1.本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备。
背景技术：
2.我国煤炭井工开采主要采用长壁开采121工法，即开采1个工作面，需提前掘进2条巷道，留设1个煤柱。
3.参阅附图6，该121工法中
采矿体积
△
vm为已知量，地表沉降体积
△vs
可通过测量得到，从而确定地表沉降损伤变量k1的大小，但顶板岩层裂隙体积
△vc
和顶板垮落矸石碎胀体积
△vb
不可控，因此裂隙带岩层裂隙损伤变量k2和垮落矸石碎胀损伤变量k3大小无法确定，从而导致采矿损伤不变量方程无法求解，无法进行采矿活动中的平衡控制，属于典型的“非平衡开采”体系。为此，该121工法存在以下问题：（1）相邻工作面开采时，采空区上覆岩层发生阶段性垮落和断裂下沉，在煤柱和巷道上方形成长臂梁结构。长臂梁发生回转下沉，产生的挤压力作用于护巷煤柱处，受力不平衡，应力无法释放，在煤柱区域形成应力集中区，煤柱两侧易产生破坏。
4.（2）整个采矿工程采空区上覆岩层结构始终处于不断地运动状态，由于煤柱的支撑作用，使得采空区和煤柱上覆岩层断裂垮落形态不一致。随着时间的推移，裂隙扩展至地表，易产生地表不均匀沉降与环境损伤。
5.（3）相邻工作面开采时，为保证回采巷道安全，121工法采用高强支护的方式抵抗矿山压力，此时巷道支护体系受力不平衡，在巨大的矿山压力作用下，易出现支护体系失效、巷道失稳等问题。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，根据采矿后的顶板运动特征，对其采矿过程各阶段产生的岩层损伤进行分析，进而控制顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡，达到采矿活动中的平衡控制，形成平衡开采模式。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无煤柱自成巷平衡开采方法，所述方法包括：对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间；获取采矿体积和所述工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀系数；基于所述碎胀系数和采矿体积，获取所述工作面顶板端部的切顶高度使得所述顶板垮落矸石的碎胀体积等于所述采矿体积；基于所述切顶高度对所述工作面端部的顶板进行定向切缝；对所述巷道空间进行档矸支护并形成巷帮。
8.在一实施例中，“基于所述碎胀系数和采矿体积，获取所述工作面顶板端部的切顶高度使得所述顶板垮落矸石的碎胀体积等于所述采矿体积”的步骤包括：
基于所述碎胀系数获取所述工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀控制函数；基于所述碎胀控制函数获取所述工作面顶板端部的切顶高度。
9.在一实施例中，所述碎胀系数如下式所示：其中，k为顶板垮落矸石的碎胀系数，k0为顶板垮落矸石的初始碎胀系数，α为预设的拟合系数，t为时间变量。
10.在一实施例中，所述碎胀控制函数：
△vb
=（k-1）hc*s
△vb
=
△vc
其中，
△vb
为顶板垮落矸石的碎胀体积，
△vc
为采矿体积，hc为工作面端部顶板的切顶高度，s为开采面积。
11.在一实施例中，通过对所述工作面的顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，获取所述碎胀系数。
12.在一实施例中，“对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间”的步骤包括：基于无煤柱自成巷预应力吸能支护设备对所述巷道空间的顶板进行预应力吸能支护。
13.在一实施例中，“对所述巷道空间进行档矸支护并形成巷帮”的步骤包括：基于无煤柱自成巷切顶护帮装备对所述巷道空间侧部的垮落矸石进行挡矸支护并形成巷帮。
14.在一实施例中，基于所述切顶高度对所述工作面端部的顶板进行定向切缝”的步骤包括：利用无煤柱自成巷切缝装备对所述工作面的端部顶板进行定向切缝；和/或所述工作面两端对应的所述定向切缝呈正八字或平行设置。
15.在一实施例中，所述方法满足采矿损伤不变量方程：k
1 + k
2 + k3=1，且k1=k2=0，k3=1；其中，k1为地表沉降损伤变量，k2为裂隙带岩层裂隙损伤变量，k3为垮落矸石碎胀损伤变量。
16.一种无煤柱自成巷平衡开采装备，所述装备包括：配套使用的无煤柱自成巷采煤机、无煤柱自成巷刮板运输机、无煤柱自成巷过渡支架、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备、无煤柱自成巷定向切缝装备和无煤柱自成巷切顶护帮装备。
17.本发明的优点是：本发明提供的无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，对巷道采空区的顶板进行定向切缝，使得采空区上的顶板岩层在自重和矿山压力的作用下，在切缝高度范围内产生较大面积的垮落，充分碎胀充填采空区，使垮落矸石碎胀量等于采矿量，实现工作面采空区的自动平衡。
18.进一步地，本发明不用预留煤柱，消除煤柱处应力集中以及煤柱导致的岩层断裂垮落时产生较大剪力的影响，避免了地表出现不均匀沉降。
19.进一步地，本发明通过对巷道矸石巷帮进行挡矸支护，对顶板实施高预应力吸能支护进行顶板控制，使得巷道顶板与其上方稳定基本顶形成整体结构，使得巷道支护体系处于整体平衡状态。
附图说明
20.图1是一种无煤柱自成巷平衡开采方法主要步骤示意图；图2是一种无煤柱自成巷平衡开采装备的整体布置图；图3是直接顶未垮落阶段示意图；图4是直接顶垮落阶段示意图；图5是基本顶垮落阶段示意图；图6是现有技术中“非平衡开采”的垮落状态示意图。
21.附图标记列表：1、上覆岩层；2、裂隙带；3、基本顶；4、直接顶；5、煤层；6、巷道空间；7、采空区；8、预应力吸能支护；9、定向切缝；10、无煤柱自成巷采煤机；11、工作面；12、无煤柱自成巷刮板运输机；13、无煤柱自成巷过渡支架；14、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备；15、无煤柱自成巷定向切缝装备；16、无煤柱自成巷切顶护帮装备；17、无煤柱自成巷多功能钻机支架；
△vs
、地表沉降体积；
△vc
、岩层裂隙体积；
△vb
、垮落矸石碎胀体积。
具体实施方式
22.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
23.本发明提供的无煤柱自成巷平衡开采方法与装备的设计原理是：根据采矿后的顶板运动特征，建立采矿损伤不变量方程k1+k2+k3=1，从采矿岩石力学角度对其采矿过程各阶段产生的岩层损伤进行分析，通过控制顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡，即
△vb
=
△vm
，k3=1，代入采矿损伤不变量方程，可以得到k1与k2均为0，采矿损伤不变量方程有解，以达到采矿活动中的平衡控制，形成平衡开采模式。其中，k1为采矿引起的地表沉降损伤变量，即地表沉降体积占采矿体积的百分比；k2为采矿引起的裂隙带岩层裂隙损伤变量，即岩层裂隙体积占采矿体积的百分比；k3为采矿引起的垮落矸石碎胀损伤变量，即垮落矸石碎胀体积占采矿体积的百分比。
24.参阅附图1和图2，图1示例性示出了一种无煤柱自成巷平衡开采方法的主要步骤。图2是无煤柱自成巷平衡开采装备的整体布置图。如图1所示，本发明实施例提供的无煤柱自成巷平衡开采方法包括：步骤s1：对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间。
25.参阅附图2，工作面11为煤层5的开采位置，在煤层5开采后形成采空区7，煤层上方为直接顶4，直接顶4的上方为基本顶3，基本顶3的上方为上覆岩层1。在工作面11布置配套的无煤柱自成巷平衡开采装备，该煤柱自成巷平衡开采装备采煤装备和成巷装备，该无煤柱自成巷平衡开采装备包括无煤柱自成巷采煤机10、无煤柱自成巷刮板输送机12、无煤柱自成巷过渡支架13。成巷装备包括无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备14、无煤柱自成巷定向切缝装备15、无煤柱自成巷切顶护帮装备16；无煤柱自成巷多功能钻机支架17。利用采煤设备进行采煤，利用成巷设备割出巷道空间6并进行维护，其中包括基于无煤柱自成巷高预应力吸能支护设备14对巷道空间6的顶板进行预应力吸能支护，以控制巷道空间6的顶板围岩变形与顶板离层，提高巷道空间6稳定性，控制地表沉降体积
△vs
、岩层裂隙体积
△vc
，使巷道空间的顶板受采空区7顶板运动垮落的影响减小。该无煤柱自成巷预应力吸能支护
装备14为高预应力吸能支护，其包括但不局限于高预应力吸能锚杆（索）。
26.步骤s2：获取采矿体积和工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀系数。
27.具体地，通过对空采区7顶板岩体的垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，获取碎胀系数。即在顶板未垮落阶段
△vb
=
△vc
=
△vs
=0，通过岩体碎胀特性测试，获得碎胀系数k。
28.该碎胀系数如公式（1）所示：（1）其中，k为顶板垮落矸石的碎胀系数，k0为顶板垮落矸石的初始碎胀系数，α为预设的拟合系数，t为时间变量。
29.步骤s3：基于碎胀系数和采矿体积，获取工作面顶板端部的切顶高度使得顶板垮落矸石的碎胀体积等于采矿体积。
30.具体地，基于碎胀系数获取工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀控制函数；基于碎胀控制函数获取工作面顶板端部的切顶高度。
31.其中，碎胀控制函数如公式（2）所示：
△vb
=（k-1）hc*s
△vb
=
△vc
其中，
△vb
为顶板垮落矸石的碎胀体积，
△vc
为采矿体积，hc为工作面端部顶板的切顶高度，s为开采面积。即，煤矿开采中的顶板垮落矸石碎胀体积由其碎胀控制函数确定，根据顶板垮落矸石的碎胀控制函数和通过岩体碎胀特性测试得到的碎胀系数合理设计切顶高度，控制顶板垮落岩体碎胀体积，实现顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积之间的平衡，
△vb
=
△vm
、
△vc
=0、
△vs
=0，即k3=1, k1=k2=0，进而实现切顶区域的平衡和稳定。
32.步骤s4：基于切顶高度对工作面端部的顶板进行定向切缝。
33.具体地，对工作面11端头预定位置顶板实施定向切缝，可以利用无煤柱自成巷切缝装备15对工作面的端部顶板可以进行竖向切缝，也可以呈斜向切缝，例如工作面两端对应的斜向切缝呈正八字或平行设置，使顶板岩石更易垮落。采空区上覆顶岩层在自重和矿山压力的作用下，在切缝高度范围内产生较大面积的垮落，不断地碎胀充填采空区，使垮落矸石碎胀体积
△vb
等于采矿体积
△vm
，即垮落矸石碎胀损伤变量k3等于1，实现工作面采空区的自动平衡。
34.步骤s5：对巷道空间进行档矸支护并形成巷帮。
35.具体地，基于无煤柱自成巷切顶护帮装备16对巷道空间6侧部的垮落矸石进行挡矸支护并形成巷帮。即，在顶板垮落阶段，对巷道矸石巷帮进行挡矸支护，垮落矸石在挡矸支护构件的作用下堆积形成墙面，在压实稳定后形成矸石巷帮，使巷道顶板与矸石巷帮上方稳定基本顶形成整体结构。实现在人为干预条件下，巷道支护体系处于整体平衡状态。挡矸支护包括但不局限于u型钢+钢筋网联合支护、切顶护帮支柱、约束混凝土立柱、混凝土立柱等。
36.经上述步骤，可以实现顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积平衡，即
△vb
=
△vm
，垮落矸石碎胀损伤变量k3=1，地表沉降损伤变量k1与裂隙带岩层裂隙损伤变量k2为0，采矿损伤不变量方程有解，可以进行采矿活动中的平衡控制，形成平衡开采体系。
37.结合附图，对无煤柱自成巷平衡开采方法与装备与装备采矿过程各阶段进行分
析，具体如下：（1）直接顶未垮落（i阶段）参阅附图3，直接顶4直接位于煤层5之上且不稳定的岩层，煤矿工作面11开采期间，采空区7顶板围岩应力重新分布，但短时间内直接顶4未垮落，其上方岩层均未产生变形。此时，
△vb
=
△vc
=
△vs
=0。
38.（2）直接顶垮落（ii阶段）参阅附图4，直接顶4在水平方向滞后工作面11一定距离后，在自重和矿山压力的作用下，在切缝高度范围内产生较大面积的垮落，垮落产生的冲击对巷道空间6稳定性造成一定影响。此时直接顶4垮落形成的矸石未能充满采空区7，其上方岩层产生轻微变形，未出现明显裂隙。此时，
△vb
＜
△vm
，
△vc
=0。
39.（3）基本顶垮落（iii阶段）参阅附图5，根据顶板垮落矸石的碎胀系数和现场测量得到的碎胀控制函数，实现顶板垮落矸石碎胀体积与采矿体积之间的平衡，基本顶3在自重和矿山压力作用下，垮落矸石充满采空区7。此时，
△vb
=
△vm
、
△vc
=0、
△vs
=0。
40.综上，本发明提供的无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，对巷道采空区侧顶板进行定向切缝，使得采空区上的顶板岩层在自重和矿山压力的作用下，在切缝高度范围内产生较大面积的垮落，充分碎胀充填采空区，使垮落矸石碎胀量等于采矿量，实现工作面采空区的自动平衡。
41.进一步地，本发明不用预留煤柱，消除煤柱处应力集中以及煤柱导致的岩层断裂垮落时产生较大剪力的影响，避免了地表出现不均匀沉降。
42.进一步地，本发明通过对巷道矸石巷帮进行挡矸支护，对顶板实施高预应力吸能支护进行顶板控制，使得巷道顶板与其上方稳定基本顶形成整体结构，使得巷道支护体系处于整体平衡状态。
43.以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。技术特征：
1.一种无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，所述方法包括：对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间；获取采矿体积和所述工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀系数；基于所述碎胀系数和采矿体积，获取所述工作面顶板端部的切顶高度使得所述顶板垮落矸石的碎胀体积等于所述采矿体积；基于所述切顶高度对所述工作面端部的顶板进行定向切缝；对所述巷道空间进行档矸支护并形成巷帮。2.如权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，“基于所述碎胀系数和采矿体积，获取所述工作面顶板端部的切顶高度使得所述顶板垮落矸石的碎胀体积等于所述采矿体积”的步骤包括：基于所述碎胀系数获取所述工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀控制函数；基于所述碎胀控制函数获取所述工作面顶板端部的切顶高度。3.如权利要求2所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，所述碎胀系数如下式所示：其中，k为顶板垮落矸石的碎胀系数，k0为顶板垮落矸石的初始碎胀系数，α为预设的拟合系数，t为时间变量。4.如权利要求3所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，所述碎胀控制函数：
△vb
=（k-1）h
c
*s
△vb
=
△vc
其中，
△vb
为顶板垮落矸石的碎胀体积，
△vc
为采矿体积，h
c
为工作面端部顶板的切顶高度，s为开采面积。5.如权利要求3所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，通过对所述工作面的顶板垮落矸石进行岩体碎胀特性测试，获取所述碎胀系数。6.如权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，“对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间”的步骤包括：基于无煤柱自成巷预应力吸能支护设备对所述巷道空间的顶板进行预应力吸能支护。7.如权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，“对所述巷道空间进行档矸支护并形成巷帮”的步骤包括：基于无煤柱自成巷切顶护帮装备对所述巷道空间侧部的垮落矸石进行挡矸支护并形成巷帮。8.如权利要求1所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，“基于所述切顶高度对所述工作面端部的顶板进行定向切缝”的步骤包括：利用无煤柱自成巷切缝装备对所述工作面的端部顶板进行定向切缝；和/或，所述工作面两端对应的所述定向切缝呈正八字或平行设置。9.如权利要求1至8其中任一项所述的无煤柱自成巷平衡开采方法，其特征在于，所述方法满足采矿损伤不变量方程：k
1 + k
2 + k3=1，且k1=k2=0，k3=1；其中，k1为地表沉降损伤变量，k2为裂隙带岩层裂隙损伤变量，k3为垮落矸石碎胀损伤
变量。10.一种适用于如权利要求1至9中任一项所述的无煤柱自成巷平衡开采方法的开采装备，其特征在于，所述装备包括：配套使用的无煤柱自成巷采煤机、无煤柱自成巷刮板运输机、无煤柱自成巷过渡支架、无煤柱自成巷高预应力吸能支护装备、无煤柱自成巷定向切缝装备和无煤柱自成巷切顶护帮装备。
技术总结
本发明公开了一种无煤柱自成巷平衡开采方法与装备，方法包括：对工作面进行煤矿开采，同时预留并维护巷道空间；获取采矿体积和工作面对应的顶板垮落矸石的碎胀系数；基于碎胀系数和采矿体积，获取工作面顶板端部的切顶高度使得顶板垮落矸石的碎胀体积等于采矿体积；基于切顶高度对工作面端部的顶板进行竖向切缝；对巷道空间进行档矸支护并形成巷帮。本发明通过对巷道采空区侧顶板进行定向切缝，使得采空区上覆顶岩层在自重和矿山压力的作用下，在切缝高度范围内产生较大面积的垮落，充分碎胀充填采空区，使垮落矸石碎胀量等于采矿量，实现工作面采空区的自动平衡。工作面采空区的自动平衡。工作面采空区的自动平衡。
技术研发人员：何满潮 王琦 王亚军 杨军 江贝 秦乾 高红科
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2022/1/11
声明：
“无煤柱自成巷平衡开采方法与装备” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国矿业大学（北京）
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2024年11月27日 ~ 29日 
