深部采场自动成巷物理模拟实验方法及装置 【技术领域】
本发明涉及深部煤炭开采技术领域，尤其涉及一种用于室内研究无煤柱长壁开采下预裂切顶留巷的深部采场自动成巷物理模拟实验方法及装置。
背景技术
在我国，井工开采的煤炭产量占据全国煤炭产量的96％，长壁开采又是井工开采的主要方法。随着煤炭开采深度的增加，在长壁开采过程中的每个区段修建的上顺槽巷道维护极为困难，而且常伴随一系列地质灾害。例如，残留护巷煤柱在较大深度的煤层中，会导致煤岩层压力增大，出现瓦斯与煤的混合突出、冲击地压频发等动力灾害现象，造成煤柱下近距煤层的采掘条件的急剧恶化。
目前，针对采区巷道维护困难的情况，解决的办法主要是留设护巷煤柱、沿空掘巷、沿空留巷等几种常用方法。留设较大煤柱以保护准备巷道，造成煤炭资源的大量浪费。沿空留巷由于是在上区段工作面回采的同时构筑的，受到采空区岩层剧烈活动的影响后，无论是顶底板还是两帮都剧烈变形，巷道维护困难。沿空掘巷有沿采空区边缘掘进和留小煤柱掘进两种，当留小煤柱掘进时，小煤柱越宽，巷道就越靠近支撑压力峰值。当工作面采动，二次采动引起支撑压力与初次采动引起支撑压力叠加，从而使工作面前方巷道承受更大的支撑压力，小煤柱产生剧烈破坏，巷道周边的塑性区、破碎区的范围进一步扩大。无论采用哪种方法都无法避免一种现象，即巷道围岩变形，尤其是在煤巷中，围岩更容易发生变形，围岩变形后巷道断面缩小，阻碍运输、通风和人员行走，因围岩变形而造成巷道报废的现象时有发生，严重影响了生产和威胁了工人的人身安全。所以探寻解决困扰长壁开采的技术途径和方法，就具有了十分重要的意义和实用价值，也就成为了本发明当前所要解决的问题。
【发明内容】
鉴于上述现有技术方法的不足，基于长壁开采工作面布置及顶板跨落规律和长壁开采工作面矿压分布规律，本发明旨在提供一种新的成巷方法，以达到煤矿深部采场安全、高效、经济、科学的开采。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
深部采场自动成巷物理模拟实验方法，包括：对首采面进行上、下顺槽加工；工作面回采，在下顺槽工作面侧进行顶板预裂处理；开采中老顶来压下沉并最终自顶板预裂处完全断裂，下顺槽自动成预留巷并作为下一工作面的上顺槽使用；返回步骤二重复进行，循环完成深部采场开采和自动成巷过程。
所述步骤二还包括在下顺槽工作面侧进行顶部加固锚杆的安装。
所述下顺槽中还布设有远程实时监测系统。
所述预留巷道还包括防漏防火处理。
所述顶板预裂处理为顶板预裂爆破钻孔，钻孔数量为一个以上，钻孔沿顺槽方向直线均匀分布。
所述深部采场自动成巷物理模拟实验装置，包括开采面模型和模型框架，开采面模型包括工作面、直接顶、老顶以及位于工作面中首采面两侧的上顺槽和下顺槽，还包括定向切缝装置、应力传感器、信号无线发射-接收装置、数据处理系统和应力电子显示器，定向切缝装置位于下顺槽工作面侧的顶部，应力传感器设于开采面模型中的直接顶和老顶之间，应力传感器通过无线发射-接收装置将数据传输到外部的数据处理系统中，并在应力电子显示器中显示。
所述深部采场自动成巷物理模拟实验装置，还包括防冲防爆增阻锚杆，防冲防爆增阻锚杆设于下顺槽顶板上方的岩层中。
所述应力传感器的数量为一个以上。
本发明提供了一种研究长壁开采下的成巷新方法——深部采场自动成巷物理模拟实验方法，这种成巷新方法通过改变传统长壁开采一面双巷模式，采用定向预裂切顶留巷技术，保留首采面下顺槽回采巷道，作为邻近下一新工作面回采巷道之一，从而实现了单面单巷开采。它具有能够消除邻近工作面煤体上方应力集中、减小采掘比、提高生产效率、减少资源浪费的优点，避免了因煤柱留设造成的煤与瓦斯混合突出、冲击地压、煤体自燃等地质灾害的发生，属于一种安全高效、经济科学的开采新技术。为了在室内能够模拟这种开采新技术的实际操作过程和应用效果，本发明还基于上述原理设计了深部采场自动成巷物理模拟实验装置，以验证本方法的可靠性，保证实验过程真实、有效。
【附图说明】
图1为本发明模拟实验的结构示意图。
【具体实施方式】
本发明所述的深部采场自动成巷物理模拟实验方法及装置，依据深部采场开采作业时直接顶在自重应力和老顶压力耦合作用下的坍塌、断裂过程，采用在下顺槽工作面侧进行顶板预裂处理的方式，结合加固锚索使下顺槽顶板避免直接断裂和塌陷，并作为下一个新开采工作面的上顺槽继续使用，依此循环，逐步完成深部采场自动成巷和开采过程。实验过程中，下顺槽顶板应力变化可通过应力传感器进行直接的数据采集，并经无线传输和数据处理后在应力电子显示器上显示，以保证生产安全进行。
下面结合附图1对本发明做进一步的描述：
本发明所述的深部采场自动成巷物理模拟实验方法，包括：首先对首采面进行上、下顺槽1，2加工，为开采做前期准备；为提高生产效率、降低能源浪费，接着，需对上、下顺槽1，2工作面进行回采，并在下顺槽2工作面侧的顶部进行顶板3预裂处理。此处，顶板3预裂处理采用顶板预裂爆破钻孔的方式，将多个钻孔沿着顺槽方向在下顺槽2工作面侧的顶部进行直线均匀分布，并通过爆破方式形成直线定向切缝4，使直接顶和老顶在下顺槽2工作面侧的顶部形成提前定向切缝4，阻断其与首采面顶部的连接和应力传递。同时，为提高直接顶的可靠性，在下顺槽2的顶板上方岩层中还安装有多组防冲防爆增阻锚杆5，以进一步阻止该处顶板的塌落，提高老顶和直接顶的稳固性。为了使操作者及时了解和掌握直接顶及老顶内部应力的变化情况，研究断裂发展、发生过程，在下顺槽2的顶部还布设有远程实时监测系统，远程实时监测系统可有效探测并传输应力变化数据，并形成曲线表示出来。最后，当开采进行中，老顶来压，在直接顶自重应力和老顶压力的耦合作用下首采工作面顶板3开始下沉变形，当开采进行到首采面末段时，受下顺槽2工作面侧顶部定向切缝4的影响，直接顶和老顶会在定向切缝4处断裂，使下顺槽2顶部避免直接坍塌，保证了下顺槽2的完整性，首采面开采完成后下顺槽2可作为下一个工作面的预留巷保留、使用，而不必再对下一工作面进行上顺槽施工，简化了施工过程。当然，为提高下顺槽2作为预留巷使用地可靠性和适用性，对预留巷还可进行防漏防火处理，以保证下一工作面开采使用的需要。依此往复进行，整个开采过程既实现了单面单巷开采，又提高了生产效率，保证了生产安全性。
深部采场自动成巷物理模拟实验装置，包括开采面模型13、模型框架10、定向切缝装置、防冲防爆增阻锚杆5、应力传感器6、信号无线发射-接收装置8、数据处理系统11和应力电子显示器7。其中，开采面模型13主要包括工作面、直接顶、老顶以及位于工作面中首采面两侧的上顺槽1和下顺槽2，定向切缝装置位于下顺槽2工作面侧的顶部，定向切缝装置负责对下顺槽2工作面侧顶部进行定向爆破钻孔，并形成定向切缝4切断首采面与下顺槽2顶部岩层的联系，阻断应力传递。防冲防爆增阻锚杆5设于下顺槽2顶板上方的岩层中，以进一步增强下顺槽2顶部岩层结构的强度，提高可靠性。应力传感器6设于开采面模型13中下顺槽2顶部的直接顶和老顶之间，应力传感器6的数量为一个以上，一个以上的应力传感器6不断地采集岩层中不同位置上应力变化的数据，并在应力电子显示器7中显示出来，同时，通过无线发射-接收装置8将数据传输到外部数据处理系统11中，形成曲线在显示器中显示。
具体操作过程如下：接通电源12，应力传感器6、信号无线发射-接收装置8、数据处理系统11和应力电子显示器7上电工作。首采面煤层随着开采的进行逐渐减少，上覆直接顶板3在直接顶自重应力和上覆老顶压力的耦合作用下开始下沉变形。由于预先在下顺槽2工作面侧顶部进行了预裂定向切缝4，所以顶板3在下沉-弯曲-断裂-塌落过程中，对下顺槽2顶板影响较小，下顺槽2上方顶板不会随之塌落。随着煤层首采面开采进度的加剧，顶板3内应力逐渐增加，分布在下顺槽2顶部岩层中的多个应力传感器6不断地采集直接顶和老顶之间不同位置上应力变化数据，并在应力电子显示器7中显示，同时，无线发射-接收装置8将采集的数据传输到外部数据处理系统11中进行分析、汇总。数据显示，顶板3应力在不断增长，当直接顶板3内应力大于岩层抗剪强度时，首采面顶板3发生塌陷，下顺槽2成为了新工作面上顺槽的左侧边帮，实现了开采过程的自动成巷功能。而在防冲防爆增阻锚杆5和定向切缝4的措施下，新工作面上顺槽上覆顶板并没有发生破坏。数据处理系统11工作过程中，可在显示器上绘制出新上顺槽顶板应力随时间变化的曲线，以便随时掌握顶板应力演变特征，为安全开采提供直观依据。