[发明专利]一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法

权利要求书

1.一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法，其特征在于，分为如下步骤：

第一步，以基本顶下沉量为指标，确定沿空巷道开掘时间T₁

步骤1.1)现场调研与室内实验

调研基本顶厚度、直接顶岩层厚度、开采煤层厚度和顶煤放出率；实验室测得冒落岩体的碎胀系数与碎裂煤体的碎胀系数，基本顶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、岩体碎胀特性、强度差异性，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％；

15m以上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；动态方程表达式(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；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，以巷道围岩裂隙发育深度为时间指标，确定沿空巷道开掘时间T₂

步骤2.1)在特厚煤层工作面侧向建立一个监测站，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)在监测站断面内增打顶板钻孔，顶板钻孔深度为顶煤与直接顶厚度之和；

步骤2.3)监测自工作面经过监测站开始，直至巷道围岩应力趋于稳定时结束，以监测站与工作面推进位置为横坐标，顶板裂隙深度为纵坐标，绘制曲线图，分别确定顶板裂隙发育最大深度ρ_max；

步骤2.4)根据工作面推进速度，确定裂隙深度达到80％ρmax，所需要的时间T₂；

第三步，确定合理的沿空巷道开掘时间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 (5)

式中，C₀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；s为反映煤岩体力学性质的参数，m_b为反映煤岩体硬度性质的参数；

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T₁、T₂，其中a为T₁占的权重，b为T₂占的权重；

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、二步得出的沿空巷道开掘时间T₁，T₂组成矩阵B

计算合理的沿空巷道开掘时间T