本發明屬于煤礦安全多災害協同防治領域，具體涉及一種智能控頂截流防采空區瓦斯瞬變異常涌出的方法。
背景技術：
1、在煤炭開采過程中，由于煤層頂板地質條件的復雜性，全國約有三分之一的煤礦存在煤層頂板堅硬、懸頂面積大、懸頂距離長、難以及時垮落的問題。這些堅硬頂板在回采過程中表現出周期來壓步距長、礦壓顯現強度大、采空區風流紊亂以及瓦斯異常涌出瞬變性強的顯著特征，已成為煤礦安全生產面臨的重要災害之一。
2、隨著煤礦機械化、智能化裝備水平的提升，高強度、快速回采成為礦井發展的主流趨勢。然而，這種開采方式進一步加劇了強礦壓顯現和采空區瓦斯異常涌出問題。回采工作面內布置有液壓支架、刮板輸送機、采煤機等大量大型設備，作業空間十分有限，導致傳統的頂板關鍵層碎裂弱化措施和采空區瓦斯治理技術難以有效開展，同時嚴重影響工作面回采的連續運行效率。傳統頂板弱化多依賴爆破方式，但在高瓦斯環境下，爆破作業存在較高的安全風險，且控制精度低、環保性差。采空區瓦斯治理往往局限于單一災害防治，缺乏與礦壓治理的深度協同。抽采鉆孔在采空區垮落巖體作用下易被壓實堵塞，特別是常規pvc篩管難以承受壓力，導致抽采通道失效。抽采參數調節主要依賴人工經驗，無法實時響應頂板破斷引起的礦壓和瓦斯瞬變，導致抽采不足（瓦斯積聚超限）或過度漏風（引發遺煤氧化自燃）等問題。
3、強礦壓顯現可能引發煤壁片幫、頂板垮落、支架壓架甚至礦震，而頂板破斷同時會劇烈擾動采空區瓦斯運移規律，導致瓦斯瞬變異常涌出，使工作面尤其是上隅角瓦斯濃度陡增，極易引發瓦斯超限、人員窒息乃至瓦斯爆炸等鏈生災害。這些多災害耦合風險嚴重威脅煤礦安全生產，制約高強度開采的持續推進。因此，煤層頂板關鍵層碎裂弱化與采空區瓦斯異常涌出治理已成為礦井安全高效開采亟待解決的核心技術難題。現有技術難以在源頭同時控制強礦壓和瓦斯瞬變涌出，作業空間受限、治理方式單一、調控手段滯后等問題突出，迫切需要一種能夠轉變作業空間、采用安全環保弱化方式、實現多源信息智能協同的綜合治理方法，從根本上將風險遏制在源頭。
技術實現思路
1、有鑒于此，本發明針對現有技術中堅硬頂板強礦壓顯現劇烈、采空區瓦斯瞬變異常涌出治理困難的問題，提供一種智能控頂截流防采空區瓦斯瞬變異常涌出的方法，通過合理來壓步距確定、大孔徑控頂截流鉆孔參數設計與施工、靜態破碎劑導入關鍵層位、不銹鋼篩管安設封孔連抽以及基于多源信息的智能調控，構建“主動弱化-智能截流抽采”協同防控體系，實現強礦壓與瓦斯多災害的精準源頭治理。
2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
3、一種智能控頂截流防采空區瓦斯瞬變異常涌出的方法，包括如下步驟：
4、s1、合理的初次、周期來壓步距確定：對煤層開采條件、對周期來壓步距、礦壓強度顯現進行研究并分析確定頂板破斷關鍵層，結合煤層瓦斯參數、通風方式對瓦斯涌出量、回風瓦斯濃度進行預測，確定瓦斯瞬變涌出風險的風險源；為調控頂板礦壓顯現和瓦斯涌出瞬變，結合以往工作面初次來壓、周期來壓載荷及其采空瓦斯涌出規律進行分析，確定合理的目標來壓步距；
5、s2、大孔徑控頂截流鉆孔參數優化設計：根據確定的目標來壓步距設計大孔徑控頂強抽鉆孔排距；根據底板瓦斯抽放巷與工作面的位置關系，設計鉆孔的參數；
6、s3、大孔徑控頂截流鉆孔施工：根據鉆孔設計參數布設鉆場，在鉆場內安設大功率具有軌跡測量的鉆機進行鉆孔施工，鉆孔施工過程中記錄鉆孔過煤層采空區底板、采空區垮落破碎巖體、采空區上覆完整頂板情況及其巖性，確保鉆孔深度穿過關鍵層頂面；
7、s4、靜態破碎劑導入鉆孔關鍵層位：鉆孔施工到位后，拆卸鉆桿尾辮，通過鉆桿中空環形空間利用推桿將預制的靜態破碎劑藥卷送至鉆孔關鍵層層位并壓實，緩慢退鉆直至關鍵層位鉆孔充滿預制的靜態破碎劑藥卷并搗實，以實現對堅硬頂板的非爆破式、可控弱化；
8、s5、金屬不銹鋼篩管安設及封孔連抽：預制的靜態破碎劑藥卷送至每個鉆孔關鍵層位后退出鉆桿，利用鉆機拖動金屬不銹鋼篩管沿鉆孔旋轉前進，直至關鍵層下界面，不銹鋼篩管管徑42～108mm；不銹鋼篩管安設到位后采用兩堵一注封孔工藝進行封孔，通過抽采軟管、球閥、導流短節后連接到抽采支管管路上；
9、s6、頂板碎裂-截流抽采參數耦合智能調控：根據采集的關鍵層在預制的靜態破碎劑藥卷作用下破斷前后支架載荷變化、工作面瓦斯體積分數變化、控頂截流鉆孔瓦斯抽采參數情況，設計鉆孔閥門開度準則，建立一個基于支架載荷、瓦斯濃度、抽采參數的閉環智能控制系統，并嵌入plc控制模塊；當初次或周期來壓后支架載荷或工作面瓦斯體積分數降低至設定的臨界值時，plc控制模塊輸出指令控制球閥開度，進行采空區截流抽采；
10、s7、效果評價及優化完善；
11、s8、隨工作面的不斷推進，循環執行步驟s3～s6，進行控頂截流鉆孔的設計與施工、靜態破碎劑推入、篩管安設與封孔連抽及抽采參數智能調控，形成持續的治理能力。
12、進一步，步驟s1中確定頂板破斷關鍵層的具體方法為對煤層厚度、采高、傾角、頂底板巖性、回采強度進行分析，對周期來壓步距、礦壓強度顯現進行研究，工作面頂板壓力瞬間急劇升高，隨后呈現臺階式的下降或緩慢下降，出現明顯峰值拐點。
13、進一步，步驟s1中確定瓦斯瞬變涌出風險的風險源的具體方法為結合煤層瓦斯參數、通風方式對瓦斯涌出量、回風瓦斯濃度進行預測，采空區懸頂面積超過8m2或工作面頂板壓力超過礦井歷史發生強礦壓顯現災害安全閾值的80%。
14、進一步，步驟s1中根據回采強度和以往工作面初次來壓、周期來壓支架載荷及其采空瓦斯涌出規律進行分析，統籌安全和措施成本的關系，確定合理的來壓步距；
15、其中，來壓步距與潛在損失的關系為步距l越大，頂板積聚的彈性能e越大，引起的災害類型包括支架損壞、巷道破壞和瓦斯異常涌出瓦斯超限甚至爆炸，支架損壞、巷道破壞的預計維修損失直接、間接成本為cd，瓦斯超限停產、爆炸損失直接、間接成本為cg；
16、事故發生概率p(l)隨步距l增大而指數級上升，因此來壓步距與潛在災害發生概率函數表述為：
17、
18、其中k為風險系數，根據地質條件確定；
19、安全風險成本r(l)的計算公式為：
20、
21、改造措施投入成本與周期步距成反比，改造措施投入成本m(l)的計算公式表示為：
22、
23、式中：a是與改造措施如鉆孔密度相關的系數；
24、得到總成本t(l)：
25、
26、綜合安全風險成本和改造措施投入成本，選擇總成本t(l和)最低時的步距l為來壓步距。
27、進一步，步驟s6中鉆孔閥門開度準則為根據采集的關鍵層在預制的靜態破碎劑藥卷作用下破斷前后支架載荷變化、工作面瓦斯體積分數變化、控頂截流鉆孔瓦斯抽采參數情況，設計鉆孔閥門開度準則，當初次或周期來壓后支架載荷或工作面瓦斯體積分數降低至設定的臨界值時關閉球閥，避免采空區長期抽采漏風引起遺煤氧化自然的問題；期初注漿固化封孔連抽后保持閥門敞開不動，期后工作面頂板峰值壓力拐點過后瓦斯純量或瓦斯濃度達到峰值1h后，逐漸調節閥門開度，待濃度降低至5%后關閉閥門。
28、進一步，步驟s7中根據頂板來壓期間工作面瓦斯體積分數變化情況，優化鉆孔設計參數、靜態破碎劑使用量及閥門開度準則。
29、進一步，步驟s1中合理的來壓步距是指在工作面液壓支架的額定工作阻力范圍內，來壓不會導致嚴重的煤壁片幫、垮落，能夠被有效管控的步距。
30、進一步，步驟s2中，根據確定的合理來壓步距，設計大孔徑控頂強抽鉆孔排距為10～20m，確保鉆孔深度穿過關鍵層頂面0.5m，鉆孔孔徑為94～159mm，間距15～20m。
31、進一步，步驟s3中，大孔徑控頂截流鉆孔從底板瓦斯抽放巷施工，依次穿過采空區底板、垮落破碎巖體，至上覆完整頂板的關鍵層，深度穿過關鍵層頂面0.5m；金屬不銹鋼篩管安裝于關鍵層下界面至煤層底板位置，與不銹鋼管通過螺紋連接延伸至孔口，形成連續抽采通道；不銹鋼篩管和不銹鋼管通過抽采軟管、球閥、導流短節連接至抽采支管；工作面頂板壓力采集端設置于液壓支架上，工作面瓦斯采集端設置于上隅角，鉆孔抽采參數采集裝置設置于各鉆孔抽采管路上，工作面頂板壓力采集端、工作面瓦斯采集端、鉆孔抽采參數采集裝置分別與plc控制端連接，plc控制端根據預設的鉆孔閥門開度準則輸出指令控制球閥開度，實現閉環流量調控。
32、進一步，步驟s3中鉆孔施工所用的鉆桿為大通徑鉆桿，鉆頭為可開閉鉆頭。
33、進一步，步驟s4中所述靜態破碎劑為可控緩釋型靜態破碎劑。
34、進一步，所述靜態破碎劑藥卷由cao/al2o3復合基體與有機緩釋催化劑按3:1比例封裝于溫敏膠囊內制成。
35、進一步，步驟s5中不銹鋼篩管安設到位后采用兩堵一注封孔工藝；不銹鋼篩管安裝至煤層底板，煤層底板至孔口段采用不銹鋼管，不銹鋼篩管間、不銹鋼管間及二者之間均采用螺紋連接，不銹鋼篩管、不銹鋼管長度不大于1000mm；孔口采用瑪麗散封住，并利用水泥漿進行注漿封孔。
36、本發明的有益效果在于：
37、本發明通過回采工作面合理來壓步距確定、大孔徑控頂截流鉆孔參數設計及施工、金屬不銹鋼篩管安設及封孔連抽、截流抽采參數的智能調控，弱化頂板關鍵層結構、改變采空區瓦斯流場運移規律，將“主動弱化頂板”與“智能抽采瓦斯”深度耦合，構建“主動弱化-智能調控”協同防控體系；通過多源信息融合的閉環控制系統，實現強礦壓顯現以及頂板破斷引起瓦斯瞬變異常涌出的一體化精準治理。
38、具體而言，步驟s1通過分析煤層開采條件、結合以往數據和成本函數模型確定合理來壓步距，確保在液壓支架額定阻力范圍內可控，避免嚴重煤壁片幫和垮落，從源頭控制礦壓強度；步驟s2和s3優化并施工大孔徑控頂截流鉆孔，從底板瓦斯抽放巷施工至關鍵層，改變了傳統在工作面空間受限條件下難以作業的局面，鉆孔深度精確穿過關鍵層頂面0.5m并記錄各巖層情況，為后續弱化和抽采提供可靠通道。步驟s4將預制靜態破碎劑藥卷通過鉆桿中空空間精準送至關鍵層位并搗實，實現非爆破式、可控頂板弱化，替代傳統爆破的安全環保優勢顯著，減少了高瓦斯環境下爆破風險。
39、步驟s5采用金屬不銹鋼篩管旋轉安設至關鍵層下界面，配合螺紋連接的不銹鋼管、兩堵一注封孔，徹底解決常規pvc篩管在采空區被壓死堵孔的問題，確保抽采通道長期暢通。步驟s6構建基于支架載荷、工作面上隅角瓦斯體積分數、鉆孔抽采參數的多源信息閉環智能控制系統，plc控制模塊根據嵌入的閥門開度準則實時調控電動或氣動球閥，實現頂板碎裂與截流抽采參數的耦合調控：在來壓期間適度開閥進行截流抽采，緩解頂板破斷引起的強礦壓顯現和瓦斯瞬變涌出導致的工作面瓦斯陡增；來壓后瓦斯或載荷降至臨界值時自動關閉球閥，避免長期漏風引發遺煤氧化自燃，從而精準避免礦震、瓦斯超限、窒息及爆炸等鏈生災害。
40、步驟s7根據實際瓦斯變化優化鉆孔參數、破碎劑用量及控制模型，步驟s8隨工作面推進循環施工，形成持續動態治理能力。
41、整體上，本發明實現了治理作業空間從回采工作面向底板抽放巷的轉變，頂板弱化從傳統爆破向安全環保可控靜態碎裂劑預裂的轉變，治理思路從單災害治理向多災害協同治理的轉變，提供了從頂板源頭弱化、到瓦斯涌出路徑控制、再到風險動態智能響應的完整技術鏈條。
42、本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。