓦茨一克里斯托菲爾法和保角變換，根據(jù)相應(yīng)的映射關(guān)系可得到：

其中，c0、c1、c2分別為映射函數(shù)前3項(xiàng)系數(shù)。

針對(duì)圍巖壓力和巷道支護(hù)阻力之間計(jì)算問(wèn)題的復(fù)雜性，可將計(jì)算分步為巷道僅受支護(hù)阻力和不受支護(hù)阻力兩種情況進(jìn)行分別計(jì)算。

(1)不考慮巷道支護(hù)阻力時(shí)巷道圍巖應(yīng)力計(jì)算

設(shè)巷道遠(yuǎn)處圍巖在與x軸成α角的方向上受均勻壓力p，巷道內(nèi)表面不受面力，如圖2外部受力一致。

σ_θ+σ_γ＝4ReΦ(ξ)為巷道邊的應(yīng)力值，在巷道邊，σ_γ＝0，σ_θ＝ξ＝cosθ+isinθ，經(jīng)簡(jiǎn)化可得：

(2)只考慮巷道支護(hù)力時(shí)巷道圍巖應(yīng)力值計(jì)算

如圖2中內(nèi)部受力表示一樣，巷道圍巖只受到支護(hù)體所提供的支護(hù)阻力，支護(hù)阻力位均布載荷，巷道表面不受任何剪切力，即：

由于σ_θ+σ_γ＝4ReΦ(ξ)，而σ_γ＝0得：

其中，μ為應(yīng)變常量。

由上述推導(dǎo)可得出巷道受到圍巖應(yīng)力和支護(hù)體共同作用下的巷道邊的應(yīng)力計(jì)算公式為：

步驟3：繪制巷道圍巖應(yīng)力解析圖，確定巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域及最大值；

結(jié)合上社二景煤礦15107工作面的地質(zhì)資料參數(shù)，運(yùn)用Mathcad 14軟件對(duì)式(12)進(jìn)行整體賦值解析，通過(guò)計(jì)算得出σ(θ)解析圖如圖4所示，從圖中可得巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域主要存在巷道的頂?shù)捉巧?，呈現(xiàn)對(duì)角方式，且在頂?shù)捉翘帒?yīng)力達(dá)到最大值，接近于30MPa，當(dāng)工作面端頭處受開(kāi)采擾動(dòng)時(shí)，兩端頭頂角處煤幫受到開(kāi)采擾動(dòng)頂角應(yīng)力σ(θ)是靜壓條件下的數(shù)倍，且頂角應(yīng)力σ(θ)會(huì)隨著工作面采煤機(jī)割煤距端頭之間距離的減小而增大，當(dāng)采煤機(jī)繼續(xù)向端頭方向割煤，σ(θ)達(dá)到一定臨界值(30MPa)時(shí)，端頭處頂角周?chē)鷩鷰r應(yīng)力σ(θ)達(dá)到最大值(大于30MPa)，此時(shí)頂板開(kāi)始松動(dòng)、失穩(wěn)，呈現(xiàn)裂隙破壞，出現(xiàn)片幫、冒頂事故現(xiàn)象。

步驟4：巷道開(kāi)采過(guò)程中，為解決工作面端頭處時(shí)常出現(xiàn)片幫、冒頂事故，保證工作面超前端頭支架的順利推移和工作面的正常推進(jìn)，上社二景煤礦采用在靠近工作面端頭頂角處煤壁進(jìn)行擴(kuò)幫處理，每班擴(kuò)幫保證一天生產(chǎn)循環(huán)進(jìn)度(長(zhǎng)4m×寬1m×高1m)，擴(kuò)幫后頂部采用金屬網(wǎng)加錨索(φ17.8mm×8300mm，間距0.5m，排距1m)進(jìn)行加強(qiáng)端頭頂板的支護(hù)強(qiáng)度，促使巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓，將端頭頂角處的應(yīng)力集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移，減小煤壁受采動(dòng)和周期來(lái)壓影響端頭頂板失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生概率，使巷道圍巖得到控制。

為驗(yàn)證方法的有效性，利用FLAC3D對(duì)回風(fēng)順槽巷道圍巖受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，從圖5(a)～(f)中巷道在3種狀態(tài)下圍巖受力情況及塑性區(qū)可以看出：工作面未開(kāi)采時(shí)巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)在頂?shù)捉翘?，在工作面開(kāi)采過(guò)程中，巷道頂角(靠近工作面?zhèn)?發(fā)生塑性破壞，至此隨著工作面在機(jī)尾處進(jìn)行割煤，造成機(jī)尾頂角處出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象，影響工作面的推進(jìn)及回風(fēng)順槽超前端頭支架的推移，給生產(chǎn)造成了重大阻力。而當(dāng)工作面開(kāi)采前對(duì)回風(fēng)順槽端頭處進(jìn)行擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后，端頭處應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓，塑性區(qū)域向工作面頂板深部轉(zhuǎn)移，工作面開(kāi)采過(guò)程中端頭處不在出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，為工作面順利推進(jìn)奠定了良好的安全基礎(chǔ)。

如圖6所示，對(duì)回風(fēng)順槽頂?shù)捉遣贾?2個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿對(duì)角方向布置，每個(gè)角布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量巷道頂?shù)捉鞘懿蓜?dòng)影響應(yīng)力分布情況。

(1)在工作面開(kāi)采前、后及擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后對(duì)測(cè)點(diǎn)4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)圍巖受力分別進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖7(a)～(c)所示：

①由圖7(a)可看出4號(hào)測(cè)點(diǎn)在工作面未開(kāi)采時(shí)，巷道圍巖受力穩(wěn)定，受力均在30MPa以?xún)?nèi)，端頭頂角壓力最大，端頭處圍巖未出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象。而在工作面開(kāi)采后(未擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索)，端頭處將會(huì)出現(xiàn)片幫、冒頂事故，圍巖應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓、趨于穩(wěn)定狀態(tài)。工作面開(kāi)采(擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索)，端頭處圍巖得到泄壓、圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

②由圖7(b)可看出8號(hào)測(cè)點(diǎn)在工作面未開(kāi)采和開(kāi)采時(shí)工作面端頭處頂角應(yīng)力集中達(dá)到30MPa以上，隨著開(kāi)采擾動(dòng)影響，易出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，而采取擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后會(huì)使得8號(hào)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力得到泄壓，并使應(yīng)力集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移。

③由圖7(c)可看出12號(hào)測(cè)點(diǎn)在工作面未開(kāi)采和開(kāi)采時(shí)工作面端頭處頂角應(yīng)力集中也達(dá)到30MPa，但相對(duì)于8號(hào)測(cè)點(diǎn)端頭頂角處圍巖逐漸減小，隨著開(kāi)采擾動(dòng)影響，同樣也易出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，采取擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后12號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力相對(duì)于8號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸增大，驗(yàn)證擴(kuò)幫后補(bǔ)打加強(qiáng)錨索使端頭頂角處應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓，并向工作面深部轉(zhuǎn)移，得到控制。

(2)對(duì)工作面開(kāi)采前、后及擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后整個(gè)端頭頂角圍巖應(yīng)力分析，如圖8(a)～(c)所示：

①由圖8(a)可知在工作面未開(kāi)采時(shí)，端頭頂角處應(yīng)力4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力呈現(xiàn)微弱的逐漸減小趨勢(shì)，在4號(hào)測(cè)點(diǎn)處形成應(yīng)力集中區(qū)域，且4號(hào)測(cè)點(diǎn)處圍巖應(yīng)力最大，接近于30MPa，處于臨界狀態(tài)，受工作面采動(dòng)影響，極易出現(xiàn)片幫冒頂事故。

②由圖8(b)可知工作面開(kāi)采時(shí)端頭頂角4號(hào)、8號(hào)測(cè)點(diǎn)處已出現(xiàn)片幫、冒頂事故，應(yīng)力集中區(qū)域得到泄壓，12號(hào)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力已超過(guò)30MPa，表明片幫、冒頂事故繼續(xù)向深部擴(kuò)散。

③由圖8(c)可知擴(kuò)幫補(bǔ)打加強(qiáng)錨索后進(jìn)行工作面開(kāi)采時(shí)，4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均在30MPa以?xún)?nèi)，應(yīng)力區(qū)域相對(duì)集中，端頭頂角周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域得到一定程度上的泄壓，并未達(dá)到片幫現(xiàn)象出現(xiàn)要求，回采時(shí)端頭頂角得到控制。