CN117345237A - 水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业对综放工作面端头顶煤进行弱化以实现精准控制放顶煤工作面端头悬空顶煤的最大悬空长度，先根据目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据进行建模和数值模拟，获得能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数后在矿井目标综放工作面现场进行“水力掏煤‑顶煤垮落‑水力割缝‑顶煤垮落”的工作面回采。本发明能够在实现有效弱化顶煤力学强度并控制顶煤最大悬空长度的前提下实现精准控制，特别适用于放顶煤工作面端头悬空顶煤的弱化垮落处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬空顶煤落放方法，具体是一种弱化综放工作面端头悬空顶煤力学强度并显著降低悬空顶煤最大悬顶长度的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，属于煤矿安全开采技术领域。
背景技术
近年来，厚煤层开采过程中的高产高效和安全问题，一直是困扰我国煤炭企业的两大难题，综采放顶煤开采技术以其高产、高效和安全等综合优势，目前是我国厚煤层开采的主要技术手段。放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工艺。采用放顶煤开采方法开采煤层时，沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为2～3m的采煤工作面，用综合机械化方式进行回采，利用矿山压力的作用或辅以松动***等方法，使顶煤由支架后方或支架上的“放煤窗口”放出、并由刮板运输机运出工作面。放顶煤开采方法具有许多显著优点，适合5m～20m厚的煤层一次性全高开采，一次性采出原来厚煤层需分层多次才能采出的煤炭。但若采煤工作面上方的顶煤较为坚硬，则部分顶煤特别是在工作面端头顶煤难以及时垮落并形成悬顶，当端头顶煤悬空长度较大时，该部分顶煤容易积聚大量的弹性能，若在采场的扰动下发生突然断裂，则有可能诱发顶板事故，同时，悬空顶煤的存在也会导致采空区瓦斯积聚与漏风，诱发瓦斯灾害隐患和煤自然隐患。因此放顶煤工作面端头的顶煤悬空长度不宜过长，需通过技术手段促使工作面端头悬空顶煤及时垮落。
常规的放顶煤工作面悬空顶煤强制放顶方法主要通过对悬空煤体进行预先强度弱化，缩短顶煤自然冒落所需要的悬空长度，通常采用******、水力压裂、二氧化碳预裂等手段，但均存在一定的不足：******弱化效果好，但所产生的高能量释放容易诱发瓦斯***、煤尘自然等事故，存在较大的安全隐患，且***的获取及存储均存在较大的困难；水力压裂无污染且安全性强，但在煤层中的压裂效果较弱，且裂纹扩展方向及长度的可控性差，难以实现精准弱化；二氧化碳预裂技术相对较新，单次压裂成本较高，目前难以广泛推广。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，具有安全可靠、成本可控制且弱化效果好的特点，能够在实现有效弱化顶煤力学强度并控制顶煤最大悬空长度的前提下实现精准控制，特别适用于放顶煤工作面端头悬空顶煤的弱化垮落处理。
为实现上述目的，本水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业对综放工作面端头顶煤进行弱化以实现精准控制放顶煤工作面端头悬空顶煤的最大悬空长度，具体包括以下步骤：
Step1，获取矿井资料数据，获取目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据；
Step2，根据Step1的数据构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型、并进行目标综放工作面回采过程的数值模拟，获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据，利用矿井现场的顶板与顶煤周期断裂垮落数据、煤层采动应力数据、巷道围岩变形离层数据对该数值模拟模型进行验证与参数优化，形成符合矿井现场实际生产条件与监测数据的仿真模型；在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟，获得能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数；
水力掏煤和水力割缝交替联合作业满足：
式中：为第n次水力掏煤所影响的悬顶弱化长度，/>为第n次水力割缝所影响的悬顶弱化长度；Lm为控制悬顶及时垮落所需的悬顶弱化长度；
Step3，依据Step2获得的交替联合弱化顶煤技术参数在矿井目标综放工作面现场进行施工：在工作面前方巷道空间内布置水力破煤装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔、并通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆的旋转与回退移动，在悬空顶煤中形成水力破煤空穴，完成水力掏煤后撤除水力破煤装备，完成一次水力掏煤作业；随着工作面向前推进，待端头后方悬空顶煤垮落后，在工作面前方巷道空间内布置水力割缝装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔、并通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆的回退移动，在悬空顶煤中形成水力割缝，完成端头后方悬空顶煤中所有水力割缝后撤除水力割缝装备，完成一次水力割缝作业；
Step4，随着工作面的持续向前推进，根据矿井目标综放工作面现场的实时监测数据持续对数值模拟模型与仿真模型进行验证与优化、并优化修正交替联合弱化顶煤技术参数，在矿井目标综放工作面现场自后向前依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采。
进一步的，Step2中构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型过程中，计算顶煤最大悬空长度时，悬空顶煤远端弯矩最大值Mm为：
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸，q1为悬空顶煤受到的直接顶传递的载荷密度，q2为悬空顶煤自身重力所产生的载荷密度；
悬空顶煤所受到的最大拉应力σm为：
式中：H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸；
顶煤的抗拉强度σt为：
式中：kc为煤体中的裂隙度系数，取值范围为0.3～0.9；σc为顶煤抗压强度；
当σm达到顶煤的抗拉强度σt时顶煤发生断裂失稳，求解得出顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸L3的最大值。
进一步的，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，水力破煤空穴的直径尺寸与深度尺寸满足
Rcosθ+L4 sinθ＜H1
式中：R为水力破煤空穴的直径尺寸、L4为水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸、θ为水力破煤钻杆仰角；
水力割缝的数量、宽度尺寸与深度尺寸应满足
L7cosθ1＜L3
nL8 cosθ1+L3 tanθ1＜H1
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸、L7为水力割缝沿前后方向上的深度尺寸、θ1为水力割缝钻杆仰角、L8为水力割缝的宽度尺寸，n为水力割缝的数量、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸。
进一步的，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，悬空顶煤发生断裂垮落所需要的最大长度尺寸与弱化的力学强度的关系满足
f1＝ρ1gH1
f2＝ρ2gH1
式中：Rm为顶煤的抗拉强度、f1为直接顶的自身重力、f2为顶煤的自身重力、ρ1为直接顶的物质密度、ρ2为顶煤的物质密度、g为重力加速度。
进一步的，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，自悬空顶煤与工作面端头支护装备的顶梁交界处附近进行钻入，且水力破煤空穴和水力割缝向前延伸的范围不超过悬空顶煤与工作面端头支护装备顶梁的交界处。
进一步的，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，模拟水力掏煤时钻杆与工作面前方巷道空间沿前后方向上的内错角为0°，模拟水力割缝时钻机设置在靠近巷道煤柱一侧。
进一步的，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，满足
θ＝arctan[(H2-H3)/L1]
θ1＝arctan[(H2-H3)/L1]
式中：θ为水力破煤钻杆仰角、θ1为水力割缝钻杆仰角、L1为钻机与工作面端头的距离、H2为巷道的高度尺寸、H3为钻机的高度尺寸。
进一步的，Step3中，当水力破煤空穴或水力割缝向前延伸至悬空顶煤与工作面端头支护装备顶梁的交界处后、而悬空顶煤未按照预期跨落时，停止本次水力掏煤作业或水力割缝作业，根据矿井目标综放工作面现场针对已弱化顶煤的实时监测数据，调整水力破煤钻杆仰角θ或水力割缝钻杆仰角θ1以及钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1、并重复Step2，重新向工作面端头后方的悬空顶煤中进行水力掏煤作业或水力割缝作业。
进一步的，Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，通过对不同的水力破煤空穴的初始位置、水力破煤钻杆仰角θ及水力破煤空穴的直径尺寸R、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1进行分组数值模拟，得到不同水力破煤空穴参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力掏煤条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力破煤空穴参数范围；
Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，通过对不同的水力割缝的初始位置、水力割缝钻杆仰角θ1、钻杆沿前后方向的偏角θ2、水力割缝的数量以及水力割缝的宽度尺寸L8、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数进行分组数值模拟，得到不同水力割缝参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力割缝条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力割缝参数范围。
进一步的，Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，根据现场工作面端头支护装备的设置条件与巷道支护的应力变化记录数据及矿压显现记录数据进行分组数值模拟，确定不同周期来压、支护与回采扰动耦合影响下能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数范围。
与现有技术相比，本水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业对综放工作面端头顶煤进行弱化以实现精准控制放顶煤工作面端头悬空顶煤的最大悬空长度，能够显著弱化悬空顶煤的力学强度，大幅缩短悬顶的最大长度，效果显著；同时，本水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法的施工流程相对精炼、工程量小，水射流破煤技术本身相对成熟，施工难度低，且由于每次水力掏煤作业(或水力割缝作业)所影响的顶煤弱化范围会对接下来的水力割缝作业(或水力掏煤作业)的弱化范围产生影响，因此可以增大利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业的间距以实现节约经济成本；另外，本水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法能够通过控制悬顶长度可显著降低工作面生产过程中易诱发端头隅角瓦斯积聚与漏风以及冲击地压、瓦斯灾害与遗煤自燃等安全隐患；此外，水力掏煤和水力割缝过程同时能够促进煤体内部裂隙萌生与扩展，且水对煤体有软化作用，能够进一步提高顶煤破断垮落后的碎胀程度，提升顶煤放出率与整体采煤率。
附图说明
图1是水力掏煤作业的结构示意图，其中：(a)是综放工作面端头前方设备布置与水力掏煤作业的主视图，(b)是(a)的侧向视图，(c)是(a)的俯向旋转视图；
图2是水力割缝作业的结构示意图，其中：(a)是综放工作面端头前方设备布置与水力割缝作业的主视图，(b)是(a)的侧向视图，(c)是(a)的俯向旋转视图；
图3是利用水力掏煤作业和水力割缝作业交替联合对综放工作面端头顶煤进行弱化的结构示意图，其中：(a)是先进行水力掏煤作业的示意图，(b)是后进行水力割缝作业的示意图，(c)是再次进行水力掏煤作业的示意图。
图中：1、目标采动煤层，2、工作面前方巷道空间，3、高压水泵，4、钻机，5、钻杆，6、工作面端头支护装备，7、射流喷嘴，8、水射流，9、综放工作面空间，10、水力破煤空穴，11、工作面端头悬空顶煤，12、工作面后方采空区，13、悬空顶煤已垮落区域，14、水力割缝，15、巷道煤柱；
H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸，H2为巷道的高度尺寸，H3为钻机的高度尺寸，L1为钻机与工作面端头之间的距离尺寸，L2为工作面沿前后方向上的宽度尺寸；L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸，L4为水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸，L5为巷道的上部宽度尺寸，L6为巷道的下部宽度尺寸，L7为水力割缝沿前后方向上的深度尺寸，L8为水力割缝的宽度尺寸，R为水力破煤空穴的直径尺寸，θ为水力破煤钻杆仰角，θ1为水力割缝钻杆仰角，θ2为水力割缝钻杆沿前后方向的偏角，D1为水力破煤对工作面前方悬空顶煤的影响范围，D2为水力割缝对工作面前方悬空顶煤影响范围。
具体实施方式
下面以某煤矿综合放顶煤开采工作面为例、结合附图对本发明做进一步说明。
本水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业对综放工作面端头顶煤进行弱化以实现精准控制放顶煤工作面端头悬空顶煤的最大悬空长度，具体包括以下步骤：
Step1，首先获取包括目标综放工作面煤层地质条件与开采条件的矿井资料数据以及目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据：
该煤矿综合放顶煤开采工作面平均埋深为600m，平均煤层倾角为38°，平均煤层厚度为7.2m。根据煤层上覆煤岩层的综合柱状图(含厚度及岩性等参数)确定目标综放工作面及四邻采空区的布置方式、巷道支护方式以及采煤参数等关键资料。其中目标综放工作面采煤高度为3m，放煤高度为4.2m，巷道上方顶煤的厚度尺寸H1为3.2m，巷道的高度尺寸H2为4m，回采速度为3.2m/天，巷道的上部宽度尺寸L5为4.6m，巷道的下部宽度尺寸L6为5.6m，工作面沿前后方向上的宽度尺寸L2为6m，工作面端头支护装备6采用端头液压支架支护。
为准确获得目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据，在该煤矿井下的目标综放工作面及其采空区现场选取相对完整的煤体、矸石及岩石等大尺寸块体试样携带到地面，在实验室制备标准试样，测试并获取标准试样的抗压强度、抗拉强度、泊松比等实际基础力学参数。具体如下：
井下选取的块体试样应为近似立方体形状，体积不小于0.15m3，在实验室将块体试样加工制备为Ф50×100mm、Ф50×25mm等不同标准尺寸的圆柱体标准试样，对试样进行分组后，利用MTS三轴加载试验机测试获取标准试样的基础力学参数，利用压汞仪与岩石CT机分别测试标准试样内部的孔隙率及裂隙分布结果。
测试后获得原煤标准试样的抗压强度为13.2MPa，抗拉强度为0.9MPa，泊松比为0.30，弹性模量为1.0GPa；原煤标准试样的孔隙率为7.8％，裂隙平均开度为89.1um，裂隙平均体积为2.3×107um3，裂隙度为0.86％。
Step2，根据目标综放工作面煤层地质条件与开采条件，在实验获取煤岩体力学参数的基础上，构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型，并对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟，获得能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数：
首先，利用3DEC软件构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型，将包括目标综放工作面煤层地质条件与开采条件的矿井资料数据以及目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据导入该模型进行目标综放工作面回采过程的数值模拟，获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据，利用矿井现场的顶板与顶煤周期断裂垮落数据、煤层采动应力数据、巷道围岩变形离层数据等数据对该数值模拟模型进行验证与参数优化，优化形成符合矿井现场实际生产条件与监测数据的仿真模型。
计算顶煤最大悬空长度时，悬空顶煤远端弯矩最大值Mm为：
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸，q1为悬空顶煤受到的直接顶传递的载荷密度，q2为悬空顶煤自身重力所产生的载荷密度；
悬空顶煤所受到的最大拉应力σm为：
式中：H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸；
顶煤的抗拉强度σt为：
式中：kc为煤体中的裂隙度系数，通常取值范围为0.3～0.9；σc为顶煤抗压强度。
当σm达到顶煤的抗拉强度σt时顶煤发生断裂失稳，可求解得出顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸L3的最大值。
其次，在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟，分析工作面向前推进过程悬空顶煤发生断裂垮落所需要的最大长度尺寸。模拟水力掏煤时，通过改变水力破煤空穴10的初始位置、水力破煤钻杆仰角θ及水力破煤空穴的直径尺寸R、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数分析工作面端头悬顶最大长度的变化规律，分析加强巷道支护、周期来压变化及工作面推进耦合作用下，端头悬空顶煤最大长度的变化规律，并结合矿井现场观测结果进行验证与模型优化；模拟水力割缝时，通过改变水力割缝14的初始位置、水力割缝钻杆仰角θ1、钻杆沿前后方向的偏角θ2、水力割缝14的数量以及水力割缝的宽度尺寸L8、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数分析工作面端头悬顶最大长度的变化规律，分析加强巷道支护、周期来压变化及工作面推进耦合作用下，端头悬空顶煤最大长度的变化规律，并结合矿井现场观测结果进行验证与模型优化；确定水力掏煤和水力割缝交替联合作业耦合作用下不同阶段所影响的顶煤弱化范围，获取满足悬顶长度要求的水力掏煤和水力割缝交替联合作业的优选弱化顶煤工艺参数。
为了能够提高顶煤的垮落效果，水力破煤空穴10的直径尺寸与深度尺寸应满足
Rcosθ+L4sinθ＜H1
式中：R为水力破煤空穴的直径尺寸、L4为水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸、θ为水力破煤钻杆仰角。
为了尽可能缩短钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1、同时避免钻杆5钻入目标采动煤层1时接触工作面端头支护装备6，需满足
θ＝arctan[(H2-H3)/L1]
θ1＝arctan[(H2-H3)/L1]
式中：θ为水力破煤钻杆仰角、θ1为水力割缝钻杆仰角、L1为钻机与工作面端头的距离、H2为巷道的高度尺寸、H3为钻机的高度尺寸。
为了能够提高顶煤的垮落效果，水力割缝14的数量、宽度尺寸与深度尺寸应满足
L7cosθ1＜L3
nL8cosθ1+L3tanθ1＜H1
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸、L7为水力割缝沿前后方向上的深度尺寸、θ1为水力割缝钻杆仰角、L8为水力割缝的宽度尺寸，n为水力割缝的数量、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸；
水力掏煤和水力割缝交替联合作业满足：
式中：为第n次水力掏煤所影响的悬顶弱化长度，/>为第n次水力割缝所影响的悬顶弱化长度；Lm为控制悬顶及时垮落所需的悬顶弱化长度。
每次水力掏煤作业(或水力割缝作业)所影响的顶煤弱化范围会对接下来的水力割缝作业(或水力掏煤作业)的弱化范围产生影响。如图3所示，水力掏煤作业对悬空顶煤影响范围为D1+L3；水力割缝作业对悬空顶煤影响范围为D2+L3。在进行一次水力掏煤作业后，由于其会对工作面前方悬空顶煤产生影响，接下来的水力割缝作业可将工作面前方长度为D1的顶煤一同弱化致其垮落；同理，新一次的水力掏煤作业会将工作面前方长度为D2的顶煤一同弱化致其垮落，由此可以增大利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业的间距，实现节约经济成本。例如，若水力掏煤作业的弱化范围为5m，为了控制顶板所需要的弱化范围为4m，那么接下来的水力割缝作业只需要弱化3m，相当于水力掏煤作业替水力割缝作业节省了1m的作业距离，虽然此时水力割缝作业只需要弱化3m，但水力割缝作业的影响范围通常比较大，若为3.5m，则接下来的水力掏煤作业的弱化范围又可以节省0.5m。考虑不同交替阶段水力掏煤作业和水力割缝作业弱化范围的相互耦合影响可减少水力措施的弱化范围，能够在水力掏煤弱化范围、水力割缝弱化范围上节约，从而可实现节约经济成本。
分析工作面向前推进过程悬空顶煤发生断裂垮落所需要的最大长度尺寸时，对仿真模型施加覆岩应力与自身重力、并向顶煤的悬空部分施加水力掏煤或水力割缝的力学强度，随着工作面不断模拟向前推进，顶煤的悬空长度不断增加，在覆岩应力与自身重力的作用下顶煤的悬空部分损伤不断加剧，直至发生断裂失稳，记录此时工作面端头顶煤悬空长度L3的最大悬空长度。
分析工作面端头悬顶最大长度的变化规律时，对不同的水力破煤空穴10的初始位置、水力破煤钻杆仰角θ及水力破煤空穴的直径尺寸R、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数进行分组数值模拟，得到不同尺寸水力破煤空穴10条件下以及不同水力破煤空穴参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力掏煤条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力破煤空穴参数范围；对不同的水力割缝14的初始位置、水力割缝钻杆仰角θ1、钻杆沿前后方向的偏角θ2、水力割缝14的数量以及水力割缝的宽度尺寸L8、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数进行分组数值模拟，得到不同尺寸水力割缝14条件下以及不同水力割缝参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力割缝条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力割缝参数范围。
分析加强巷道支护条件、周期来压变化及工作面推进耦合作用下端头悬空顶煤最大长度的变化规律时，在仿真模型的基础上施加强化支护数据(如增加支护锚杆的数量、增加支架的支护阻力等措施后获得的强化支护数据)和额外周期来压数据进行分组数值模拟，得到不同强化支护数据和额外周期来压数据条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，形成能够满足顶煤悬空长度要求的水力破煤空穴参数范围和水力割缝参数范围。
随着工作面的持续向前推进，顶煤的悬空长度逐渐增大，在顶煤自重与顶板压力的作用下提前发生断裂与垮落。为有效控制悬顶安全隐患，经弱化后的顶煤最大悬空长度应小于目标控制长度，悬空顶煤发生断裂垮落所需要的最大长度尺寸与弱化的力学强度的关系满足
f1＝ρ1gH1
f2＝ρ2gH1
式中：Rm为顶煤的抗拉强度、f1为直接顶的自身重力、f2为顶煤的自身重力、ρ1为直接顶的物质密度、ρ2为顶煤的物质密度、g为重力加速度。
考虑工作面前方巷道空间2内的机电设备布置、巷道剩余空间、钻机4及高压水泵3等尺寸因素，结合矿井现场施工条件，获得矿井现场目标综放工作面利用水力掏煤和水力割缝弱化顶煤的优选技术参数。根据模拟结果，如图1所示，当工作面端头顶煤悬空长度L3最大允许为4m、钻机的高度尺寸H3为1.8m时，可确定水力掏煤弱化顶煤的优选技术参数如下：钻机4设置在工作面前方巷道空间2沿左右方向的中间位置，钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1为10m、钻杆5与工作面前方巷道空间2沿前后方向上的内错角为0°、水力破煤钻杆仰角θ为10°、水力破煤空穴的直径尺寸LR为3m、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4为2m、破煤起始位置与钻机的钻进斜长为18.8m。如图2所示，当工作面端头顶煤悬空长度L3最大允许为4m、钻机的高度尺寸H3为1.8m时，可确定水力割缝弱化顶煤的优选技术参数如下：钻机4设置在靠近巷道煤柱15一侧，钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1为15m、水力割缝钻杆仰角θ1为10°、水力割缝钻杆沿前后方向的偏角θ2为3°、水力割缝的宽度尺寸L8为1m、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7为3.5m、破煤起始位置与钻机的钻进斜长为23.4m。
Step3，依据Step2获得的优选交替联合弱化顶煤技术参数在矿井目标综放工作面现场进行施工：在工作面前方巷道空间2内布置高压水泵3、钻机4等水力破煤装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔，利用高压水泵3通过钻杆5输运高压水，经钻杆5端部的射流喷嘴7沿钻杆5径向喷射高压水射流，通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆5的旋转与回退移动，在悬空顶煤中形成近似圆柱体的完整水力破煤空穴10，破碎后的煤颗粒与水以混合态自钻杆5与钻孔之间的环空空间中流出，完成水力掏煤后撤除水力破煤装备，完成一次水力掏煤作业；随着工作面向前推进，端头后方悬空顶煤的悬空长度逐渐增大、并在顶煤自重与顶板压力的作用下提前发生断裂与垮落，端头后方悬空顶煤垮落后，在工作面前方巷道空间2内布置高压水泵3、钻机4等水力割缝装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔，利用高压水泵3通过钻杆5输运高压水，经钻杆5端部的射流喷嘴7沿钻杆5径向喷射高压水射流，通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆5的回退移动，在悬空顶煤中形成水力割缝14，破碎后的煤颗粒与水以混合态自钻杆5与钻孔之间的环空空间中流出，完成端头后方悬空顶煤中所有水力割缝14后撤除水力割缝装备，完成一次水力割缝作业。
为保障破煤效果，至少应自悬空顶煤与工作面端头支护装备6的顶梁交界处附近进行钻入并破煤造穴；随着钻杆5逐渐向前回退，水力破煤空穴10或水力割缝14的范围不断向前延伸，水力破煤空穴10或水力割缝14向前延伸的范围不得超过悬空顶煤与工作面端头支护装备6顶梁的交界处，以控制破煤空穴对工作面围岩支护的影响。
当水力破煤空穴10(或水力割缝14)向前延伸至悬空顶煤与工作面端头支护装备6顶梁的交界处后、而悬空顶煤仍未按照预期跨落时，应立刻停止本次水力掏煤作业(或水力割缝作业)，调整钻机4的水力破煤钻杆仰角θ(或水力割缝钻杆仰角θ1)及钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1，重新向工作面端头后方的悬空顶煤中进行水力掏煤作业(或水力割缝作业)，进一步弱化顶煤的力学强度，使得悬空顶煤及时垮落。
Step4，随着工作面的持续向前推进，在矿井目标综放工作面现场自后向前依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采，持续优化交替联合弱化顶煤技术参数，分析周期来压不同状态与巷道支护不同方案对顶煤最大悬空长度的影响，形成适用于不同使用条件的放顶煤工作面端头悬空顶煤高效垮落的技术方法。具体地：
在矿井目标综放工作面现场自后向前依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采、并进行实时监测，持续对数值模拟模型与仿真模型进行验证与优化，修正关键参数；分析钻孔位置、水力破煤钻杆仰角θ、水力割缝钻杆仰角θ1、水力破煤空穴的直径尺寸R、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4、水力割缝的宽度尺寸L8、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7对工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值的影响，获得矿井现场目标综放工作面的优选交替联合弱化顶煤技术参数。
可通过增加锚杆基锚索的数量、增大工作面及巷道的支架初撑力等手段强化工作面的支护措施；通过现场工作面支架与巷道支护的应力变化及矿压显现记录分析周期来压的变化规律；分析周期来压变化、支护方案变化对工作面端头悬顶控制的影响，确定不同周期来压、支护与回采扰动耦合影响下的工作面端头交替联合弱化顶煤技术方案。
可通过改变煤层埋深、倾角及煤厚、煤岩体力学强度、工作面与巷道布置等初始条件代入修正后的仿真模型中，研究不同现场地质条件与采煤条件下能够有效控制悬顶长度的钻孔施工与交替联合作业的技术方案与工艺参数；考虑施工量及施工难度，基于交替联合弱化顶煤方法，形成适应于不同复杂条件的放顶煤工作面端头悬空顶煤高效垮落的技术方案。
Claims (10)
1.一种水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，利用水力掏煤和水力割缝交替联合作业对综放工作面端头顶煤进行弱化以实现精准控制放顶煤工作面端头悬空顶煤的最大悬空长度，具体包括以下步骤：
Step1，获取矿井资料数据，获取目标综放工作面煤层及其采空区的煤体和围岩的基础力学参数数据、内部孔隙率数据和裂隙分布数据；
Step2，根据Step1的数据构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型、并进行目标综放工作面回采过程的数值模拟，获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据，利用矿井现场的顶板与顶煤周期断裂垮落数据、煤层采动应力数据、巷道围岩变形离层数据对该数值模拟模型进行验证与参数优化，形成符合矿井现场实际生产条件与监测数据的仿真模型；在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟，获得能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数；
水力掏煤和水力割缝交替联合作业满足：
式中：为第n次水力掏煤所影响的悬顶弱化长度，/>为第n次水力割缝所影响的悬顶弱化长度；Lm为控制悬顶及时垮落所需的悬顶弱化长度；
Step3，依据Step2获得的交替联合弱化顶煤技术参数在矿井目标综放工作面现场进行施工：在工作面前方巷道空间(2)内布置水力破煤装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔、并通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆(5)的旋转与回退移动，在悬空顶煤中形成水力破煤空穴(10)，完成水力掏煤后撤除水力破煤装备，完成一次水力掏煤作业；随着工作面向前推进，待端头后方悬空顶煤垮落后，在工作面前方巷道空间(2)内布置水力割缝装备，向端头后方悬空顶煤中倾斜施工钻孔、并通过高压水射流冲击破碎煤体，通过钻杆(5)的回退移动，在悬空顶煤中形成水力割缝(14)，完成端头后方悬空顶煤中所有水力割缝(14)后撤除水力割缝装备，完成一次水力割缝作业；
Step4，随着工作面的持续向前推进，根据矿井目标综放工作面现场的实时监测数据持续对数值模拟模型与仿真模型进行验证与优化、并优化修正交替联合弱化顶煤技术参数，在矿井目标综放工作面现场自后向前依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采。
2.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中构建目标综放工作面回采煤岩层的受载破坏数学模型过程中，计算顶煤最大悬空长度时，悬空顶煤远端弯矩最大值Mm为：
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸，q1为悬空顶煤受到的直接顶传递的载荷密度，q2为悬空顶煤自身重力所产生的载荷密度；
悬空顶煤所受到的最大拉应力σm为：
式中：H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸；
顶煤的抗拉强度σt为：
式中：kc为煤体中的裂隙度系数，取值范围为0.3～0.9；σc为顶煤抗压强度；
当σm达到顶煤的抗拉强度σt时顶煤发生断裂失稳，求解得出顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸L3的最大值。
3.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，水力破煤空穴(10)的直径尺寸与深度尺寸满足
Rcosθ+L4 sinθ＜H1
式中：R为水力破煤空穴的直径尺寸、L4为水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸、θ为水力破煤钻杆仰角；
水力割缝(14)的数量、宽度尺寸与深度尺寸应满足
L7cosθ1＜L3
nL8 cosθ1+L3 tanθ1＜H1
式中：L3为顶煤沿前后方向上的悬空长度尺寸、L7为水力割缝沿前后方向上的深度尺寸、θ1为水力割缝钻杆仰角、L8为水力割缝的宽度尺寸，n为水力割缝的数量、H1为巷道上方顶煤的厚度尺寸。
4.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，悬空顶煤发生断裂垮落所需要的最大长度尺寸与弱化的力学强度的关系满足
f1＝ρ1gH1
f2＝ρ2gH1
式中：Rm为顶煤的抗拉强度、f1为直接顶的自身重力、f2为顶煤的自身重力、ρ1为直接顶的物质密度、ρ2为顶煤的物质密度、g为重力加速度。
5.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，自悬空顶煤与工作面端头支护装备(6)的顶梁交界处附近进行钻入，且水力破煤空穴(10)和水力割缝(14)向前延伸的范围不超过悬空顶煤与工作面端头支护装备(6)顶梁的交界处。
6.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，模拟水力掏煤时钻杆(5)与工作面前方巷道空间(2)沿前后方向上的内错角为0°，模拟水力割缝时钻机(4)设置在靠近巷道煤柱(15)一侧。
7.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中在仿真模型中对端头顶煤依次进行“水力掏煤-顶煤垮落-水力割缝-顶煤垮落”的工作面回采过程数值模拟时，满足
θ＝arctan[(H2-H3)/L1]
θ1＝arctan[(H2-H3)/L1]
式中：θ为水力破煤钻杆仰角、θ1为水力割缝钻杆仰角、L1为钻机与工作面端头的距离、H2为巷道的高度尺寸、H3为钻机的高度尺寸。
8.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step3中，当水力破煤空穴(10)或水力割缝(14)向前延伸至悬空顶煤与工作面端头支护装备(6)顶梁的交界处后、而悬空顶煤未按照预期跨落时，停止本次水力掏煤作业或水力割缝作业，根据矿井目标综放工作面现场针对已弱化顶煤的实时监测数据，调整水力破煤钻杆仰角θ或水力割缝钻杆仰角θ1以及钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1、并重复Step2，重新向工作面端头后方的悬空顶煤中进行水力掏煤作业或水力割缝作业。
9.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，通过对不同的水力破煤空穴(10)的初始位置、水力破煤钻杆仰角θ及水力破煤空穴的直径尺寸R、水力破煤空穴沿前后方向上的深度尺寸L4、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1进行分组数值模拟，得到不同水力破煤空穴参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力掏煤条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力破煤空穴参数范围；
Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，通过对不同的水力割缝(14)的初始位置、水力割缝钻杆仰角θ1、钻杆沿前后方向的偏角θ2、水力割缝(14)的数量以及水力割缝的宽度尺寸L8、水力割缝沿前后方向上的深度尺寸L7、钻机的高度尺寸H3、钻机与工作面端头之间的距离尺寸L1等参数进行分组数值模拟，得到不同水力割缝参数条件下工作面端头顶煤悬空长度L3的最大值，获取主控因素，形成水力割缝条件下能够满足顶煤悬空长度要求的水力割缝参数范围。
10.根据权利要求1所述的水力掏煤与割缝联合的采煤工作面端头悬空顶煤落放方法，其特征在于，Step2中获得目标综放工作面及巷道应力分布、变形特征及顶板与顶煤周期垮落数据后，根据现场工作面端头支护装备(6)的设置条件与巷道支护的应力变化记录数据及矿压显现记录数据进行分组数值模拟，确定不同周期来压、支护与回采扰动耦合影响下能够满足顶煤最大悬空长度符合目标要求的优选交替联合弱化顶煤技术参数范围。
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