本發(fā)明涉及煤礦開采礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法，具體為堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采強(qiáng)礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法。
背景技術(shù)：
煤層地下開采后，勢(shì)必會(huì)引發(fā)上覆巖層的破斷失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，從而一定程度造成工作面的礦壓顯現(xiàn)。對(duì)于薄及中厚煤層開采，因工作面開采厚度不大，采出空間小，覆巖運(yùn)移垮落失穩(wěn)范圍較小，工作面礦壓顯現(xiàn)程度不強(qiáng)。而我國(guó)特厚煤層儲(chǔ)量豐富，是我國(guó)井下礦井高產(chǎn)高效的主體煤層，目前對(duì)于特厚煤層的開采大多均采用大采高一次采全厚開采，這就造成特厚煤層開采后，采出空間大，覆巖運(yùn)移范圍廣，上覆巖層破斷、失穩(wěn)、應(yīng)力分布復(fù)雜，尤其在覆巖為堅(jiān)硬頂板條件下，因堅(jiān)硬頂板的破斷步距大，破斷規(guī)律更為復(fù)雜，從而加劇了堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采條件下工作面的礦壓顯現(xiàn)程度，對(duì)采場(chǎng)強(qiáng)礦壓和巖層控制帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。同時(shí)，因地下多煤層賦存現(xiàn)象比較普遍，當(dāng)上煤層開采后在采空區(qū)賦存有遺留煤柱時(shí)，因遺留煤柱處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，也會(huì)加劇下賦煤層開采工作面的礦壓顯現(xiàn)程度。由此導(dǎo)致的工作面支架壓死、巷道破壞等礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，尤其當(dāng)工作面上賦有采空區(qū)遺留煤柱時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)極為劇烈，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)。
工作面的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理及特征與沖擊地壓有著本質(zhì)區(qū)別，其核心是開采擾動(dòng)、巖層破斷失穩(wěn)所致。由于目前缺乏礦壓預(yù)測(cè)的方法，因此井下堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采時(shí)工作面和巷道的支護(hù)具有一定的盲目性。若采用低等級(jí)的支護(hù)，則會(huì)導(dǎo)致井下開采安全系數(shù)降低；若一律采用高等級(jí)的安全支護(hù)，則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅提高，且影響生產(chǎn)進(jìn)度。
由此可見，研究一種能夠在堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)之前進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)時(shí)工作面控制措施隨著生產(chǎn)進(jìn)度做出相應(yīng)調(diào)整，合理安排支護(hù)等級(jí)，保證工作面安全高效生產(chǎn)的堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采強(qiáng)礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法是十分有必要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決目前缺乏堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采強(qiáng)礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法的問(wèn)題，提供一種堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采強(qiáng)礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法。
本發(fā)明是通過(guò)以下操作步驟實(shí)現(xiàn)的：堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法，包括以下操作步驟：
一、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立數(shù)值模擬模型，并基于模型計(jì)算結(jié)果擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ分別與工作面長(zhǎng)度L、工作面煤層采厚M、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H、上覆遺留煤柱寬度Lp、上覆遺留煤柱距工作面距離Hp的函數(shù)關(guān)系式f(L)、f(M)、f(D)、f(H)、f(Lp)、f(Hp)；
二、基于步驟一所得的工作面處圍巖應(yīng)力σ的函數(shù)關(guān)系式σ=f (L)、σ=f (M)、σ=f (D)、σ=f (H)、σ=f (Lp)、σ=f (Hp)，運(yùn)用SPSS模擬軟件建立工作面處圍巖應(yīng)力σ與L、M、D、H、Lp、Hp相關(guān)的回歸模型:σ=a*f (L)+b*f (M)+c*f (D)+e* f (H)+g*f (Lp)+h*f (Hp)+k，式中a、b、c、e、g、h、k均為常數(shù)；
三、利用SPSS模擬軟件，將步驟一中的數(shù)值模擬模型的計(jì)算結(jié)果代入步驟二的回歸模型中進(jìn)行計(jì)算，得到a、b、c、e、g、h、k的值，從而確定工作面處圍巖應(yīng)力σ與L、M、D、H、Lp、Hp的回歸模型表達(dá)式；
四、任取一個(gè)堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采工作面，確定工作面長(zhǎng)度L、工作面煤層采厚M、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H、上覆遺留煤柱寬度Lp、上覆遺留煤柱距工作面距離Hp，代入回歸模型中計(jì)算得到工作面處圍巖應(yīng)力σ；若工作面上覆不存在遺留煤柱，則回歸模型中g、h取值為0；
五、將計(jì)算得到的工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面處原始應(yīng)力σ0進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)σ=（1~1.5）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為一般，當(dāng)σ=（1.5~2.0）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為較強(qiáng)烈，當(dāng)σ=（2.0~3.0）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為強(qiáng)烈，當(dāng)σ≥3.0 σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為極強(qiáng)烈；
六、預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為一般時(shí)，在巷道范圍內(nèi)通過(guò)采用液壓?jiǎn)误w支柱支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)等常規(guī)方法對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為較強(qiáng)烈時(shí)，在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)，通過(guò)井下采用水力壓裂的方法對(duì)煤層上覆低位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，同時(shí)在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為極強(qiáng)烈時(shí)，通過(guò)在井下采用水力壓裂的方法對(duì)煤層上覆低位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，同時(shí)在井上地面采用地面水力壓裂對(duì)高位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，并在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)覆巖中因賦存遺留煤柱而造成工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈或極強(qiáng)烈時(shí)，同時(shí)采用水壓致裂的方式對(duì)遺留煤柱上下堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂。
在運(yùn)用FLAC模擬軟件計(jì)算分析并擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ分別與工作面長(zhǎng)度L、工作面煤層采厚M、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H、上覆遺留煤柱寬度Lp、上覆遺留煤柱距工作面距離Hp的函數(shù)關(guān)系式f(L)、f(M)、f(D)、f(H)、f(Lp)、f(Hp)時(shí)，分別設(shè)定L、M、D、H、Lp、Hp為變量，其余參數(shù)為常量，且每次設(shè)定一個(gè)變量，變量的取值個(gè)數(shù)不少于4個(gè)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、涵蓋了堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采條件下影響工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素，保證了預(yù)測(cè)模型的全面性；2、首先基于數(shù)值模型計(jì)算數(shù)據(jù)擬合得到各影響因素與工作面圍巖應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系式，而后基于函數(shù)關(guān)系式建立回歸模型，可有效的提高回歸模型的回歸系數(shù)，保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性；3、所建立的數(shù)值模擬模型可根據(jù)待預(yù)測(cè)工作面的地質(zhì)條件的變化而變化，保證了預(yù)測(cè)模型的靈活性和實(shí)用性；4、根據(jù)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)先采用巷道圍巖加強(qiáng)支護(hù)、上覆堅(jiān)硬巖層弱化等預(yù)控強(qiáng)礦壓發(fā)生的措施，有利于保證工作面的安全高效開采，應(yīng)用前景廣闊。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明操作流程示意圖。
具體實(shí)施方式
堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采礦壓預(yù)測(cè)預(yù)控方法，包括以下操作步驟：
一、1）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立四個(gè)數(shù)值模擬模型，取工作面長(zhǎng)度L分別為L1、L2、L3、L4，固定工作面采厚為M3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度為D3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離為H3、上覆遺留煤柱寬度為Lp3、上覆遺留煤柱距工作面距離為Hp3，模擬計(jì)算得到不同工作面長(zhǎng)度時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面長(zhǎng)度L的關(guān)系式：σ=f (L)；
2）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立4個(gè)數(shù)值模擬模型，取工作面煤層采厚M分別為M1、M2、M3、M4，固定工作面長(zhǎng)度為L3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度為D3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離為H3、上覆遺留煤柱寬度為Lp3、上覆遺留煤柱距工作面距離為Hp3，模擬計(jì)算得到不同工作面煤層采厚時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面煤層采厚M的關(guān)系式：σ=f (M)；
3）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立4個(gè)數(shù)值模擬模型，取工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D分別為D1、D2、D3、D4，固定工作面長(zhǎng)度為L3、工作面采厚為M3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離為H3、上覆遺留煤柱寬度為Lp3、上覆遺留煤柱距工作面距離為Hp3，模擬計(jì)算得到不同工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D的關(guān)系式：σ=f (D)；
4）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立4個(gè)數(shù)值模擬模型，取工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H分別為H1、H2、H3、H4，固定工作面長(zhǎng)度為L3、工作面采厚為M3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度為D3、上覆遺留煤柱寬度為Lp3、上覆遺留煤柱距工作面距離為Hp3，模擬計(jì)算得到不同工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H的關(guān)系式：σ=f (H)；
5）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立4個(gè)數(shù)值模擬模型，取上覆遺留煤柱寬度Lp分別為Lp1、Lp2、Lp3、Lp4，固定工作面長(zhǎng)度為L3、工作面采厚為M3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度為D3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離為H3、上覆遺留煤柱距工作面距離為Hp3，模擬計(jì)算得到不同上覆遺留煤柱寬度時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與上覆遺留煤柱寬度Lp的關(guān)系式：σ=f (Lp)；
6）、運(yùn)用FLAC模擬軟件建立4個(gè)數(shù)值模擬模型，取上覆遺留煤柱距工作面距離Hp分別為Hp1、Hp2、Hp3、Hp4，固定工作面長(zhǎng)度為L3、工作面采厚為M3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度為D3、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離為H3、上覆遺留煤柱寬度為Lp3，模擬計(jì)算得到不同上覆遺留煤柱距工作面距離時(shí)工作面處圍巖應(yīng)力σ，基于模擬數(shù)據(jù)擬合得到工作面處圍巖應(yīng)力σ與上覆遺留煤柱距工作面距離Hp的關(guān)系式：σ=f (Hp)；
二、基于步驟一所得的工作面處圍巖應(yīng)力σ的函數(shù)關(guān)系式σ=f (L)、σ=f (M)、σ=f (D)、σ=f (H)、σ=f (Lp)、σ=f (Hp)，運(yùn)用SPSS模擬軟件建立工作面處圍巖應(yīng)力σ與L、M、D、H、Lp、Hp相關(guān)的回歸模型:σ=a*f (L)+b*f (M)+c*f (D)+e* f (H)+g*f (Lp)+h*f (Hp)+k，式中a、b、c、e、g、h、k均為常數(shù)；
三、利用SPSS模擬軟件，將步驟一中的24個(gè)數(shù)值模擬模型的計(jì)算結(jié)果代入步驟二的回歸模型中進(jìn)行計(jì)算，得到a、b、c、e、g、h、k的值，從而確定工作面處圍巖應(yīng)力σ與L、M、D、H、Lp、Hp的回歸模型表達(dá)式；
四、任取一個(gè)堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采工作面，確定工作面長(zhǎng)度L、工作面煤層采厚M、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層厚度D、工作面上覆最厚堅(jiān)硬巖層距工作面距離H、上覆遺留煤柱寬度Lp、上覆遺留煤柱距工作面距離Hp，代入回歸模型中計(jì)算得到工作面處圍巖應(yīng)力σ；若工作面上覆不存在遺留煤柱，則回歸模型中g、h取值為0；
五、將計(jì)算得到的工作面處圍巖應(yīng)力σ與工作面處原始應(yīng)力σ0進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)σ=（1~1.5）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為一般，當(dāng)σ=（1.5~2.0）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為較強(qiáng)烈，當(dāng)σ=（2.0~3.0）σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為強(qiáng)烈，當(dāng)σ≥3.0 σ0，則礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為極強(qiáng)烈；
六、預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為一般時(shí)，在巷道范圍內(nèi)通過(guò)采用液壓?jiǎn)误w支柱支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)等常規(guī)方法對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為較強(qiáng)烈時(shí)，在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)，通過(guò)井下采用水力壓裂的方法對(duì)煤層上覆低位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，同時(shí)在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，預(yù)測(cè)礦壓顯現(xiàn)等級(jí)為極強(qiáng)烈時(shí)，通過(guò)在井下采用水力壓裂的方法對(duì)煤層上覆低位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，同時(shí)在井上地面采用地面水力壓裂對(duì)高位堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂弱化，并在巷道范圍內(nèi)布置高強(qiáng)度和密度的液壓?jiǎn)误w支柱、錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)覆巖中因賦存遺留煤柱而造成工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈或極強(qiáng)烈時(shí)，同時(shí)采用水壓致裂的方式對(duì)遺留煤柱上下堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂。