[发明专利]煤矿大采高首采面开采及围岩应力稳定性控制方法

权利要求书

1.一种煤矿大采高首采面开采及围岩应力稳定性控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100～确定直接顶厚度和基本顶厚度；

步骤S100采取以下方法计算，

直接顶厚度计算公式：

（1）

式中，h—采高；K_z—岩梁触矸处下部已垮落岩层的碎涨系数；S_A—岩梁实际沉降值；m_Z—直接顶厚度；

计算基本顶岩层的厚度时，根据其来压时实测的液压支架工作阻力值反推工作面基本顶的厚度，具体计算公式（2）、（3）：

（2）

（3）

式中 P——来压时液压支架工作阻力实测值，kpa；

P′——来压前液压支架工作阻力实测值，kpa；

K_T——压力作用系数；

L_E——岩梁来压结束后的悬跨度，近似为岩梁周期来压步距，m；

L_K——控顶距，m；

γ_E——基本顶容重，kN/m³；

m_E——基本顶厚度；

联立公式（2）、（3）得出下式（4）：

（4）；

S200～计算直接顶初次垮落步距以及基本顶的初次来压步距；

所述的步骤S200采取以下计算方法，

直接顶初次垮落步距计算公式如式（5）：

（5）

式中c_z——直接顶初次垮落步距，m；

m_z——直接顶岩层的厚度，m；

σ_z——直接顶岩层的抗拉强度，Pa；

γ——直接顶岩层的容重，N/m³；

基本顶的初次来压步距，通过公式（6）进行计算：

（6）

式中c_E0——基本顶初次来压步距，m；

m_E1——作为基本顶的岩层的厚度，m；

σ_tE1——作为基本顶的岩层的抗拉强度，Pa；

γ_E1——作为基本顶的岩层的容重，N/m³；

S300～计算煤层的裂隙带高度；

S400～采用离散元数值模拟软件UDEC分析大采高综采工作面顶板运动规律及塑性区分布规律，得出大采高综采工作面顶板在不同推进步距时的断裂、离层、垮落特征以及支承压力和塑性区的分布、演化特征；

S500～通过UDEC软件模拟工作面在不同推进距离时顶板的运动情况，从而选择推进距离进行煤层开采；

S600～煤层开采后，进行覆岩“三带”发育规律探测，确定导水裂隙带的上界高度，为顶板的支护方式提供依据；

S700～进行工作面底板比压测试，确定底板类型，为底板的支护方式提供依据；

工作面底板比压测试步骤：当工作面推进至测站位置时，安装底板比压仪，安设仪器的要点是：垂直于顶、底板，接触真顶和真底，在安设前必须要做到以下几点：①清理浮煤、浮矸，平整柱窝，漏出要观测的底板；②清理顶板，顶板要平整，勿使仪器顶盖与荆条、木梁、破碎顶板接触；③考虑工作面底板岩性，确定底座压模尺寸；④将仪器安放在清理好的柱窝里，一人手扶仪器，另一个人手摇泵压，使活柱伸出，直至接触顶板，仪器具有一定的支撑力后，可以不用人扶而自立为止；⑤仪器安设好以后，即可测读数据，首先记录压力表与压入深度的初读数，然后按一定增量加压，每次递增2~3MPa油压，并记录下每次泵压压力表与压入深度的观测数据，观测数据记录在表格中；⑥泵压操作时，加压到30MPa，压力表读数不要超过从仪器最大额定工作压力换算来的极限值，否则仪器将会发生变形破坏；

结果分析：

①压入量和底板比压强度计算：

根据原始观测记录，按下式整理出各次的压入量hi值：

（7）

式中：h_i—压入量，mm；H₀—压入量初读数，mm；Hi—第i次压入的读数值，mm；

按下式计算底板比压强度：

（8）

式中：D₁—仪器油缸直径，mm；d_m—底座压模直径，mm；q_zi—第i次泵压时压力表的读数值，MPa；

②底板抗压入强度确定：

根据相应的q_mi与h_i值作出测站位置的底板比压与压入量的关系曲线图，从图中可以找出底板表分层临破坏前的拐点，此拐点上的比压值即为测站位置的底板抗压入强度值q_m；

③底板刚度计算：

（9）

式中：K_m—底板的刚度值，MPa/mm；q_m—拐点的比压值，MPa；h_m—拐点的压入量，mm；

④容许底板比压和容许刚度：

（10）

（11）

式中：C为安全系数，取0.75，对中硬以上岩层取0.85；

⑤对照MT553－1996《缓倾斜煤层采煤工作面底板分类》表，确定底板类型。