刀把式采場頂板空間結構模型及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工作面斜長發生突變的刀把式采場安全開采領域，具體為一種刀把式采場頂板空間結構模型及控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著采煤方法的多元化和開采環境的復雜化，不規則采場的煤層開采現象增多。以工作面斜長發生突變的刀把式采場的出現成為了一種趨勢，我國許多礦區相繼出現了此類變長工作面，如河北的開灤煤礦、大同的四臺煤礦、潞安的石圪節礦、雞西的正陽煤礦、寧夏的靈新煤礦、徐州的權臺煤礦、濟寧的唐口煤礦、平頂山的平煤一礦、新汶的潘西煤礦、淮南的潘謝礦區、淮北的許疃煤礦、六盤水的水城礦區以及內蒙的神東礦區等。
[0003]刀把式采場的普遍存在導致了煤層開采的復雜性和多變性，引起深部采動含瓦斯煤巖體非線性破裂的劇烈程度增強，誘發破斷煤巖中瓦斯卸壓解吸的不規則性、分散流動的不均衡性以及凝結富集的不規律性，增加了低滲透度強吸附性高瓦斯煤層群的開采難度，對煤與瓦斯共采技術的合理應用提出了更高要求。同時刀把式采場的覆巖空間結構更加多樣化，圍巖破壞形態較不規則，應力演化過程更加復雜多變，與正規采場相比表現出獨特的發展規律和時效特征。而采場覆巖的運動形式多與頂板結構有關，頂板結構受巖層屬性、層位關系、節理裂隙、厚度強度等因素制約表現出不同的運動特征，因此掌握采場覆巖的空間結構及頂板破斷規律是制定頂板控制決策的關鍵因素。
[0004]為了全面系統地研究變面長采場覆巖的運移規律與礦壓顯現特征，探究刀把式采場覆巖空間結構與應力分布的動態演化關系，透析刀把式采場頂板破斷的力學機理與巖層垮落的時空效應，必須建立全新的刀把式采場頂板的空間結構模型。
【發明內容】
[0005]本發明突破了原有采煤工作面頂板結構的固有模式，建立了一種變面長條件下煤層安全開采、巖層動態防控、采掘獨特新穎的刀把式采場頂板空間結構模型及控制方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:所述的刀把式采場頂板空間結構模型，由小面采場、變面采場、大面采場三個采面組成，經歷緩壓靜采區、異壓變采區、增壓動采區三個發展階段，對應的覆巖結構依次由緩壓型結構、突變型結構、增壓型結構傳遞轉變；所述的小面采場面長較短且走向布置長度偏小，工作面正常推進過程中頂板來壓緩和，礦壓顯現平和，煤層開采相對“安靜”，處于緩壓靜采區階段，對應覆巖結構為緩壓型結構，頂板破斷形態較為規則，采動影響頗為規律；所述的變面采場受斜長由小變大的面長變化影響，在銜接面接替的狹小區段內頂板來壓異常，靜壓轉化為動壓，覆巖活動頻繁，礦壓顯現劇烈，煤層開采進入“變采期”，處于異壓變采區階段，對應覆巖結構為突變型結構，頂板集中破斷現象明顯，鉸接破斷急促，時間短空間大范圍廣，來壓異常猛烈，有沖擊傾向性，呈現出三維空間的瞬時破壞特點；所述的大面采場為大采高長距離工作面，當工作面跨越小面進入大面以后，由于受到過渡區巖層結構的調整限制和能量釋放的沖擊作用，采動影響依然強烈，動壓數倍于靜壓，頂板來壓動態發展，覆巖持續密集活動，礦壓顯現短時間內有增無減，煤層開采進入增壓動采區階段，對應覆巖結構為增壓型結構，覆巖延展趨勢明顯，頂板結構呈現分區迀移的階段式動態破壞特征。
[0007]所述的刀把式采場頂板空間結構模型的控制方法，包括時間模式和空間模式兩大基本模式，兩大模式分別對小面采場、變面采場和大面采場進行具體的有針對性的頂板控制；每個模式包含三種主要措施，時間模式包含小面采場的前期預防、變面采場的中期控制和大面采場的后期維護三種措施，空間模式包含小面采場、變面采場、大面采場三個采面的分區預防、分段控制和全程監控三種措施；每種措施下又分別對應具體采用的關鍵技術，以刀把式采場頂板控制的時間模式分析，小面采場的前期預防階段頂板管理以預防為主，工作面實行快速開采技術，逐步移架式向前推進；變面采場的中期控制階段頂板管理以控制為主，工作面采用緩速開采技術，巷道斷面進行及時調架補掘，穩步平移式向前推進；大面采場的后期維護階段頂板管理以維護為主，工作面采用勻速開采技術，支架進行整體補架轉接，動態擴展式向前推進；以刀把式采場頂板控制的空間模式分析，工作面由小面采場至變面采場再到大面采場整個推進期間都需采用全程監管督采，防患于未然，全程規避隱患；各采面實行分區漸進調采，具體區域具體對待，不同區段采取靈活機動的開采方法，轉變回采思路，調整采掘技術；工作面對接區需做好過渡性接續工作，實行分段順接跟采，細化頂板防控措施，強化圍巖控制效果；刀把式采場頂板控制的基本模式、主要措施和關鍵技術環環相扣，密切配合，協同作用，從而建立起刀把式采場“預防-控制-維護-監控”多重機制的頂板時空防控體系。
[0008]與現有技術相比，本發明的有益效果是:刀把式采場頂板空間結構模型的建立揭示了變面長采場覆巖結構具有不同于正規采場的獨特空間賦存特征，提出了突變型采場巖層運移遵循的結構模式和活動原則，得到了刀把式采場頂板瞬時突變、分段延伸和分區迀移的時空演化規律和動態響應機制，為刀把式米場的頂板管理、災害防控和安全高效開米提供了重要保證。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明刀把式采場頂板空間結構模型的平面示意圖。
[0010]圖2為本發明刀把式采場頂板空間結構模型的控制方法示意圖。
[0011]圖中，小面采場1、變面采場2、大面采場3、緩壓靜采區4、異壓變采區5、增壓動采區6、緩壓型結構7、突變型結構8和增壓型結構9。
【具體實施方式】
[0012]以下結合附圖對本發明的實施過程作進一步詳述:
如圖1所示，本發明由由小面采場1、變面采場2、大面采場3三個采面組成，經歷緩壓靜采區4、異壓變采區5、增壓動采區6三個發展階段，對應的覆巖結構依次由緩壓型結構7、突變型結構8、增壓型結構9傳遞轉變。
[0013]小面采場I面長較短且走向布置長度偏小，工作面正常推進過程中頂板來壓緩和，礦壓顯現平和，煤層開采相對“安靜”，處于緩壓靜采區4階段，對應覆巖結構為緩壓型結構7，頂板破斷形態較為規則，采動影響頗為規律。
[0014]變面采場2受斜長由小變大的面長變化影響，在銜接面接替的狹小區段內頂板來壓異常，靜壓轉化為動壓，覆巖活動頻繁，礦壓顯現劇烈，煤層開采進入“變