本發(fā)明涉及煤層開(kāi)采，特別是涉及一種采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，厚及特厚煤層煤炭資源儲(chǔ)量豐富，千萬(wàn)噸級(jí)礦井主采煤層多為厚及特厚煤層，其中，10m以上厚煤層儲(chǔ)量可能超500億t，是國(guó)家能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的重要戰(zhàn)略資源。

2、其中，以特厚、堅(jiān)硬、穩(wěn)定的砂質(zhì)巖層為主的煤層頂板，煤層上方有多層硬厚頂板賦存，伴隨著特厚煤層工作面高強(qiáng)度開(kāi)采，厚硬頂板破斷造成的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象異常強(qiáng)烈。以及，該綜放工作面液壓支架最大工作阻力21000kn，大采高綜采工作面液壓支架最大工作阻力29000kn，但仍然發(fā)生支架大幅下縮甚至切頂壓架、冒頂?shù)葟?qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅。由于，特厚煤層采煤工作面開(kāi)采強(qiáng)度高、采出空間大和多層厚硬頂板作用，覆巖活動(dòng)劇烈，其礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度和圍巖控制難度相比一般綜采工作面呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)。

3、以及，當(dāng)前長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面主要是采用全部垮落法管理頂板，液壓支架是綜采工作面進(jìn)行采場(chǎng)頂板支護(hù)和圍巖控制的主要裝備，在工作面回采后，支架后方的采空區(qū)頂板隨即垮落，上覆巖層載荷由煤壁、液壓支架和采空區(qū)冒落矸石共同承擔(dān)。其中，傳統(tǒng)的礦山壓力與巖層控制理論認(rèn)為，支架后方采空區(qū)頂板根據(jù)破壞程度，從下而上依次形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶等頂板三帶結(jié)構(gòu)，垮落帶高度一般為采高的2～4倍，直接賦存在煤層上方、能夠隨著工作面回采而隨采隨冒的頂板巖層稱(chēng)為直接頂，直接頂可以由連續(xù)多層多軟弱較薄的巖層共同組成，一般具有賦存層位低、強(qiáng)度弱和厚度薄的特點(diǎn)，在直接頂上方(有時(shí)在直接頂缺失情況下直接位于煤層至上)對(duì)采場(chǎng)礦山壓力直接造成影響的厚而堅(jiān)硬的巖層稱(chēng)為老頂，老頂?shù)闹芷谛云茢嘣斐晒ぷ髅娴闹芷谛詠?lái)壓。

4、進(jìn)一步地，在一般采高的綜采工作面，當(dāng)直接頂冒落碎脹后能夠充填采空區(qū)時(shí)，直接頂?shù)暮穸群涂迓鋷У母叨然镜韧?，老頂在垮落帶矸石的支撐作用下能夠及時(shí)觸矸形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不容易造成強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)?；诖耍谏鲜銮闆r下，通過(guò)對(duì)液壓支架的合理選型，可以實(shí)現(xiàn)工作面圍巖的有效控制。但是，在特厚煤層采煤工作面，頂板活動(dòng)空間明顯加大，垮落帶高度上移，傳統(tǒng)概念上的老頂堅(jiān)硬巖層位于垮落帶范圍內(nèi)，無(wú)法形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，而以懸臂梁的形式對(duì)工作面礦壓產(chǎn)生作用，由于采空區(qū)充填不充分，在周期性破斷時(shí)容易對(duì)支架造成動(dòng)載沖擊和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)?；诖?，單純的采用液壓支架支護(hù)難以實(shí)現(xiàn)頂板的有效控制，從而已經(jīng)無(wú)法有效解決特厚煤層采煤工作面厚硬頂板帶來(lái)的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

2、為此，本發(fā)明提出了一種采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制方法，可以基于待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)和目標(biāo)液壓支架對(duì)采煤工作面硬厚頂板進(jìn)行協(xié)同控制，從而可以通過(guò)目標(biāo)液壓支架的超高阻力支架強(qiáng)力支護(hù)與井下基于待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)的區(qū)域壓裂技術(shù)開(kāi)展特厚煤層采煤工作面圍巖的協(xié)同控制，有效減小了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，保障了采煤工作面的回采安全。

3、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制裝置。

4、為達(dá)上述目的，本發(fā)明一方面提出一種采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制方法，所述方法包括：

5、確定所述采煤工作面是否滿足協(xié)同控制條件；

6、若所述采煤工作面滿足協(xié)同控制條件，則確定硬厚頂板對(duì)應(yīng)待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)；

7、確定所述采煤工作面的液壓支架支護(hù)參數(shù)，并基于所述液壓支架支護(hù)參數(shù)確定目標(biāo)液壓支架；

8、基于所述待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)和所述目標(biāo)液壓支架對(duì)所述采煤工作面硬厚頂板進(jìn)行協(xié)同控制。

9、本發(fā)明實(shí)施例的采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制方法還可以具有以下附加技術(shù)特征：

10、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述確定所述采煤工作面是否滿足協(xié)同控制條件，包括：

11、確定所述采煤工作面對(duì)應(yīng)垮落帶的第一高度和裂隙帶的第二高度；

12、基于所述第一高度和所述第二高度，確定所述采煤工作面的垮落帶范圍內(nèi)是否有硬厚巖層或關(guān)鍵層；

13、若所述采煤工作面的垮落帶范圍內(nèi)無(wú)硬厚巖層或關(guān)鍵層，則確定第一結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力；

14、若所述采煤工作面的垮落帶范圍內(nèi)有硬厚巖層或關(guān)鍵層，則確定第二結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力；

15、基于所述目標(biāo)工作阻力，確定所述采煤工作面是否滿足協(xié)同控制條件。

16、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述確定第一結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力，包括：通過(guò)第一公式確定第一結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力，其中，所述第一公式為：

17、

18、其中，所述b為液壓支架中心距；所述lk為控頂距；所述σh1為直接頂厚度；所述γz為直接頂容重；所述l為老頂周期來(lái)壓步距；所述為巖塊間的摩擦角；所述α為巖塊破斷角；所述h1為老頂厚度；所述s1為老頂破斷巖塊的下沉量；所述q為工作面頂板上方裂隙帶下位巖層中暴露巖塊的全部重量。

19、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述確定第二結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力，包括：通過(guò)第二公式確定第二結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)液壓支架的目標(biāo)工作阻力，其中，所述第二公式為：

20、

21、其中，所述h垮為垮落帶頂界面巖層距離煤層的距離；所述h2為裂隙帶下位巖層的厚度；所述l1為懸臂梁懸臂長(zhǎng)度；所述l2為堅(jiān)硬巖層周期性垮斷步距；所述s2為裂隙帶下位巖層的下沉量。

22、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述確定硬厚頂板對(duì)應(yīng)待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)，包括：

23、根據(jù)待壓裂區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)和巖石抗拉強(qiáng)度，確定水力壓裂巖層的破裂壓力，以確定目標(biāo)水力壓裂泵站；

24、確定所述待壓裂區(qū)域的水力裂縫擴(kuò)展半徑；

25、根據(jù)所述硬厚頂板的分布參數(shù)，確定鉆孔布置方案；

26、根據(jù)所述水力裂縫擴(kuò)展半徑確定分段壓裂間距。

27、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述基于所述待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)和所述目標(biāo)液壓支架對(duì)所述采煤工作面硬厚頂板進(jìn)行協(xié)同控制，包括：

28、通過(guò)目標(biāo)液壓支架對(duì)所述采煤工作面的采出空間近場(chǎng)頂板進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)；

29、根據(jù)所述鉆孔布置方案、所述破裂壓力和所述分段壓裂間距，利用跨式封隔器在鉆孔中進(jìn)行分段后退式壓裂，以對(duì)所述待壓裂區(qū)域中的鉆孔進(jìn)行逐段壓裂，直至滿足結(jié)束壓裂條件，則停泵結(jié)束壓裂。

30、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述方法，還包括：

31、獲取協(xié)同控制過(guò)程中的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果；

32、根據(jù)所述監(jiān)測(cè)分析結(jié)果對(duì)所述協(xié)同控制進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果；

33、基于所述評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

34、本發(fā)明另一方面提出了一種采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制裝置，該裝置包括：

35、第一確定模塊，用于確定所述采煤工作面是否滿足協(xié)同控制條件；

36、第二確定模塊，用于若所述采煤工作面滿足協(xié)同控制條件，則確定硬厚頂板對(duì)應(yīng)待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)；

37、第三確定模塊，用于確定所述采煤工作面的液壓支架支護(hù)參數(shù)，并基于所述液壓支架支護(hù)參數(shù)確定目標(biāo)液壓支架；

38、協(xié)同控制模塊，用于基于所述待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)和所述目標(biāo)液壓支架對(duì)所述采煤工作面硬厚頂板進(jìn)行協(xié)同控制。

39、本發(fā)明實(shí)施例的采煤工作面硬厚頂板的協(xié)同控制方法和裝置，可以基于待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)和目標(biāo)液壓支架對(duì)采煤工作面硬厚頂板進(jìn)行協(xié)同控制，從而可以通過(guò)目標(biāo)液壓支架的超高阻力支架強(qiáng)力支護(hù)與井下基于待壓裂區(qū)域的工藝參數(shù)的區(qū)域壓裂技術(shù)開(kāi)展特厚煤層采煤工作面圍巖的協(xié)同控制，有效減小了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，保障了采煤工作面的回采安全。

40、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。