一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法技術

一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，屬于礦山開采技術領域；包括：步驟1：獲取待控制巷道工作面參數；步驟2：根據巷道工作面參數計算巷道圍巖應力；步驟3：繪制巷道圍巖應力解析圖，確定巷道圍巖應力集中區域；步驟4：巷道開采過程中，對巷道圍巖應力集中區域進行泄壓；本發明專利技術能夠在回采期間受開采擾動下，使兩端頭頂板發生片幫、冒頂事故的概率得到減小，保證機頭機尾的正常推進和超前端頭支架的順利推移。

Method for controlling surrounding rock under mining disturbance at top end of fully mechanized working face

A fully mechanized face roof on the end wall rock control method of mining disturbance, belonging to the technical field of mining; including: Step 1: get to control the working face parameter; step 2: according to the working face parameter calculation of roadway surrounding rock stress; step 3: drawing roadway surrounding rock stress analysis, determine surrounding rock stress concentration area; step 4: the process of mining roadway, concentrated area pressure stress on the surrounding rock; the invention can during mining by mining disturbance, the probability that both ends of the head plate spalling and roof fall accidents are reduced, to ensure the normal advance and advanced head and tail end support smooth passage.

【技術實現步驟摘要】
一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法
本專利技術屬于礦山開采
，具體涉及一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法。
技術介紹
傳統巷道常采用錨桿+金屬網+鋼帶+錨索聯合支護方式，同時對工作面兩端頭安裝兩組超前支架和一組端頭支架進行超前端頭維護，該支護方式基本能夠控制巷道頂板及兩幫的變形，但受到工作面采動和頂板周期來壓的影響，兩端頭頂角煤幫產生松動、失穩、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、下沉嚴重，造成工作面過機頭機尾時，時常出現片幫、冒頂、機頭機尾超前端頭支架移架困難等現象，影響工作面正常推進速度，為此解決工作面兩端頭支護問題、保證工作面正常推進是該礦亟需解決的問題。
技術實現思路
針對上述現有技術存在的不足，本專利技術提供一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法。本專利技術的技術方案：一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，包括如下步驟：步驟1：獲取待控制巷道工作面參數，包括：圍巖應力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和側壓系數；步驟2：根據巷道工作面參數計算不考慮巷道支護阻力時的圍巖應力和只考慮巷道支護力時圍巖應力，得到巷道受到圍巖應力和支護體共同作用下的巷道圍巖應力σθ：其中，p為圍巖應力，c0、c1、c2分別為映射函數前3項系數，X為巷道x方向上的面力，Y為巷道y方向上的面力，μ為應變常量，s為巷道側壓系數，θ為角度。步驟3：繪制巷道圍巖應力解析圖，確定巷道圍巖應力集中區域及最大值；步驟4：巷道開采過程中，對巷道圍巖應力集中區域進行泄壓，使巷道圍巖得到控制；如巷道圍巖應力集中區域為端頭頂角，可在靠近工作面端頭頂角處煤壁進行擴幫處理，每班擴幫保證一天生產循環進度，擴幫后頂部采用金屬網加錨索進行加強端頭頂板的支護強度，促使巷道圍巖內應力集中區域得到泄壓，將端頭頂角處的應力集中區域向深部轉移，減小煤壁受采動和周期來壓影響端頭頂板失穩現象的發生概率，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擾動下的圍巖控制方法與現有技術相比，具有如下優勢：在回采期間受開采擾動下，兩端頭頂板發生片幫、冒頂事故的概率得到減小，保證機頭機尾的正常推進和超前端頭支架的順利推移。附圖說明圖1為本專利技術一種實施方式的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法的流程圖；圖2為本專利技術一種實施方式的矩形巷道分析力學模型圖；圖3為本專利技術一種實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為本專利技術一種實施方式的巷道各點圍巖應力分布圖；圖5為本專利技術一種實施方式的3種情況下巷道圍巖受力情況及塑性區分布圖，其中，(a)為工作面未開采前巷道圍巖受力情況圖，(b)為工作面未開采前巷道圍巖塑性區分布圖，(c)為工作面開采后巷道圍巖受力情況圖，(d)為工作面開采后巷道圍巖塑性區分布圖，(e)為擴幫補打加強錨索后工作面開采時巷道圍巖受力情況圖，(f)為擴幫補打加強錨索后工作面開采時巷道圍巖塑性區分布圖；圖6為本專利技術一種實施方式的回風順槽頂底角測點布置圖；圖7為本專利技術一種實施方式的端頭頂角3個測點三種情況下應力變化曲線圖，其中，(a)為4號測點三種情況下應力變化曲線，(b)為8號測點三種情況下應力變化曲線，(c)為12號測點三種情況下應力變化曲線，系列1表示工作面未開采時應力變化曲線，系列2表示工作面開采時應力變化曲線，系列3表示工作面擴幫補打加強錨索并開采時應力變化曲線；圖8為本專利技術一種實施方式的三種情況下3個測點應力變化圖，(a)工作面未開采前巷道端頭頂角3個測點應力變化圖，(b)工作面開采時巷道端頭頂角3個測點應力變化圖，(c)工作面已擴幫補打加強錨索開采時巷道端頭頂角3個測點應力變化圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的一種實施方式作詳細說明。本實施方式中，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采區西翼北部，地質構造簡單，進回風巷道均為矩形斷面，巷道采用錨桿+金屬網+鋼帶+錨索聯合支護方式，同時對工作面兩端頭安裝兩組超前支架和一組端頭支架進行超前端頭維護。如圖1所示，本實施方式的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，包括：步驟1：獲取待控制巷道工作面參數：圍巖應力p、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和側壓系數s；步驟2：根據巷道工作面參數計算不考慮巷道支護阻力時的圍巖應力和只考慮巷道支護力時巷道邊應力，得到巷道受到圍巖應力和支護體共同作用下的巷道圍巖應力σθ；由于工作面進回風巷道的高寬遠遠小于巷道長度，故將矩形巷道應力計算問題轉化到平面矩形應變問題上，運用復變函數理論和彈塑性力學理論進行無支護狀態和有支護狀態下求解，得出圍巖應力解析式。假設作用在巷道上覆巖層的壓力與巷道埋深成正比p＝γH，巷道的埋深遠遠大于巷道的高度，可認為巷道頂底板受到的力一樣，作用在巷道水平方向上的力與巷道的側壓系數s成比例關系，即為sp，其中s表示側壓系數，為了考慮計算方便，將巷道斷面高寬設為2a×2b，鑒于要消除圍巖邊界效應，將模型設置為巷道的5倍，如圖2所示。結合復變函數理論和彈塑性力學理論對巷道圍巖受力分析情況進行假設解析，即巷道在僅巷道受支護阻力和不考慮巷道支護阻力兩個方面進行分步解析，推導過程為：建立應力組合的復變函數表達式為:利用保角變化，將物理平面轉化到像平面上進行問題的求解，原有的物理平面上的關系也隨著轉化到像平面上進行計算，應力函數表達式：式3中X、Y分別為巷道支護體所提供在x、y方向上的面力，利用巷道遠場應力σ1、σ2可推導計算出B、B′、C，其表達式為：其中，α為主應力方向。為ξ在單位圓之內的解析函數，ξ在圓周范圍內連續，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，結合施瓦茨一克里斯托菲爾法和保角變換，根據相應的映射關系可得到：其中，c0、c1、c2分別為映射函數前3項系數。針對圍巖壓力和巷道支護阻力之間計算問題的復雜性，可將計算分步為巷道僅受支護阻力和不受支護阻力兩種情況進行分別計算。(1)不考慮巷道支護阻力時巷道圍巖應力計算設巷道遠處圍巖在與x軸成α角的方向上受均勻壓力p，巷道內表面不受面力，如圖2外部受力一致。σθ+σγ＝4ReΦ(ξ)為巷道邊的應力值，在巷道邊，σγ＝0，σθ＝ξ＝cosθ+isinθ，經簡化可得：(2)只考慮巷道支護力時巷道圍巖應力值計算如圖2中內部受力表示一樣，巷道圍巖只受到支護體所提供的支護阻力，支護阻力位均布載荷，巷道表面不受任何剪切力，即：由于σθ+σγ＝4ReΦ(ξ)，而σγ＝0得：其中，μ為應變常量。由上述推導可得出巷道受到圍巖應力和支護體共同作用下的巷道邊的應力計算公式為：步驟3：繪制巷道圍巖應力解析圖，確定巷道圍巖應力集中區域及最大值；結合上社二景煤礦15107工作面的地質資料參數，運用Mathcad14軟件對式(12)進行整體賦值解析，通過計算得出σ(θ)解析圖如圖4所示，從圖中可得巷道圍巖應力集中區域主要存在巷道的頂底角上，呈現對角方式，且在頂底角處應力達到最大值，接近于30MPa，當工作面端頭處受開采擾動時，兩端頭頂角處煤幫受到開采擾動頂角應力σ(θ)是靜壓條件下的數倍，且頂角應力σ(θ)會隨著工本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：獲取待控制巷道工作面參數；步驟2：根據巷道工作面參數計算巷道圍巖應力；步驟3：繪制巷道圍巖應力解析圖，確定巷道圍巖應力集中區域；步驟4：巷道開采過程中，對巷道圍巖應力集中區域進行泄壓，使巷道圍巖得到控制。

【技術特征摘要】
1.一種綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：獲取待控制巷道工作面參數；步驟2：根據巷道工作面參數計算巷道圍巖應力；步驟3：繪制巷道圍巖應力解析圖，確定巷道圍巖應力集中區域；步驟4：巷道開采過程中，對巷道圍巖應力集中區域進行泄壓，使巷道圍巖得到控制。2.根據權利要求1所述的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于：所述圍巖應力的計算方法包括：根據巷道工作面參數計算不考慮巷道支護阻力時的圍巖應力和只考慮巷道支護力時圍巖應力。3.根據權利要求1所述的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于：所述待控制巷道參數包括：圍巖應力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和側壓系數。4.采用權利要求1所述的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于：所述步驟4的具體方法為：在靠近工作面端頭頂角處煤壁進行擴幫處理，每班擴幫保證一天生產循環進度，擴幫后頂部采用金屬網加錨索進行加強端頭頂板的支護強度，促使巷道圍巖內應力集中區域得到泄壓，將端頭頂角處的應力集中區域向深部轉移，減小煤壁受采動和周期來壓影響端頭頂板失穩現象的發生概率。5.根據權利要求2所述的綜采工作面端頭頂板受采動擾動下的圍巖控制方法，其特征在于，步驟2具體方法為：巷道受到圍巖應力和支護體共同作用下的巷道圍巖應力σθ為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：題正義，張峰，秦洪巖，王猛，馬笑非，陳波，
申請(專利權)人：遼寧工程技術大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21