專利名稱：深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深部煤炭開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于室內(nèi)研究無煤柱長壁開采
下預(yù)裂切頂留巷的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法及裝置。
背景技術(shù)：
在我國，井工開采的煤炭產(chǎn)量占據(jù)全國煤炭產(chǎn)量的96%，長壁開采又是井工開采 的主要方法。隨著煤炭開采深度的增加，在長壁開采過程中的每個區(qū)段修建的上順槽巷道 維護(hù)極為困難，而且常伴隨一系列地質(zhì)災(zāi)害。例如，殘留護(hù)巷煤柱在較大深度的煤層中，會 導(dǎo)致煤巖層壓力增大，出現(xiàn)瓦斯與煤的混合突出、沖擊地壓頻發(fā)等動力災(zāi)害現(xiàn)象，造成煤柱 下近距煤層的采掘條件的急劇惡化。 目前，針對采區(qū)巷道維護(hù)困難的情況，解決的辦法主要是留設(shè)護(hù)巷煤柱、沿空掘 巷、沿空留巷等幾種常用方法。留設(shè)較大煤柱以保護(hù)準(zhǔn)備巷道，造成煤炭資源的大量浪費(fèi)。 沿空留巷由于是在上區(qū)段工作面回采的同時構(gòu)筑的，受到采空區(qū)巖層劇烈活動的影響后， 無論是頂?shù)装暹€是兩幫都劇烈變形，巷道維護(hù)困難。沿空掘巷有沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)和留小 煤柱掘進(jìn)兩種，當(dāng)留小煤柱掘進(jìn)時，小煤柱越寬，巷道就越靠近支撐壓力峰值。當(dāng)工作面采 動，二次采動引起支撐壓力與初次采動引起支撐壓力疊加，從而使工作面前方巷道承受更 大的支撐壓力，小煤柱產(chǎn)生劇烈破壞，巷道周邊的塑性區(qū)、破碎區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。無論 采用哪種方法都無法避免一種現(xiàn)象，即巷道圍巖變形，尤其是在煤巷中，圍巖更容易發(fā)生變 形，圍巖變形后巷道斷面縮小，阻礙運(yùn)輸、通風(fēng)和人員行走，因圍巖變形而造成巷道報廢的 現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)和威脅了工人的人身安全。所以探尋解決困擾長壁開采的 技術(shù)途徑和方法，就具有了十分重要的意義和實(shí)用價值，也就成為了本發(fā)明當(dāng)前所要解決 的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，基于長壁開采工作面布置及頂板跨落規(guī)律和長壁 開采工作面礦壓分布規(guī)律，本發(fā)明旨在提供一種新的成巷方法，以達(dá)到煤礦深部采場安全、 高效、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的開采。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括對首采面進(jìn)行上、下順槽加工；工作 面回采，在下順槽工作面?zhèn)冗M(jìn)行頂板預(yù)裂處理；開采中老頂來壓下沉并最終自頂板預(yù)裂處 完全斷裂，下順槽自動成預(yù)留巷并作為下一工作面的上順槽使用；返回步驟二重復(fù)進(jìn)行，循 環(huán)完成深部采場開采和自動成巷過程。 所述步驟二還包括在下順槽工作面?zhèn)冗M(jìn)行頂部加固錨桿的安裝。
所述下順槽中還布設(shè)有遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。
所述預(yù)留巷道還包括防漏防火處理。 所述頂板預(yù)裂處理為頂板預(yù)裂爆破鉆孔，鉆孔數(shù)量為一個以上，鉆孔沿順槽方向
3直線均勻分布。 所述深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括開采面模型和模型框架，開采面 模型包括工作面、直接頂、老頂以及位于工作面中首采面兩側(cè)的上順槽和下順槽，還包括定 向切縫裝置、應(yīng)力傳感器、信號無線發(fā)射_接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和應(yīng)力電子顯示器，定 向切縫裝置位于下順槽工作面?zhèn)鹊捻敳浚瑧?yīng)力傳感器設(shè)于開采面模型中的直接頂和老頂之 間，應(yīng)力傳感器通過無線發(fā)射-接收裝置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠康臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，并在應(yīng)力 電子顯示器中顯示。 所述深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，還包括防沖防爆增阻錨桿，防沖防爆
增阻錨桿設(shè)于下順槽頂板上方的巖層中。 所述應(yīng)力傳感器的數(shù)量為一個以上。 本發(fā)明提供了一種研究長壁開采下的成巷新方法——深部采場自動成巷物理模 擬實(shí)驗(yàn)方法，這種成巷新方法通過改變傳統(tǒng)長壁開采一面雙巷模式，采用定向預(yù)裂切頂留 巷技術(shù)，保留首采面下順槽回采巷道，作為鄰近下一新工作面回采巷道之一，從而實(shí)現(xiàn)了單 面單巷開采。它具有能夠消除鄰近工作面煤體上方應(yīng)力集中、減小采掘比、提高生產(chǎn)效率、 減少資源浪費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，避免了因煤柱留設(shè)造成的煤與瓦斯混合突出、沖擊地壓、煤體自燃等 地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，屬于一種安全高效、經(jīng)濟(jì)科學(xué)的開采新技術(shù)。為了在室內(nèi)能夠模擬這種開 采新技術(shù)的實(shí)際操作過程和應(yīng)用效果，本發(fā)明還基于上述原理設(shè)計(jì)了深部采場自動成巷物 理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，以驗(yàn)證本方法的可靠性，保證實(shí)驗(yàn)過程真實(shí)、有效。


圖1為本發(fā)明模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法及裝置，依據(jù)深部采場開采作 業(yè)時直接頂在自重應(yīng)力和老頂壓力耦合作用下的坍塌、斷裂過程，采用在下順槽工作面?zhèn)?進(jìn)行頂板預(yù)裂處理的方式，結(jié)合加固錨索使下順槽頂板避免直接斷裂和塌陷，并作為下一 個新開采工作面的上順槽繼續(xù)使用，依此循環(huán)，逐步完成深部采場自動成巷和開采過程。實(shí) 驗(yàn)過程中，下順槽頂板應(yīng)力變化可通過應(yīng)力傳感器進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)無線傳輸和 數(shù)據(jù)處理后在應(yīng)力電子顯示器上顯示，以保證生產(chǎn)安全進(jìn)行。
下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述 本發(fā)明所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括首先對首采面進(jìn)行上、 下順槽1，2加工，為開采做前期準(zhǔn)備；為提高生產(chǎn)效率、降低能源浪費(fèi)，接著，需對上、下順 槽1，2工作面進(jìn)行回采，并在下順槽2工作面?zhèn)鹊捻敳窟M(jìn)行頂板3預(yù)裂處理。此處，頂板3 預(yù)裂處理采用頂板預(yù)裂爆破鉆孔的方式，將多個鉆孔沿著順槽方向在下順槽2工作面?zhèn)鹊?頂部進(jìn)行直線均勻分布，并通過爆破方式形成直線定向切縫4，使直接頂和老頂在下順槽2 工作面?zhèn)鹊捻敳啃纬商崆岸ㄏ蚯锌p4，阻斷其與首采面頂部的連接和應(yīng)力傳遞。同時，為提 高直接頂?shù)目煽啃裕谙马槻?的頂板上方巖層中還安裝有多組防沖防爆增阻錨桿5，以進(jìn) 一步阻止該處頂板的塌落，提高老頂和直接頂?shù)姆€(wěn)固性。為了使操作者及時了解和掌握直 接頂及老頂內(nèi)部應(yīng)力的變化情況，研究斷裂發(fā)展、發(fā)生過程，在下順槽2的頂部還布設(shè)有遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)可有效探測并傳輸應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，并形成曲線表示出 來。最后，當(dāng)開采進(jìn)行中，老頂來壓，在直接頂自重應(yīng)力和老頂壓力的耦合作用下首采工作 面頂板3開始下沉變形，當(dāng)開采進(jìn)行到首采面末段時，受下順槽2工作面?zhèn)软敳慷ㄏ蚯锌p4 的影響，直接頂和老頂會在定向切縫4處斷裂，使下順槽2頂部避免直接坍塌，保證了下順 槽2的完整性，首采面開采完成后下順槽2可作為下一個工作面的預(yù)留巷保留、使用，而不 必再對下一工作面進(jìn)行上順槽施工，簡化了施工過程。當(dāng)然，為提高下順槽2作為預(yù)留巷使 用的可靠性和適用性，對預(yù)留巷還可進(jìn)行防漏防火處理，以保證下一工作面開采使用的需 要。依此往復(fù)進(jìn)行，整個開采過程既實(shí)現(xiàn)了單面單巷開采，又提高了生產(chǎn)效率，保證了生產(chǎn) 安全性。 深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括開采面模型13、模型框架10、定向切 縫裝置、防沖防爆增阻錨桿5、應(yīng)力傳感器6、信號無線發(fā)射-接收裝置8、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11 和應(yīng)力電子顯示器7。其中，開采面模型13主要包括工作面、直接頂、老頂以及位于工作面 中首采面兩側(cè)的上順槽1和下順槽2，定向切縫裝置位于下順槽2工作面?zhèn)鹊捻敳?，定向?縫裝置負(fù)責(zé)對下順槽2工作面?zhèn)软敳窟M(jìn)行定向爆破鉆孔，并形成定向切縫4切斷首采面與 下順槽2頂部巖層的聯(lián)系，阻斷應(yīng)力傳遞。防沖防爆增阻錨桿5設(shè)于下順槽2頂板上方的 巖層中，以進(jìn)一步增強(qiáng)下順槽2頂部巖層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高可靠性。應(yīng)力傳感器6設(shè)于開采 面模型13中下順槽2頂部的直接頂和老頂之間，應(yīng)力傳感器6的數(shù)量為一個以上，一個以 上的應(yīng)力傳感器6不斷地采集巖層中不同位置上應(yīng)力變化的數(shù)據(jù)，并在應(yīng)力電子顯示器7 中顯示出來，同時，通過無線發(fā)射-接收裝置8將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)處理系統(tǒng)11中，形成 曲線在顯示器中顯示。 具體操作過程如下接通電源12，應(yīng)力傳感器6、信號無線發(fā)射-接收裝置8、數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)11和應(yīng)力電子顯示器7上電工作。首采面煤層隨著開采的進(jìn)行逐漸減少，上覆直 接頂板3在直接頂自重應(yīng)力和上覆老頂壓力的耦合作用下開始下沉變形。由于預(yù)先在下順 槽2工作面?zhèn)软敳窟M(jìn)行了預(yù)裂定向切縫4，所以頂板3在下沉_彎曲_斷裂_塌落過程中， 對下順槽2頂板影響較小，下順槽2上方頂板不會隨之塌落。隨著煤層首采面開采進(jìn)度的 加劇，頂板3內(nèi)應(yīng)力逐漸增加，分布在下順槽2頂部巖層中的多個應(yīng)力傳感器6不斷地采集 直接頂和老頂之間不同位置上應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，并在應(yīng)力電子顯示器7中顯示，同時，無線發(fā) 射-接收裝置8將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)處理系統(tǒng)11中進(jìn)行分析、匯總。數(shù)據(jù)顯示，頂 板3應(yīng)力在不斷增長，當(dāng)直接頂板3內(nèi)應(yīng)力大于巖層抗剪強(qiáng)度時，首采面頂板3發(fā)生塌陷， 下順槽2成為了新工作面上順槽的左側(cè)邊幫，實(shí)現(xiàn)了開采過程的自動成巷功能。而在防沖 防爆增阻錨桿5和定向切縫4的措施下，新工作面上順槽上覆頂板并沒有發(fā)生破壞。數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)11工作過程中，可在顯示器上繪制出新上順槽頂板應(yīng)力隨時間變化的曲線，以便 隨時掌握頂板應(yīng)力演變特征，為安全開采提供直觀依據(jù)。
權(quán)利要求
深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括步驟一對首采面進(jìn)行上、下順槽加工；步驟二工作面回采，在下順槽工作面?zhèn)冗M(jìn)行頂板預(yù)裂處理；步驟三開采中老頂來壓下沉并最終自頂板預(yù)裂處完全斷裂，下順槽自動成預(yù)留巷并作為下一工作面的上順槽使用；步驟四返回步驟二重復(fù)進(jìn)行，循環(huán)完成深部采場開采和自動成巷過程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步 驟二還包括在下順槽工作面?zhèn)冗M(jìn)行頂部加固錨桿的安裝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述下 順槽中還布設(shè)有遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。
4 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述步 驟三中預(yù)留巷道還包括防漏防火處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在 于，所述頂板預(yù)裂處理為頂板預(yù)裂爆破鉆孔，鉆孔數(shù)量為一個以上，鉆孔沿順槽方向直線均 勻分布。
6. 深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括開采面模型和模型框架，所述開采面模 型包括工作面、直接頂、老頂以及位于工作面中首采面兩側(cè)的上順槽和下順槽，其特征在 于，還包括定向切縫裝置、應(yīng)力傳感器、信號無線發(fā)射_接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和應(yīng)力電 子顯示器，所述定向切縫裝置位于下順槽工作面?zhèn)鹊捻敳?；所述?yīng)力傳感器設(shè)于開采面模 型中的直接頂和老頂之間，應(yīng)力傳感器通過無線發(fā)射_接收裝置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠康臄?shù)據(jù) 處理系統(tǒng)中，并在應(yīng)力電子顯示器中顯示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，還包括 防沖防爆增阻錨桿，所述防沖防爆增阻錨桿設(shè)于下順槽頂板上方的巖層中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述應(yīng) 力傳感器的數(shù)量為一個以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種研究長壁開采下的成巷新方法——深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，其改變了傳統(tǒng)長壁開采一面雙巷的模式，采用定向預(yù)裂切頂留巷技術(shù)，保留首采面下順槽回采巷道，作為鄰近下一新工作面回采巷道之一，從而實(shí)現(xiàn)了單面單巷開采。具有能夠消除鄰近工作面煤體上方應(yīng)力集中、減小采掘比、提高生產(chǎn)效率、減少資源浪費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，屬于一種安全高效、經(jīng)濟(jì)科學(xué)的開采新技術(shù)。同時，基于上述原理設(shè)計(jì)了深部采場自動成巷物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，以驗(yàn)證本方法的可靠性，保證實(shí)驗(yàn)過程真實(shí)、有效。
文檔編號G01L1/00GK101737056SQ200910241429
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者何滿潮, 孫曉明, 張斌, 楊軍, 郭志飚 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)