【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術專利涉及礦山災害控制領域特別是采空區(qū)支承壓力控制領域，具體涉及到一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法。
技術介紹
1、隨著我國煤炭開采難度不斷加大，深部煤炭開采既是我國能源安全的戰(zhàn)略選擇，也是必然趨勢。然而，隨著開采深度的增加，巖體將面臨“三高一擾動”的復雜應力環(huán)境，巷道圍巖破壞嚴重，礦壓顯現(xiàn)劇烈，塑性區(qū)與破碎區(qū)范圍增大，圍巖變形量大。為此，針對深部巷道的應力情況和穩(wěn)定性展開研究是十分有必要的。
2、切頂卸壓技術是新型開采手段之一，該技術通過變化頂板整體力學結構，使煤礦開采工作邁向了新高度，使整體開采效率得到顯著提升，同時為相關企業(yè)降低了采集成本，還避免了環(huán)境污染和資源浪費的情況發(fā)生。
3、我們對采場上覆巖層局部或者直至地表的全部巖體起控制作用的巖層稱為關鍵層，前者稱為亞關鍵層，后者稱為主關鍵層。其中，基于關鍵層理論和不同層位巖層破壞移動形態(tài)，左建平等建立了采動覆巖整體移動類雙曲線模型。該模型將地表“漏斗形”沉陷和頂板“倒漏斗形”破斷統(tǒng)一成一個整體。類雙曲線頂點大約位于主關鍵層位置，即主關鍵層是上覆巖層中破壞最窄的巖層。類雙曲線模型揭示了覆巖內部移動規(guī)律及力學機理，指出主關鍵層處于拐點位置，是巖層破斷移動控制的關鍵層位，在采場上覆蓋巖層活動中起主要控制作用，所以對關鍵層進行研究是十分有必要的。
4、因此，我們有必要將采動覆巖移動類雙曲線模型與支承壓力聯(lián)系起來，研究通過對主關鍵層進行切頂來改變類雙曲線的曲率，從而改變煤層采空區(qū)邊界采動支承壓力。其核心是通過對主關鍵層
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術主要是通過理論確定的主關鍵層位置進行切頂，使切頂后上覆巖層類雙曲線頂點位置的曲率減小，采動支承壓力峰值和影響范圍也減小。目的是提供一種能夠有效降低支承壓力峰值和影響范圍，降低應力集中區(qū)域的面積，實現(xiàn)礦山災害控制的技術方法。
2、本專利技術提出了一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法。該技術將采動覆巖移動類雙曲線模型與煤層采空區(qū)邊界支承壓力聯(lián)系起來，通過改變上覆巖層類雙曲線頂點位置的曲率對支承壓力實現(xiàn)調控。在傳統(tǒng)切頂卸壓的基礎上，根據(jù)建立的巖層移動類雙曲線頂點曲率與煤層采空區(qū)邊界采動支承壓力之間的定量關系，能夠較快找到切頂?shù)奈恢谩Ｍㄟ^對主關鍵層切頂，主關鍵層斷裂塊體發(fā)生回轉擠壓下部外懸?guī)r層，下面的巖層外懸部分也會發(fā)生鏈式斷裂，采動支承壓力峰值和影響范圍也減小，此專利技術可以應用于支承壓力控制，礦山災害控制等方面。
3、為實現(xiàn)上述目的，設計了一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法：
4、(1)首先，根據(jù)關鍵層理論，判定上覆巖層中的主關鍵層，必須滿足強度和剛度2個條件：
5、
6、其中，
7、式中，e、h、γ分別為巖層的彈性模量、厚度、容重；q為巖層上的載荷；[σt]為巖層抗拉強度；l為巖層周期斷裂步距。由此可確定上覆巖層中的關鍵巖層，最上部關鍵巖層稱為主關鍵層；
8、(2)基于巖層移動類雙曲線模型，得出頂板自然破斷形成的類雙曲線邊界及頂點位置的曲率；
9、(3)現(xiàn)場實測煤層采空區(qū)邊界采動支承壓力峰值pmax，通過鉆孔壓力傳感器發(fā)進行測定，在煤層中布置鉆孔，安裝壓力傳感器，通過壓力傳感器實時監(jiān)測支承壓力的變化；
10、(4)室內試驗測得煤體的單軸抗壓強度σc，在試件上施加單向壓力，測定材料在壓縮荷載的承載能力。通過對主關鍵層進行切頂，進行壓裂循環(huán)，直至采動支承壓力峰值控制在小于煤體單軸抗壓強度；
11、(5)通過在主關鍵層切頂卸壓將采動支承壓力峰值控制在小于[σc]，根據(jù)建立的巖層移動類雙曲線頂點曲率與煤層采空區(qū)邊界采動支承壓力之間的定量關系，可確定主關鍵層精準切頂?shù)奈恢茫?/p>
12、
13、其中，，k1為切頂后類雙曲線頂點的曲率k2是切頂前類雙曲線頂點的曲率a、b為切頂前類雙曲線的實軸和虛軸；r1為巷道及回采空間的半徑；c為巖體的粘聚力；為巖體的內摩擦角。
14、所述的上覆巖層中必須存在主關鍵層，根據(jù)關鍵層理論來判定。
15、所述的主關鍵層切頂一般采用水力壓裂切頂技術，可預先在水中添加砂子，高壓開一個槽，槽端產(chǎn)生應力集中，易于定向壓裂，一般深度為0.5m～1.0m。
16、所述的主關鍵層水力壓裂切頂水壓與埋深呈正相關，壓裂時水中不添加砂子，一般常規(guī)開采深度，水壓力范圍為30mpa～70mpa，深部開采水壓要大于70mpa。
17、所述的現(xiàn)場測定采動支承壓力峰值，需要采用鉆孔應力計來進行實時監(jiān)測，觀察是否降低到預期值，如果比預期值高，在下一個壓裂循環(huán)中，需要減小類雙曲線頂點曲率，重新調整壓裂位置，增大類雙曲線頂點間距。
18、所述的主關鍵層壓裂可采用地面打井，采用水平井分段壓裂，也可以井下向頂板打孔壓裂，具體采用哪種方式根據(jù)主關鍵層的位置確定最優(yōu)的打孔方式。
19、本專利技術與傳統(tǒng)的采動支承壓力控制技術相比，具有以下優(yōu)點：
20、第一，本專利技術根據(jù)建立的巖層移動類雙曲線頂點曲率與煤層采空區(qū)邊界采動支承壓力之間的定量關系，能夠較快找到切頂?shù)奈恢茫捌跍蕚涔ぷ骺梢暂^快完成，節(jié)省人力和時間。
21、第二，本專利技術通過改變上覆巖層類雙曲線頂點位置的曲率，從而達到減小支承壓力峰值和影響范圍的目的，提高了煤礦的安全性，達到減災抑災的目的。
22、第三，切頂技術現(xiàn)在已經(jīng)投入實際的工程使用中，我們采用水力壓裂弱化切頂技術，技術較為成熟，更加安全高效，降低巷道圍巖應力。施工工藝成熟，能達到事半功倍的效果，節(jié)省資源，經(jīng)濟性強。
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1.一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其主要包含以下內容：
2.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中上覆巖層中必須存在主關鍵層，根據(jù)關鍵層理論來判定。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中主關鍵層切頂一般采用水力壓裂切頂技術，可預先在水中添加砂子，高壓開一個槽，槽端產(chǎn)生應力集中，易于定向壓裂，一般深度為0.5m～1.0m。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中主關鍵層水力壓裂切頂水壓與埋深呈正相關，壓裂時水中不添加砂子，一般常規(guī)開采深度，水壓力范圍為30MPa～70MPa，深部開采水壓要大于70MPa。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，主關鍵層切頂后，主關鍵層下方亞關鍵層及其控制的巖層將發(fā)生鏈式斷裂，避免了多個關鍵層壓裂，亞關鍵層鏈式斷裂塊體長度小于周期來壓步距，一般為8m～15m，鏈式斷裂角大于自然斷裂角，一般鏈式
6.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，主關鍵層壓裂后，現(xiàn)場要采用鉆孔應力計對采動支承壓力進行實時監(jiān)測，是否降低到預期值，如果比預期值高，在下一個壓裂循環(huán)中，需要減小類雙曲線頂點曲率，重新調整壓裂位置，增大類雙曲線頂點間距。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，主關鍵層壓裂可采用地面打井，采用水平井分段壓裂，也可以井下向頂板打孔壓裂，具體采用哪種方式根據(jù)主關鍵層的位置確定最優(yōu)的打孔方式。
...【技術特征摘要】
1.一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其主要包含以下內容：
2.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中上覆巖層中必須存在主關鍵層，根據(jù)關鍵層理論來判定。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中主關鍵層切頂一般采用水力壓裂切頂技術，可預先在水中添加砂子，高壓開一個槽，槽端產(chǎn)生應力集中，易于定向壓裂，一般深度為0.5m～1.0m。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動覆巖移動類雙曲線曲率與支承壓力調控抑災的方法，其中主關鍵層水力壓裂切頂水壓與埋深呈正相關，壓裂時水中不添加砂子，一般常規(guī)開采深度，水壓力范圍為30mpa～70mpa，深部開采水壓要大于70mpa。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種煤礦采動...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：孫運江，靳思維，左建平，許宏帆，譚越，潘銳，申小龍，翟辰翔，
申請(專利權)人：中國礦業(yè)大學北京，
類型：發(fā)明
國別省市：
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