一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，首先，收集所要布置切眼對應(yīng)上覆一側(cè)采空煤柱附近的鉆孔柱狀資料；其次，根據(jù)收集到的資料，采用關(guān)鍵層判別軟件進(jìn)行具體鉆孔柱狀條件下覆巖關(guān)鍵層位置的判別；最終，根據(jù)上下煤層間關(guān)鍵層的賦存情況，按照各自對應(yīng)的方法進(jìn)行下煤層切眼位置的確定。本發(fā)明用于煤礦生產(chǎn)過程中近距離煤層重復(fù)開采時的頂板壓架災(zāi)害防治實踐，具有很高的可靠性和實用性。
【專利說明】一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤礦井下開采【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近距離煤層群開采過程中，由于切眼的斷面較大、不易支護(hù)，下煤層工作面布置時通常會將其設(shè)置在上煤層開采的遺留煤柱區(qū)下；由此，工作面初采階段將會經(jīng)歷由上覆煤柱區(qū)進(jìn)入采空區(qū)下的開采過程，即出一側(cè)采空煤柱的開采，如附圖3所示，圖中七為下煤層切眼距上覆一側(cè)采空煤柱邊界的距離?，F(xiàn)場的開采實踐與觀測結(jié)果顯示，多個工作面在此過程中發(fā)生了嚴(yán)重的壓架現(xiàn)象，出現(xiàn)了支架活柱瞬時大幅下縮(超過500_)、支架被壓死或?qū)е虏擅簷C(jī)無法通過等劇烈的來壓現(xiàn)象，給人員的安全和礦井的高效生產(chǎn)帶來了極大的影響；且此類災(zāi)害在我國西北部的神東、伊泰等淺埋近距離煤層賦存礦區(qū)的開采過程中顯得尤為普遍。如何確保類似工作面在推出上覆一側(cè)采空煤柱開采時的安全，已成為上述礦區(qū)亟待解決的技術(shù)難題。
[0003]針對上述壓架災(zāi)害，相關(guān)研究已結(jié)合神東礦區(qū)部分礦井采出上覆一側(cè)采空煤柱的開采條件，從煤柱上方關(guān)鍵層破斷運(yùn)動的角度對其發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，工作面出煤柱時，煤柱上方關(guān)鍵層破斷塊體與煤柱邊界采空區(qū)一側(cè)已斷塊體始終無法形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給煤層間巖層及支架的過大載荷是造成壓架發(fā)生的根本原因。因此，如何保證煤柱上方關(guān)鍵層在出煤柱時不發(fā)生破斷，或其破斷回轉(zhuǎn)傳遞的載荷不致引起煤層間巖層的切落，是防治壓架的關(guān)鍵。而下煤層切眼在上覆一側(cè)采空煤柱下布置位置的不同，將直接影響到煤柱上方關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動型式及其傳遞載荷的大小。所以，合理確定下煤層切眼的布置位置是解決上述壓架問題的有效途徑。
[0004]目前，現(xiàn)場工程技術(shù)人員在對淺埋近距離下部煤層的切眼進(jìn)行布置時，單純以是否便于切眼的支護(hù)作為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，而未能考慮后續(xù)工作面采出上覆一側(cè)采空煤柱時的壓架防治。因此，有必要設(shè)計一種專門用于淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，旨在結(jié)合各礦井具體煤層賦存條件及煤層上覆巖層巖性結(jié)構(gòu)特征，統(tǒng)籌考慮煤層埋深、上下煤層間距、煤層間是否存在關(guān)鍵層、覆巖關(guān)鍵層破斷步距等，據(jù)此確立淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的計算方法，指導(dǎo)解決礦井壓架問題以及淺埋近距離煤層安全開采的研究，保障礦井安全生產(chǎn)及井下人員安全。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，包括以下步驟:
[0007]S1、收集所要布置切眼對應(yīng)上覆一側(cè)采空煤柱附近的鉆孔柱狀資料；
[0008]S2、根據(jù)收集到的資料，采用關(guān)鍵層判別軟件進(jìn)行具體鉆孔柱狀條件下覆巖關(guān)鍵層位置的判別；
[0009]S3、根據(jù)上下煤層間關(guān)鍵層的賦存情況，按照各自對應(yīng)的方法進(jìn)行下煤層切眼位置的確定。
[0010]優(yōu)選地，在步驟SI中，所述鉆孔柱狀資料為礦井普查、詳查或精查過程中所鉆取的地面鉆孔柱狀圖。
[0011]優(yōu)選地，在步驟S2中，所述關(guān)鍵層判別軟件為KSPB，國家計算機(jī)軟件著作權(quán)編號為 2008SR34419。
[0012]優(yōu)選地，在步驟S3中，所述切眼位置的確定方法包括以下具體過程:
[0013](I)上下煤層間無關(guān)鍵層時
[0014]切眼布置時應(yīng)避免煤柱上方關(guān)鍵層發(fā)生懸臂式破斷，同時還應(yīng)保證切眼處于上覆煤柱邊界應(yīng)力峰值之外；即切眼位置dm應(yīng)滿足如式(I)所示的條件:
[0015]D+Y<dm<l1⑴
[0016]式中，D為切眼寬度山為煤柱上方關(guān)鍵層的周期破斷步距，可根據(jù)上煤層開采時周期來壓步距的實測值進(jìn)行確定；Υ為煤柱邊界塑性區(qū)寬度，

【權(quán)利要求】
1.一種淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，其特征在于包括以下步驟: S1、收集所要布置切眼對應(yīng)上覆一側(cè)采空煤柱附近的鉆孔柱狀資料； S2、根據(jù)收集到的資料，采用關(guān)鍵層判別軟件進(jìn)行具體鉆孔柱狀條件下覆巖關(guān)鍵層位置的判別； S3、根據(jù)上下煤層間關(guān)鍵層的賦存情況，按照各自對應(yīng)的方法進(jìn)行下煤層切眼位置的確定；若上下煤層間無關(guān)鍵層，則切眼距煤柱邊界的距離需小于煤柱上方關(guān)鍵層的周期破斷距，并處于煤柱邊界應(yīng)力峰值之外；若煤層間存在I層或多層關(guān)鍵層時，切眼可更深入煤柱內(nèi)部布置，僅需保證煤層間最上位關(guān)鍵層初次破斷結(jié)構(gòu)前端鉸接點(diǎn)的摩擦力及其下部支架阻力和煤柱上方關(guān)鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)傳遞的載荷相對中間鉸接點(diǎn)達(dá)到力矩平衡，或者使得該關(guān)鍵層初次破斷塊體在煤柱邊界對應(yīng)位置的下沉量達(dá)到煤柱上方關(guān)鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)量即可。
2.如權(quán)利要求1所述的淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，其特征在于，在步驟SI中，所述鉆孔柱狀資料為礦井普查、詳查或精查過程中所鉆取的地面鉆孔柱狀圖。
3.如權(quán)利要求1所述的淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，其特征在于，在步 驟S2中，所述關(guān)鍵層判別軟件為KSPB，國家計算機(jī)軟件著作權(quán)編號為2008SR34419。
4.如權(quán)利要求1所述的淺埋近距離一側(cè)采空煤柱下切眼位置的確定方法，其特征在于，所述確定方法進(jìn)一步包括: (1)上下煤層間無關(guān)鍵層時 切眼布置時應(yīng)避免煤柱上方關(guān)鍵層發(fā)生懸臂式破斷，同時還應(yīng)保證切眼處于上覆煤柱邊界應(yīng)力峰值之外；即切眼位置dm應(yīng)滿足如式(I)所示的條件: D+Y<dm<l1⑴ 式中，D為切眼寬度；I1為煤柱上方關(guān)鍵層的周期破斷步距，可根據(jù)上煤層開采時周,,Mx , Ccotc? + KviI期來壓步距的實測值進(jìn)行確定；Y為煤柱邊界塑性區(qū)寬度，Υ = ^Χη ξαcotφ ’其中，Μ。H分別為煤柱厚度和埋深，C、P分別為煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，y為巖層容重，K為應(yīng)力集中系數(shù)，f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，<^(l+sin^)/(l-sin^); (2)上下煤層間存在I層關(guān)鍵層時 對于煤層間存在I層關(guān)鍵層的開采情形，其切眼的布置可更深入煤柱內(nèi)部，僅需保證煤柱上方關(guān)鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)作用對工作面支架不產(chǎn)生影響即可； 按關(guān)鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)量計算:根據(jù)壓架機(jī)理的分析，工作面的壓架實際是上支架活柱吸收了煤柱上方關(guān)鍵層破斷塊體G的回轉(zhuǎn)量A1 ;因此，若煤層間關(guān)鍵層2初次破斷時的回轉(zhuǎn)量較大而能吸收破斷塊體G的回轉(zhuǎn)量時，那么工作面的支架將不會受到影響；所以，煤柱邊界處對應(yīng)關(guān)鍵層2破斷塊體的下沉量Ab應(yīng)滿足AbS Λ ρ其中，Λ2為關(guān)鍵層2破斷塊體的回轉(zhuǎn)空間；而
由此可化簡得: ClmS(1-O-SA1M2)L2(3)其中，Ai = M^(1-Kpl) Σ hn, A2 =M2+(1-Kp2) Σ hi2，M2為下煤層采高，Σ hn、Kpl為上煤層直接頂厚度及其碎脹系數(shù)，Σ hi2、Kp2為下煤層直接頂厚度及其碎脹系數(shù)； 按關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算:即應(yīng)保證上覆載荷的作用使關(guān)鍵層2初次破斷塊體鉸接結(jié)構(gòu)不致發(fā)生滑落失穩(wěn)，即應(yīng)滿足
式中，F(xiàn)b為煤柱上方關(guān)鍵層I懸臂式破斷回轉(zhuǎn)過程中傳遞給煤層間關(guān)鍵層2的載荷，
其中，I α分別為關(guān)鍵層I破斷塊體塊度和回轉(zhuǎn) 角，= ^/I1, hi為關(guān)鍵層I厚度，q為關(guān)鍵層I自重及其上覆載荷，kb為系數(shù)，kb = Ib/dm, Ib為Fb相對左側(cè)鉸接點(diǎn)的力矩，Ib = dm/2+L2/4 ；L2為關(guān)鍵層2的初次破斷步距，可根據(jù)鄰近工作面初次來壓步距的實測結(jié)果取值；q^為關(guān)鍵層2自重及其與關(guān)鍵層I之間巖層的載荷；Rb'為工作面支架通過頂板巖層的支撐力，Rb' = RzJ/L-lk Y Σ hi2，RzJ、L、Ik分別為工作面支架的工作阻力、支架寬度及支架控頂距為塊體鉸接處的摩擦力，/?<)= , τ, Ι?χχψ分別為關(guān)鍵層2破斷巖塊間的水平推力和摩擦系數(shù)，T= δ σ。/2，
，其中，δ 為破斷塊體絞接處的接觸面高度，h2為關(guān)鍵層2的厚度，β 2、Θ 2分別為關(guān)鍵層2破斷塊體的斷裂角和回轉(zhuǎn)角；σ。為關(guān)鍵層2破斷塊體的單軸抗壓強(qiáng)度； 實際計算時，分別按式(3)、式(4)進(jìn)行計算，然后取其較大值作為最終的合理切眼位置； 當(dāng)然，若上下煤層間存在2層或2層以上的多層關(guān)鍵層時，下煤層切眼位置的確定則與上述煤層間存在I層關(guān)鍵層時類似，即使得煤層間最上面一層關(guān)鍵層的破斷滿足式(3)或式⑷即可。
【文檔編號】E21C41/18GK104074520SQ201410291453
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】鞠金峰, 許家林, 朱衛(wèi)兵 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)