一种顶板断裂预警方法

1.本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种顶板断裂预警方法。


背景技术：

2.顶板断裂型冲击地压是一种典型的冲击地压，常由于采空区内大面积悬露、短期内不易自然冒落的具有高强度、整体性强、厚而坚硬特点的顶板突然断裂而导致其发生。随着开采的不断进行，悬露的坚硬顶板长度也不断增加，极易造成应力集中并积聚大量应变能，在采空区悬顶的中心等部位产生的拉应力也不断加大，一旦坚硬顶板局部达到拉伸强度，坚硬顶板便会突然发生断裂，伴随着弹性变形能的急剧释放，进而诱发煤体破裂等一系列次生灾害，对工作面和巷道造成大面积破坏。因此，如何超前预警顶板断裂的发生是防治顶板型冲击地压的重中之重。
3.而直接监测顶板拉应力较为困难，现有针对顶板断裂的监测预警方法主要包括应力监测法、微震监测法、电磁辐射监测法、钻屑监测法等，上述方法通过测量煤岩体应力数据、微震信号和钻屑量来间接预测顶板断裂发生的可能性，但由于不同矿区煤岩体赋存环境不同，很难直接、准确地确定基于上述方法顶板断裂的临界依据，且判据较为单一，这使得现有监测方法难以准确判断顶板断裂是否发生。
4.因此，亟需进行开发一种顶板断裂预警方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种顶板断裂预警方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种顶板断裂预警方法，包括以下步骤：
6.1)在顶板岩层不同位置，于工作面附近采集多个岩样，并测量其波速平均值；通过开展静态压缩实验、低速冲击实验和高速冲击实验，获取低应变率、中应变率和高应变率载荷条件下岩石的单轴抗压强度及冲击倾向性指数演变规律；通过尺寸效应公式将上述三种应变率范围下的单轴抗压强度演化规律进行串联，如式(1)所示，结合数据拟合方法获取广域应变率下岩石的单轴抗压强度与应变率的经验公式如式(2)所示；通过数据拟合获取广域应变率下岩石的冲击倾向性指数与应变率的经验公式如式(3)所示；基于岩体变形破坏本构关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；
[0007][0008][0009]
[0010][0011][0012]
式中，σd是直径为d的岩样的单轴抗压强度，σ
50
为标准岩样的单轴抗压强度，为应变率，σm为岩体单轴抗压强度，c为围压系数，表征围压作用对于顶板岩体轴向强度的增强作用，由顶板所受水平应力状态决定，可由空心包体法测量顶板岩层原位应力而获得，k为岩体冲击倾向性指数，p
cr
为临界载荷理论值；
[0013]
2)布置应变率监测点；其中，每个监测点均包括顶板监测钻孔和底板监测钻孔；每个监测点均布置有信号发生器和信号接收器；所述信号发生器布置在顶板监测钻孔中；所述信号接收器布置在底板监测钻孔中；所述信号发生器和信号接收器均与外部实时监测系统相连；
[0014]
3)在每处监测点上，方波信号转化后以电磁波的形式由信号发射器发出，并由信号接收器接收；该点处的轴向应变如式(6)所示，该点处的应变率如式(7)所示；
[0015][0016][0017]
式中，为该岩层中电磁波传播速度的平均值，d为接发射器间距离，δt为实时发射源和接收器的方波信号时间差，对δt的实时监测即可实现对应变率的实时监测；
[0018]
4)利用电磁式动静载荷监测手段监测煤层监测点处实际动静载荷大小σ1，将监测的信号代入顶板断裂发生临界载荷公式(5)，得到每监测点处临界载荷论值p
cr
；比较实际动静载荷大小σ1与临界载荷论值p
cr
,对该监测点处顶板断裂发生与否进行评测；当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值介于0.7～0.8之间时，判定具有潜在顶板断裂危险性；当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值大于0.8时，判定具有严重顶板断裂危险性；
[0019]
5)将判定结果经数据中心可视化处理后传导到危险预警装置，实现对顶板断裂的监测与预警。
[0020]
进一步，步骤2)中，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和/或采空区开切眼位置处。
[0021]
进一步，对于工作面前端液压支架位置处监测点布置，在距离工作面20m处为起始布置监测点。
[0022]
进一步，对于采空区中部监测点布置，在距离工作面100米处为起始布置监测点。
[0023]
进一步，对于采空区开切眼位置处的监测点布置，在距离开切眼20米处为起始布置监测点。
[0024]
进一步，对于近水平煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。
[0025]
进一步，对于选用上行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液
压支架位置处和采空区中部位置处。
[0026]
进一步，对于选用下行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和采空区开切眼位置处。
[0027]
进一步，步骤5)中，危险预警装置包括现场报警系统和移动设备；当具有潜在顶板断裂危险性时，现场报警系统进行语音播报，移动设备接收预警信息；当具有严重顶板断裂危险性时，现场报警系统应发出鸣笛预警，移动设备接收电话通知。
[0028]
进一步，步骤5)之后，还具有减缓顶板断裂危险的相关步骤；当具有潜在顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度；当具有严重顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度；加强巷道围岩支护，以增加顶板断裂时的临界载荷。
[0029]
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
[0030]
a.提出了基于应变监测的顶板断裂监测方法，通过直接监测顶板变形情况来弥补现有监测方法滞后性、间接性的不足；
[0031]
b.针对坚硬顶板易断裂位置，提出了不同地质条件下顶板断裂的危险区域划定方法；
[0032]
c.提出了不同倾角下的顶板岩层断裂的监测布点方法；
[0033]
d.适用于近水平或倾斜煤层地质条件下含巨厚坚硬顶板的顶板断裂监测的情况，为不同地质条件下的顶板断裂监测提供了一定的借鉴。
附图说明
[0034]
图1为顶板断裂评判方法流程图；
[0035]
图2为电磁波测量岩层变形原理图；
[0036]
图3为近水平煤层条件下顶板变形监测示意图；
[0037]
图4为倾斜煤层且为上行开采时顶板变形监测示意图；
[0038]
图5为倾斜煤层且为下行开采时顶板变形监测示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0040]
实施例1：
[0041]
顶板变形监测是一种直观监测顶板断裂的手段之一，不同类型载荷对于顶板岩体的变形特征有着显著的影响。应变率可以很好地表征不同类型载荷下顶板岩层的变形特征，进而直观反映顶板断裂的趋势。campbell j.d.在1973年提出了低应变率(10-4
～10-1
s-1
)、中应变率(10-1
～102s-1
)和高应变率(102～104s-1
)的范围界定方法，广域应变率范围则囊括了低、中、高应变率，由于广域应变率下煤岩体物理力学特性将有着很大改变，不同应变率载荷作用将直接影响顶板断裂评判的准确度。
[0042]
参见图1，本实施例提供一种顶板断裂预警方法，包括以下步骤：
[0043]
1)在顶板岩层不同位置，于工作面附近采集多个岩样，并测量其波速平均值。通过开展静态压缩实验、低速冲击实验和高速冲击实验，获取低应变率、中应变率和高应变率载荷条件下岩石的单轴抗压强度及冲击倾向性指数演变规律。通过尺寸效应公式将上述三种应变率范围下的单轴抗压强度演化规律进行串联，如式(1)所示，结合数据拟合方法获取广域应变率下岩石的单轴抗压强度与应变率的经验公式如式(2)所示。通过数据拟合获取广域应变率下岩石的冲击倾向性指数与应变率的经验公式如式(3)所示。基于岩体变形破坏本构关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示。顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示。
[0044][0045][0046][0047][0048][0049]
式中，σd是直径为d的岩样的单轴抗压强度，σ
50
为标准岩样的单轴抗压强度，为应变率，σm为岩体单轴抗压强度，c为围压系数，表征围压作用对于顶板岩体轴向强度的增强作用，由顶板所受水平应力状态决定，可由空心包体法测量顶板岩层原位应力而获得，k为岩体冲击倾向性指数，p
cr
为临界载荷理论值。
[0050]
2)布置应变率监测点。其中，每个监测点均包括顶板监测钻孔和底板监测钻孔。每个监测点均均布置有信号发生器和信号接收器。所述所述信号发生器布置在顶板监测钻孔中。所述信号接收器布置在底板监测钻孔中。所述信号发生器和信号接收器均与外部实时监测系统相连。应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和/或采空区开切眼位置处。对于工作面前端液压支架位置处监测点布置，在距离工作面20m处为起始布置监测点。对于采空区中部监测点布置，在距离工作面100米处为起始布置监测点。对于采空区开切眼位置处的监测点布置，在距离开切眼20米处为起始布置监测点。值得说明的是，对于近水平煤层，顶板断裂易发生于液压支架与顶板交界处附近及采空区中部区域。由于采煤工作面前端综采液压支架支护强度较大，导致应力集中现象较为明显，而顶板位于采空区中部区域的位置挠度最大，所以应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。对于选用上行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。对于选用下行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和采空区开切眼位置处。
[0051]
3)在每处监测点上，参见图2，方波信号转化后以电磁波的形式由信号发射器发出，并由信号接收器接收。该点处的轴向应变如式所示，该点处的应变率如式所示。
[0052][0053][0054]
式中，为该岩层中电磁波传播速度的平均值，d为接发射器间距离，δt为实时发射源和接收器的方波信号时间差，对δt的实时监测即可实现对应变率的实时监测。
[0055]
4)利用电磁式动静载荷监测手段监测煤层监测点处实际动静载荷大小σ1，将监测的信号带入顶板断裂发生临界载荷公式(5)，得到每监测点处临界载荷论值p
cr
。比较实际动静载荷大小σ1与临界载荷论值p
cr
,对该监测点处顶板断裂发生与否进行评测。当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值介于0.7～0.8之间时，判定具有潜在顶板断裂危险性。当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值大于0.8时，判定具有严重顶板断裂危险性。
[0056]
5)将判定结果经数据中心可视化处理后传导到危险预警装置，实现对顶板断裂型顶板断裂的监测与预警。危险预警装置包括现场报警系统和移动设备。当具有潜在顶板断裂危险性时，现场报警系统进行语音播报，移动设备接收预警信息。当具有严重顶板断裂危险性时，现场报警系统应发出鸣笛预警，移动设备接收电话通知。
[0057]
6)减缓顶板断裂危险。当具有潜在顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度。当具有严重顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度。加强巷道围岩支护，以增加顶板断裂时的临界载荷。
[0058]
值得说明的是，对于危险区域的划分考虑采空区顶板悬露长度，悬露长度越长，危险性越大，尤其在与工作面前端距离一定范围内，一旦发生顶板断裂对回采工作面的安全造成极大的威胁。而顶板易断裂位置则较好判断，将顶板看作梁，则其中部以及两端受到较强的拉应力。但是监测拉应力比较困难，本实施例采用轴向应变监测实现对顶板断裂变形前兆信息的监测，以此来进行预警。本实施例更准确的监测坚硬顶板在不同类型载荷下的变形情况，实现对顶板断裂的准确监测和预警。
[0059]
实施例2：
[0060]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，考虑顶板断裂对采煤工作面的影响，参见图3，对于近水平煤层，采空区距工作面前端65m范围内为危险区域，65m范围外为次危险区域。对于采空区中部监测点布置，相较于工作面前端液压支架附近，采空区中部的顶板断裂对开采的影响较小，故将钻孔位置选取在采空区距离工作面前端100米处的位置。上端监测点钻孔从上覆岩层向下打入，钻孔完成后，在监测点钻孔中布置电磁波发射器，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，沿工作面推进方向保持每组监测点距离50m，沿工作面宽度方向上相邻的监测点之间的间距为20m，使得在采空区中部位置沿工作面推进方向上100～200m范围内保持监测点呈3
×
2矩阵排列形式。
[0061]
实施例3：
[0062]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，对于工作面前端液压支架附近的监测点布置，考虑到液压支架的空间占用，在距离工作面推进方向20m处为起始布置纵向监测通道，上端监测点钻孔从上覆岩层向下打入，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，并保持每组监测点沿工作面推进方向上间距15m，沿工作面宽度方向上相邻的监测通道之间的间
距为20m，使工作面前端20～65m范围内保持监测点呈3
×
2矩阵排列形式。
[0063]
实施例4：
[0064]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，当巨厚顶板为坚硬岩层时，每个监测点上端钻孔需打至坚硬岩层1/2处厚度位置，以避免钻孔距离过长导致顶板断裂；当顶板不存在坚硬岩层时，每个监测点上端钻孔需打至距顶板下端20m处。
[0065]
实施例5：
[0066]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，当煤层倾斜且为上行开采时，顶板断裂会对工作面有着明显的指向性破坏，故需要在工作面前段附近布置更为密集监测点。若顶板断裂发生在采空区，破坏方向由于倾角的影响会背离工作面，对工作面开采影响较小，所以在采空区中部的监测布点可适当弱化，考虑顶板断裂对采煤工作面的影响，对于煤层倾斜且为上行开采的情况，采空区距工作面前端50m范围内为危险区域，50m范围外为次危险区域，如图4所示。
[0067]
对于工作面前端附近的监测点布置，在工作面推进方向距离工作面前端20m处为起始点，上端监测点钻孔从上覆岩层竖直向下打入，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，保持每组监测点沿工作面推进方向上间距10m，沿工作面宽度方向上间距为20m，使得沿斜面方向距离工作面前端20～50m范围内保持监测点呈4
×
2矩阵排列形式。
[0068]
对于采空区中部监测点布置，考虑到采空区中部的顶板断裂对开采的影响较小，故将钻孔位置选取在采空区距离工作面前端100米处的位置。上端监测点钻孔从上覆岩层竖直向下打入，钻孔完成后，在监测点钻孔中布置电磁波发射器，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，使得沿工作面推进方向保持每组监测点距离50m，沿工作面宽度方向上相邻的监测点之间的间距为20m，使得在采空区中部位置沿工作面推进方向上100～150m范围内保持监测点呈2
×
2矩阵排列形式。
[0069]
由于倾角的存在，岩层在轴向的应变应按下式计算：
[0070][0071]
其中，α为岩层倾角。
[0072]
实施例6：
[0073]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，当煤层倾斜且为下行开采方式时，无论是工作面前端附近由于应力集中而导致的顶板断裂，还是采空区中部由于顶板挠度过大发生的顶板断裂，甚至在开切眼位置处由于应力集中发生的顶板断裂，都会对工作面造成极大的威胁及毁坏，因此需针对上述位置而进行监测点布置，考虑顶板断裂对采煤工作面的影响，对于煤层倾斜且为下行开采的情况，采空区距工作面前端、开切眼50m范围内为危险区域，其余区域为次危险区域，如图5所示。
[0074]
对于工作面前端附近的监测点布置，在工作面推进方向距离工作面前端30m处为起始点，上端监测点钻孔从上覆岩层竖直向下打入，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，保持每组监测点沿工作面推进方向上间距10m，沿工作面宽度方向上间距为20m，使得沿斜面方向距离工作面前端20～50m范围内保持监测点呈4
×
2矩阵排列形式。
[0075]
对于采空区中部监测点布置，将钻孔位置选取在采空区距离工作面前端100米处的位置。上端监测点钻孔从上覆岩层竖直向下打入，钻孔完成后，在监测点钻孔中布置电磁
波发射器，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，使得沿工作面推进方向保持每组监测点距离50m，沿工作面宽度方向上相邻的监测点之间的间距为20m，使得在采空区中部位置沿工作面推进方向上100～150m范围内保持监测点呈2
×
2矩阵排列形式。
[0076]
对于采空区开切眼位置处的监测点布置，将钻孔位置选取在采空区距离开切眼20米处的位置。上端监测点钻孔从上覆岩层竖直向下打入，钻孔完成后，在监测点钻孔中布置电磁波发射器，在顶板下端面对应位置布置电磁波接收器，使得沿工作面推进方向保持每组监测点距离10m，沿工作面宽度方向上相邻的监测点之间的间距为20m，使得在采空区中部位置沿工作面推进方向上20～30m范围内保持监测点呈2
×
2矩阵排列形式。
[0077]
由于倾角的存在，岩层在轴向的应变应按下式计算：
[0078][0079]
实施例7：
[0080]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，对于倾斜煤层条件下顶板上端钻孔位置，不可超过坚硬岩层在竖直方向上厚度的1/2，发射器与接收器之间的距离可由钻孔起始点至顶板底端距离及钻孔长度作差获得。
[0081]
实施例8：
[0082]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，本实施例用于坚硬巨厚顶板条件下针对走向长壁采煤法的顶板断裂监测。
[0083]
实施例9：
[0084]
本实施例主要步骤同实施例1，其中，本实施例用于倾向长壁采煤法顶板断裂的监测，监测点布置间距可根据顶板在采空区的暴露长度以及工作面宽度适当调整。
[0085]
实施例10：
[0086]
本实施例提供一种顶板断裂预警方法，包括以下步骤：
[0087]
1)在顶板岩层不同位置，于工作面附近采集多个岩样，并测量其波速平均值。通过开展静态压缩实验、低速冲击实验和高速冲击实验，获取低应变率、中应变率和高应变率载荷条件下岩石的单轴抗压强度及冲击倾向性指数演变规律。通过尺寸效应公式将上述三种应变率范围下的单轴抗压强度演化规律进行串联，如式(1)所示，结合数据拟合方法获取广域应变率下岩石的单轴抗压强度与应变率的经验公式如式(2)所示。通过数据拟合获取广域应变率下岩石的冲击倾向性指数与应变率的经验公式如式(3)所示。基于岩体变形破坏本构关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示。顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示。
[0088][0089][0090][0091]
[0092][0093]
式中，σd是直径为d的岩样的单轴抗压强度，σ
50
为标准岩样的单轴抗压强度，为应变率，σm为岩体单轴抗压强度，c为围压系数，表征围压作用对于顶板岩体轴向强度的增强作用，由顶板所受水平应力状态决定，可由空心包体法测量顶板岩层原位应力而获得，k为岩体冲击倾向性指数，p
cr
为临界载荷理论值。
[0094]
2)布置应变率监测点。其中，每个监测点均包括顶板监测钻孔和底板监测钻孔。每个监测点均布置有信号发生器和信号接收器。所述信号发生器布置在顶板监测钻孔中。所述信号接收器布置在底板监测钻孔中。所述信号发生器和信号接收器均与外部实时监测系统相连。
[0095]
3)在每处监测点上，方波信号转化后以电磁波的形式由信号发射器发出，并由信号接收器接收。该点处的轴向应变如式(6)所示，该点处的应变率如式(7)所示。
[0096][0097][0098]
式中，为该岩层中电磁波传播速度的平均值，d为接发射器间距离，δt为实时发射源和接收器的方波信号时间差，对δt的实时监测即可实现对应变率的实时监测。
[0099]
4)利用电磁式动静载荷监测手段监测煤层监测点处实际动静载荷大小σ1，将监测的信号代入顶板断裂发生临界载荷公式(5)，得到每监测点处临界载荷论值p
cr
。比较实际动静载荷大小σ1与临界载荷论值p
cr
,对该监测点处顶板断裂发生与否进行评测。当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值介于0.7～0.8之间时，判定具有潜在顶板断裂危险性。当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值大于0.8时，判定具有严重顶板断裂危险性。
[0100]
5)将判定结果经数据中心可视化处理后传导到危险预警装置，实现对顶板断裂的监测与预警。
[0101]
实施例11：
[0102]
本实施例主要步骤同实施例10，其中，步骤2)中，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和/或采空区开切眼位置处。对于工作面前端液压支架位置处监测点布置，在距离工作面20m处为起始布置监测点。对于采空区中部监测点布置，在距离工作面100米处为起始布置监测点。对于采空区开切眼位置处的监测点布置，在距离开切眼20米处为起始布置监测点。
[0103]
对于近水平煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。
[0104]
对于选用上行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。
[0105]
对于选用下行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和采空区开切眼位置处。
[0106]
实施例12：
[0107]
本实施例主要步骤同实施例10，其中，危险预警装置包括现场报警系统和移动设备。当具有潜在顶板断裂危险性时，现场报警系统进行语音播报，移动设备接收预警信息。当具有严重顶板断裂危险性时，现场报警系统应发出鸣笛预警，移动设备接收电话通知。步骤5)之后，还具有减缓顶板断裂危险的相关步骤。当具有潜在顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度。当具有严重顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度。加强巷道围岩支护，以增加顶板断裂时的临界载荷。

技术特征：
1.一种顶板断裂预警方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在顶板岩层不同位置，于工作面附近采集多个岩样，并测量其波速平均值；通过开展静态压缩实验、低速冲击实验和高速冲击实验，获取低应变率、中应变率和高应变率载荷条件下岩石的单轴抗压强度及冲击倾向性指数演变规律；通过尺寸效应公式将上述三种应变率范围下的单轴抗压强度演化规律进行串联，如式(1)所示，结合数据拟合方法获取广域应变率下岩石的单轴抗压强度与应变率的经验公式如式(2)所示；通过数据拟合获取广域应变率下岩石的冲击倾向性指数与应变率的经验公式如式(3)所示；基于岩体变形破坏本构关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；关系得到顶板断裂发生力学判据如式(4)所示；顶板断裂发生临界载荷公式如式(5)所示；式中，σ
d
是直径为d的岩样的单轴抗压强度，σ
50
为标准岩样的单轴抗压强度，为应变率，σ
m
为岩体单轴抗压强度，c为围压系数，表征围压作用对于顶板岩体轴向强度的增强作用，由顶板所受水平应力状态决定，可由空心包体法测量顶板岩层原位应力而获得，k为岩体冲击倾向性指数，p
cr
为临界载荷理论值；2)布置应变率监测点；其中，每个监测点均包括顶板监测钻孔和底板监测钻孔；每个监测点均布置有信号发生器和信号接收器；所述信号发生器布置在顶板监测钻孔中；所述信号接收器布置在底板监测钻孔中；所述信号发生器和信号接收器均与外部实时监测系统相连；3)在每处监测点上，方波信号转化后以电磁波的形式由信号发射器发出，并由信号接收器接收；该点处的轴向应变如式(6)所示，该点处的应变率如式(7)所示；收器接收；该点处的轴向应变如式(6)所示，该点处的应变率如式(7)所示；式中，为该岩层中电磁波传播速度的平均值，d为接发射器间距离，δt为实时发射源和接收器的方波信号时间差，对δt的实时监测即可实现对应变率的实时监测；4)利用电磁式动静载荷监测手段监测煤层监测点处实际动静载荷大小σ1，将监测的信号代入顶板断裂发生临界载荷公式(5)，得到每监测点处临界载荷论值p
cr
；比较实际动静载荷大小σ1与临界载荷论值p
cr
,对该监测点处顶板断裂发生与否进行评测；当实测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值介于0.7～0.8之间时，判定具有潜在顶板断裂危险性；当实
测动静载荷σ1与临界载荷理论值p
cr
的比值大于0.8时，判定具有严重顶板断裂危险性；5)将判定结果经数据中心可视化处理后传导到危险预警装置，实现对顶板断裂的监测与预警。2.根据权利要求1所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：步骤2)中，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和/或采空区开切眼位置处。3.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于工作面前端液压支架位置处监测点布置，在距离工作面20m处为起始布置监测点。4.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于采空区中部监测点布置，在距离工作面100米处为起始布置监测点。5.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于采空区开切眼位置处的监测点布置，在距离开切眼20米处为起始布置监测点。6.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于近水平煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。7.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于选用上行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处和采空区中部位置处。8.根据权利要求2所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：对于选用下行开采方式的倾斜煤层，应变率监测点布置在工作面前端液压支架位置处、采空区中部位置处和采空区开切眼位置处。9.根据权利要求1所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：步骤5)中，危险预警装置包括现场报警系统和移动设备；当具有潜在顶板断裂危险性时，现场报警系统进行语音播报，移动设备接收预警信息；当具有严重顶板断裂危险性时，现场报警系统应发出鸣笛预警，移动设备接收电话通知。10.根据权利要求1所述的一种顶板断裂预警方法，其特征在于：步骤5)之后，还具有减缓顶板断裂危险的相关步骤；当具有潜在顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度；当具有严重顶板断裂危险性时，采取钻孔或爆破卸压放顶措施降低冲击倾向性指数，从而升高岩体的临界载荷，减少应力集中程度；加强巷道围岩支护，以增加顶板断裂时的临界载荷。

技术总结
发明提供一种顶板断裂预警方法。该方法包括修正顶板断裂发生临界载荷公式、布置应变率监测点、计算应变率、评测监测点处顶板断裂发生与否等步骤。该方法提出了基于应变监测的顶板断裂监测方法，通过直接监测顶板变形情况来弥补现有监测方法滞后性、间接性的不足。更准确的监测坚硬顶板在不同类型载荷下的变形情况，实现对顶板断裂的准确监测和预警。实现对顶板断裂的准确监测和预警。实现对顶板断裂的准确监测和预警。


技术研发人员：梁运培 孔繁杰 邹全乐 冉启灿 武兆鹏 张碧川 马腾飞 王伟志
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/9/23