[发明专利]基于双指标权重法的特厚煤层沿空煤巷开掘时间设计方法

权利要求书

1.一种基于双指标权重法的特厚煤层沿空煤巷开掘时间设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，以基本顶下沉量为指标，确定沿空掘巷开掘时间T₁

步骤1.1)现场调研与室内实验

调研基本顶、直接顶、煤体厚度和煤层采出率；实验室测得直接顶与煤体碎胀系数，基本顶岩层的弹性模量与粘性模量；

步骤1.2)基本顶最大下沉量计算

考虑到特厚煤层开采过程煤体采出率低及煤、岩体碎胀性、强度的差异性，近25％未采出的煤体将随直接顶一起冒落并抑制基本顶下沉，据此确定基本顶的最大下沉量W_max，其表达式如下：

W_max＝M+∑h-∑h·k₁-(1-α)M·k₂ (1)

式中，M为开采煤层厚度，∑h为直接顶岩层厚度，k₁为冒落岩体的碎胀系数，k₂为碎裂煤体的碎胀系数，α为顶煤放出率，15m以上特厚煤层α＝75％；

特厚煤层开采过程中，基本顶沉降的动态方程表达式如下：

式中，q_Z为基本顶所受到的岩层载荷，l_m为基本顶的断裂步距，E和η为基本顶的弹性模量与粘性模量，F为冒落煤岩体的综合抗压强度；F的关系式如下：

式中，F₁为冒落岩体的抗压强度，F₂为冒落顶煤的抗压强度；

动态方程(2)属于指数函数，其导数表示基本顶下沉速率；由指数函数特点可知，随着时间增大，基本顶下沉速率将逐渐减小，即当基本顶下沉量达到某一临界指标时，基本顶下沉速率将大幅降低并趋近于0；结合大量工程实践经验，以基本顶最大下沉量的70％作为临界指标，当基本顶下沉量达到70％W_max临界指标时，基本顶下沉运动将趋于缓慢并稳定，运动速率低，不会再发生剧烈结构性运动，对下位岩体稳定性影响小，即

第二步，以巷道围岩变形速率为时间指标，确定沿空掘巷开掘时间T₂

步骤2.1)在特厚煤层工作面前方建立一个监测站，该监测站位于相邻工作面生产系统范围内，而非本工作面超前巷道内；

步骤2.2)在监测站断面内安装顶底板与两帮位移监测设备，保证设备实时监测围岩移近量；

步骤2.3)以监测站与工作面推进位置为横坐标，顶底板、两帮移近速率为纵坐标，绘制曲线图，监测工作自监测站前方Ym处开始，Y≥100m，直至巷道变形速率减小至4mm/d结束；围岩变形速率小于4mm/d，即表明巷道围岩处于基本稳定状态；

步骤2.4)根据工作面平均推进速度，得出变形速率降低至4mm/d所需要的时间T₂，

式中，S为变形速率减小至4mm/d时的横坐标值，v为工作面推进速度；

第三步，确定沿空掘巷开掘时间T

步骤3.1)确定基本顶当量参数P、煤体当量参数σ

基本顶当量参数P是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

P＝241.3ln(c₀)-15.5N+52.6h_m (6)

式中，c₀为基本顶初次来压步距、N直接顶充填系数、h_m为煤层采高；

煤体当量参数σ是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

式中，σ_c为煤体单轴抗压强度，GSI为煤体裂隙发育程度系数，D为采动影响指数，m_i为煤体常量；

步骤3.2)确定权重系数

根据基本顶当量参数P与煤体当量参数σ确定两指标相应的权重因子a和b，其中，a为T₁的权重因子，b为T₂的权重因子；

步骤3.3)计算合理掘进时间

将权重因子a、b组成矩阵A

第一、二步得出的沿空掘巷开掘时间T₁，T₂组成矩阵B

计算沿空掘巷开掘时间T

2.根据权利要求1所述的一种基于双指标权重法的特厚煤层沿空煤巷开掘时间设计方法，其特征在于，在特厚煤层工作面前方Ym处建立监测站，Y≥100m。

3.根据权利要求1所述的一种基于双指标权重法的特厚煤层沿空煤巷开掘时间设计方法，其特征在于，步骤2.2)中，所述监测设备为测量杆或测线。