一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法與流程

2023-10-06 02:11:24

本發明涉及一種沿空留巷窄煤柱寬度確定方法，尤其是一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法。

背景技術：

窄煤柱護巷具有煤炭資源回收率高、經濟及社會效益好等優勢。但高瓦斯礦井開採中，為防止窄煤柱在採空區側向支承壓力及本工作面回採時超前支承壓力疊加作用下被壓裂，導致鄰空區瓦斯進入回採空間，帶來安全隱患，對窄煤柱護巷持謹慎態度，這就阻礙了窄煤柱護巷技術的推廣。因此，在高瓦斯礦井窄煤柱沿空布置中，窄煤柱合理寬度的確定不僅要有利於維護沿空巷道圍巖穩定，而且還必須能夠有效阻隔相鄰採空區的瓦斯進入回採空間。

窄煤柱合理寬度確定在公開的發明專利有，公開號為cn104594899a發明專利「一種沿空掘巷窄煤柱合理寬度確定方法」，其從維護巷道穩定角度出發，綜合考慮窄煤柱寬度與基本頂斷裂位置關係，給出窄煤柱合理寬度確定方法，但未將隔絕鄰空區瓦斯滲流作為對窄煤柱寬度確定的影響因素。公開號為cn106089207a的發明專利「特厚煤層沿空掘巷窄煤柱留設方法」，其在窄煤柱回採側用所安設錨杆兼作配筋並澆築混凝土形成類似擋土牆的人工構築物，以維護巷道穩定，但該種剛性人工構築物易在煤柱變形過程中產生拉應力而開裂，失去其應有功能。公開號cn105422128a的發明專利「一種深井沿空掘巷防採空區瓦斯滲流方法」，是通過中空注漿錨索向窄煤柱內注漿封堵其中裂隙及噴射柔性混凝土噴層以達到防止採空區瓦斯滲流的目的，但存在工序多、成本高之不足。

技術實現要素：

本發明是解決窄煤柱不適應高瓦斯礦井的問題，提供一種有效阻隔鄰空區瓦斯向回採空間滲流的窄煤柱寬度確定方法，採用數值模擬、理論計算的方法確定窄煤柱合理寬度，不僅能維護沿空巷道圍巖穩定，而且可有效阻隔鄰空區瓦斯向回採空間滲流。

本發明的上述目的是通過以下方案實現的。

一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法，所述窄煤柱寬度確定方法是按下列步驟進行的：

（一）通過鑽孔取樣方法，在現場採集工作面煤層、頂板及底板巖層的煤巖樣；

（二）將步驟（一）採集的煤巖樣在實驗室加工成標準煤巖試件，用巖石力學強度測試設備測出煤巖樣的力學參數；

所述煤巖樣力學參數是指單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、泊松比、彈性模量、內聚力、內摩擦角、體積模量和剪切模量，煤巖樣剪切模量和體積模量是通過以下公式計算：

式中：g—剪切模量，mpa；k—體積模量，mpa；e—彈性模量，mpa；μ—泊松比；

（三）採用現場礦山壓力實測方法，獲得工作面基本頂的初次來壓步距l；

（四）根據工作面地質鑽孔柱狀圖提供的煤巖層相應厚度與步驟（二）的所建煤層、頂板及底板巖石力學參數，建立數值計算模型；

（五）在步驟（四）所建模型邊界施加相應約束與載荷，並沿採空區的邊緣留寬度t1=3m煤柱，按照沿空巷道設計幾何尺寸掘巷；沿空巷道形成後，模擬開採工作面，工作面推進至步驟（三）得到初次來壓步距l時，測出工作面煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區的厚度x1和回採側破碎區的厚度y1，計算出x1+y1，若，則加寬煤柱重新計算；在步驟（四）所建模型內沿採空區邊緣留寬度為t2=4m煤柱，按照沿空巷道設計幾何尺寸掘巷，沿空巷道形成後，模擬開採工作面，工作面推進至步驟（三）得到初次來壓步距l時，測出工作面煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區的厚度x2和回採側破碎區的厚度y2，計算x2+y2，若，則加寬煤柱重新計算；依此類推，直至工作面煤壁所在平面對應煤柱所在位置回採側破碎區的厚度xn和回採側破碎區的厚度滿足時，最終得到窄煤柱採空側破碎區的厚度和回採側破碎區的厚度；

（六）根據沿空巷道設計斷面淨高h確定窄煤柱內穩定區的厚度t：窄煤柱內穩定區的厚度t為沿空巷道設計淨斷面高度h的二分之一，即：；

（七）所述窄煤柱寬度確定方法的窄煤柱合理寬度t是煤柱採空側破碎區的厚度x、回採側破碎區的厚度y及中部穩定區的厚度t之和，即：。

在上述技術方案中，進一步的技術特徵如下。

所述鑽孔取樣方法的頂板取樣總長度≥20m，底板取樣總長度≥10m，煤層取樣總長度≥3m。

所確定窄煤柱內穩定區的厚度t是工作面初次來壓時穩定區的最小厚度。

所述所建模型是包含本區段回採工作面和相鄰採空區，其中本回採工作面斜長是≥實際斜長的1/2，相鄰採空區斜長≥實際斜長的1/2，走向長度≥100m，頂板厚度≥20m，底板厚度≥10m。

所述窄煤柱內穩定區的窄煤柱寬度依次取t1=3m，……，t2=4m，……，tn=（n+2）m。

所述窄煤柱內穩定區是指該部分煤體處於其應力-應變全程曲線峰前應力狀態。

所述窄煤柱內回採側破碎區和採空側破碎區是指該部分煤體處於其應力-應變全程曲線峰後應力狀態。

實現上述技術方案，其優點與積極效果如下。

本發明將窄煤柱劃分為回採側破碎區、穩定區和採空側破碎區，根據頂板、底板、煤層的力學參數與沿空巷道設計淨斷面幾何尺寸建立數值模型，通過數值計算確定採空側破碎區厚度和回採側破碎區厚度，並採用理論計算確定出穩定區厚度，最終三者之和即為阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱合理寬度。本發明克服了窄煤柱留設中只注重其穩定性而忽略煤柱對採空區瓦斯的阻隔效果之不足，充分考慮煤柱內穩定區的幾何參數對維護沿空巷道圍巖穩定與阻隔鄰空區瓦斯向回採空間滲流的作用，使所留設窄煤柱具備上述兩種功能。

附圖說明

圖1是本發明窄煤柱位置及其區域劃分圖。

圖中：1：窄煤柱內回採側破碎區；2：窄煤柱內穩定區；3：窄煤柱內採空側破碎區；4：沿空巷道；5：本區段回採工作面煤體；6相鄰採空區。

圖2是本發明窄煤柱合理寬度數值計算模型圖。

圖3是本發明3m寬煤柱開採至初次來壓步距時煤柱破碎區分布圖。

圖4是本發明4m寬煤柱開採至初次來壓步距時煤柱破碎區分布圖。

圖5是本發明10m寬煤柱開採至初次來壓步距時煤柱破碎區分布圖。

圖6是本發明頂底板及煤層力學參數。

具體實施方式

下面對發明的具體實施方式作具體的詳細說明。

實施一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法，該窄煤柱寬度確定方法是按下列步驟進行的：

步驟一、通過鑽孔取樣的方法，在現場採集工作面煤層、頂板及底板巖層的煤巖樣；

所述鑽孔取樣是指頂板取樣總長度不小20m，底板取樣總長度不小於10m，煤層取樣總長度不小於3m。

步驟二、將步驟一取得的煤巖樣在實驗室加工成標準煤巖試件，用巖石力學強度測試設備測出煤巖樣的力學參數。

所述煤巖樣力學參數是指其單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、泊松比、彈性模量、內聚力、內摩擦角、體積模量和剪切模量，煤巖樣剪切模量和體積模量通過以下公式計算：

式中：g——剪切模量，mpa；k——體積模量，mpa；e——彈性模量，mpa；μ——泊松比。

步驟三、採用現場礦山壓力實測的方法，獲得工作面基本頂的初次來壓步距l；

步驟四、根據工作面地質鑽孔柱狀圖提供的煤巖層相應厚度與步驟二所得到的煤層、頂板及底板巖石力學參數，建立數值計算模型。

所述建立數值計算建模型包含本區段回採工作面和相鄰採空區，其中本回採工作面斜長不小實際斜長的1/2區斜長不小實際斜長的1/2，走向長度不小於100m，頂板厚度不小於20m，底板厚度不小於10m

步驟五、在步驟四所建模型邊界施加相應約束與載荷。並沿採空區6的邊緣留寬度t1=3m煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸掘巷。沿空巷道4形成後，模擬開採工作面5，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距l時，測出工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區3的厚度x1和回採側破碎區1的厚度y1，計算出x1+y1，若,則加寬煤柱重新計算；在步驟四所建模型內沿採空區6邊緣留寬度為t2=4m煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸掘巷，沿空巷道4形成後，模擬開採工作面5，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距l時，測出工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區3的厚度x2和回採側破碎區1的厚度y2，計算x2+y2，若,則加寬煤柱重新計算；依此類推，直至工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置回採側破碎區1的厚度xn和回採側破碎區3的厚度滿足時，最終得到窄煤柱採空側破碎區3的厚度和回採側破碎區1的厚度。

所述窄煤柱塑性區寬度確定過程中，窄煤柱寬度依次取t1=3m，……，t2=4m，……，tn=（n+2）m。

所述窄煤柱內穩定區2是指該部分煤體處於其應力-應變全程曲線峰前應力狀態。

步驟六、根據沿空巷道4設計斷面淨高h確定窄煤柱內穩定區2的厚度t：窄煤柱內穩定區2的厚度t為沿空巷道4設計淨斷面高度h的二分之一，即：。

所述窄煤柱內穩定區2的厚度t是工作面初次來壓時穩定區的最小厚度。

所述窄煤柱內回採側破碎區1和採空側破碎區3是指該部分煤體處於其應力-應變全程曲線峰後應力狀態。

步驟七、所述一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法的窄煤柱合理寬度t為煤柱採空側破碎區1的厚度x、回採側破碎區3的厚度y及中部穩定區2的厚度t之和，即：。

下面通過具體實施例來對本發明的具體實施方式做出進一步的詳細說明。

如附圖1所示，以某高瓦斯煤礦一高×寬=4m×5m沿空巷道為例，實施一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法，其確定方法步驟如下：

步驟一、通過鑽孔取樣的方法，在現場採集工作面煤層、頂板及底板巖層的煤巖樣；其中頂板巖樣取芯長度23.25m，底板巖樣取芯長度14.22m，煤層取樣5m。

步驟二、將步驟一取得的煤巖樣在實驗室加工成標準巖石試件，用巖石力學強度測試設備測出煤巖樣的力學參數：單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、泊松比、彈性模量、內聚力、內摩擦角，並通過公式計算出煤巖樣剪切模量和體積模量式中，g為剪切模量，單位：mpa；k為體積模量，單位：mpa；e為彈性模量，單位：mpa；μ為泊松比。煤巖力學參數附附表圖所述6。

步驟三、採用現場礦壓實測的方法，獲得工作面基本頂的初次來壓步距；

步驟四、根據工作面地質鑽孔柱狀圖提供的煤巖層相應厚度與步驟二所得到的煤層、頂板及底板巖石力學參數，建立數值計算模型，如附圖2。模型長×寬×高=200m×100m×44.51m，其中採空區長佔100m（採空區實際長度200m），本區段回採工作面長佔100m（工作面實際長度200m），頂板厚23.25m，底板厚14.22m。

步驟五和在步驟四，所建模型前、後、左側及右側邊界均施加水平方向0位移約束，在底部邊界施加水平及垂直兩個方向0位移約束，在上部邊界施加垂直向下載荷7.5mpa。

沿採空區6的邊緣留t1=3m寬煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸「高×寬=4m×5m」掘巷。沿空巷道4形成後，模擬開採工作面5，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距時，測出工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區3的厚度x1與回採側破碎區1的厚度y1之和,如附圖3所示。需加寬煤柱重新計算；

在步驟四所建模型內沿採空區6邊緣留t2=4m寬煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸「高×寬=4m×5m」掘巷，沿空巷道4形成後，模擬開採工作面5，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距時，測出工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區3的厚度x2與回採側破碎區1的厚度y2之和,如附圖4所示。需加寬煤柱重新計算；

在步驟四所建模型內沿採空區6邊緣依次留t3=5m、t4=6m、t5=7m、t6=8m和t7=9m寬煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸「高×寬=4m×5m」掘巷，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距時，測出工作面5煤壁所在平面對應這5種不同寬度煤柱所在位置的採空側破碎區3的厚度與回採側破碎區1的厚度，計算出、、、、。需加寬煤柱重新計算；

在步驟四所建模型內沿採空區6邊緣留t8=10m寬煤柱，按照沿空巷道4設計幾何尺寸「高×寬=4m×5m」掘巷，沿空巷道4形成後，模擬開採工作面5，工作面5推進至步驟三得到的初次來壓步距時，測出工作面5煤壁所在平面對應煤柱所在位置的採空側破碎區的厚度x8=5.5m與回採側破碎區的厚度y8=2.5m，計算出，如附圖5所示。最終得到窄煤柱採空側破碎區3的厚度和回採側破碎區1的厚度。

步驟六、根據沿空巷道4設計斷面淨高h確定窄煤柱內穩定區2的厚度t：窄煤柱內穩定區2的厚度t為沿空巷道4設計淨斷面高度h的二分之一，即：。

步驟七、所述一種阻隔鄰空區瓦斯滲流的窄煤柱寬度確定方法的窄煤柱寬度t為煤柱採空側破碎區厚度x、回採側破碎區厚度y及中部穩定區厚度t之和，即：

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