CN103510956A - 一种减小倾斜煤层防水煤柱留设宽度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减小倾斜煤层防水煤柱留设宽度的方法，所述工作面采用错层位外错式巷道布置的方式，所述工作面的进风巷沿煤层顶板布置，所述工作面的回风巷沿煤层底板布置；在靠近所述进风巷之前，将所述工作面由倾斜向下的角度逐步抬升至所述进风巷的大体水平的角度，同时逐步降低工作面的开采厚度至所述进风巷的高度，解决了传统防水煤柱的留设宽度过大的问题，在达到防止相邻采空区溃水的前提下，缩小防水煤柱的留设宽度，提高回采率。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及一种减小倾斜煤层防水煤柱留设宽度的确定方法。
背景技术
防水煤柱留设是矿井防治水工作的重要措施，其作用是预防采场上方各类型水涌入巷道或者工作面。传统上，为了提高回采率，通常的做法提高开采厚度，比如一次采全高，然而，这同样会增大防水煤柱的留设宽度，造成资源浪费。另外，防水煤柱包括煤柱中间的弹性核区和两侧的非核区，其中真正起到防水作用的是煤柱的弹性核区。目前，对这种类型的采空区防水煤柱设计是通过岩移影响带宽度确定非核区煤柱的宽度，并且在计算中将煤柱和岩柱统一计算岩移影响带宽度。由于岩移影响带中实际上已经包含了煤柱中央的弹性核区，因此，这种方法会导致计算出的煤柱留设宽度过大，严重浪费煤炭资源。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种减小倾斜煤层防水煤柱留设宽度的方法，以解决传统防水煤柱的留设宽度过大的问题，以在达到防止相邻采空区溃水的前提下，缩小防水煤柱的留设宽度，提高回采率。
为实现上述方面目的，本发明采用以下技术方案：
一种减小倾斜煤层防水煤柱的留设宽度的方法，其特征在于，所述工作面采用错层位外错式巷道布置的方式，所述工作面的进风巷沿煤层顶板布置，所述工作面的回风巷沿煤层底板布置；在靠近所述进风巷之前，将所述工作面由倾斜向下的角度逐步抬升至所述进风巷的大体水平的角度，同时逐步降低工作面的开采厚度至所述进风巷的高度。
根据本发明的方法，优选地，所述工作面在抬升时，平均每节溜槽即1.5米或1.75米宽度抬升2-3度；进一步优选地，平均每节溜槽1.5-1.75米宽度抬升2.5-3度，直至抬升至所述进风巷的大体水平的角度。
根据本发明的方法，煤层厚度越大本发明减小的煤柱宽度越明显，优选地所述煤层的厚度大于5米，所述煤层的采高不小于5米，大于所述进风巷的高度。
根据本发明的方法，优选地，通过以下步骤得到防水煤柱的最小留设宽度：
a、根据公式L=L1+L2+L3
式中，L2为煤柱弹性核区宽度，
其中，d为开采扰动因子；
为煤柱与顶底板界面的摩擦角；C为煤柱与顶底板界面的黏聚力；β为屈服区与核区界面处的侧压力系数；τ为煤柱极限强度；M为煤层采高；Px为煤体的侧向约束力；α为煤层的倾角；
得到防水煤柱的留设宽度的最小值L；
b、根据公式L’=L1’+L2+L3’
式中，L1’=Hfcos(δ-α)/sinδcosα,L3’=Hfcos(δ+α)/sinδcosα
其中，Hf为导水断裂带高度；δ为岩移角；α为煤层倾角；
当所述L2=0时；得到防水煤柱留设宽度的最小值L’=L1’+L3’；
c、选取步骤a和b中所得防水煤柱留设宽度的最小值中的较大者作为防水煤柱留设宽度的最小值。
根据本发明的方法，优选地，所述弹性核区的宽度L2=0.5KM(3P/KP)1/2：
式中，K为安全系数；M为煤层采高；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。
根据本发明的方法，优选地，所述弹性核区的宽度L2=P/Ts+10：
式中，P为水头压力，MPa；Ts为突水系数。
根据本发明的方法，优选地，所述弹性核区的宽度取L2=0.5KM(3P/KP)1/2或L2=P/Ts+10中的较大值。
本发明在开采倾斜厚煤层时采用错层位外错式巷道布置，并且使工作面在靠近进风巷时由倾斜向下的角度逐步抬升至进风巷的大体水平的角度，同时，在工作抬升时逐步降低工作面的开采厚度至所述进风巷的高度，从而可以减小防水煤柱的留设宽度，并且逐步抬升工作面角度还有利于开采设备的稳定；另外，本发明克服了传统方法在计算煤柱的留设宽度时存在的重复计算、造成煤柱留设的值偏大的问题，在达到防止相邻采空区溃水的工程前提下，进一步优化缩小了留设煤柱的宽度，提高了回采率，延长了矿井服务年限。
附图说明
图1为本发明的工作面布置示意图；
图2为图1中工作面抬升段的示意图。
具体实施方式
以下对本发明进行进一步地说明。
一种减小倾斜煤层的防水煤柱留设宽度的方法，所述防水煤柱为相邻的工作面之间留设的煤柱，以防止相邻采空区之间的溃水事故。在本申请中，所述倾斜煤层的倾角比如可以大于12度，优选大于18度，所述煤层的厚度大于5米，优选大于6米；进一步优选地，所述倾斜煤层的开采厚度不小于5m，比如采用一次采全高的开采方法，煤层厚度越大采用本发明减小的煤柱宽度越明显。
其中，所述工作面采用错层位外错式巷道布置的方式，即在开采时，所述工作面以及工作面的区段回风巷沿煤层底板布置，所述工作面区段进风巷沿煤层顶板大体水平布置（比如与水平面的夹角不超过5度），此时，所述进风巷可以设置成全部处于煤层中、部分处于煤层中部分处于岩层中，或全部处于岩层中。由此，所述工作面在接近所述进风巷时，所述工作面由倾斜向下的角度逐步抬升至进风巷的大体水平的角度，优选地，所述工作面在抬升时，平均每1.5-1.75米（每节溜槽的宽度）抬升2-3度，直至到达水平；进一步优选地，所述平均每节溜槽抬升2.5-3度，直至到达水平，以便在开采条件允许的情况下，减小所述工作面抬升至进风巷所需的距离，从而减小工作面下方的煤损，并且大体水平的工作面还有益于开采设备的稳定。同时，在工作抬升时逐步降低工作面的开采厚度至所述进风巷的高度，比如通常的进风巷高度3-4.5m。
研究认为，防水煤柱设计需要满足两个方面的要求：1、设计的煤柱要有足够的弹性核区，用以抵御采空区积水的侧向静水压力;2、防水岩柱宽度的大小，应能保证其两侧的最大导水断裂带高度不能相互贯通。
步骤a，为满足上述防水煤柱设计的第一个方面的要求，将工作面间防水煤柱划分为三部分：采空区的残余支承压力影响带煤柱L1、生产工作面侧向支承压力影响带煤柱L3，以及位于两者之间的弹性核区L2。
其中，所述采空区的残余支承压力影响带煤柱L1和生产工作面侧向支承压力影响带煤柱L3也称为煤柱屈服区宽度x，根据公式（1）计算：
式中，d为开采扰动因子；
为煤柱与顶底板界面的摩擦角；C为煤柱与顶底板界面的黏聚力；β为屈服区与核区界面处的侧压力系数；τ为煤柱极限强度；M为煤层厚度；Px为煤体的侧向约束力；α为煤层的倾角。
所述弹性核区L2通常通过以下公式计算：
公式（2）：按照材料力学简支梁的力学模型
L2=0.5KM(3P/KP)1/2 (2)
式中，K为安全系数（取2-5）；M为煤层采高；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa；
或公式（3）：按照经验计算方法
L2=P/Ts+10 (3)
式中，P为水头压力，MPa；Ts为突水系数。
因此，煤柱留设宽度=2x+L2，优选地，弹性核区宽度L2取公式（2）和公式（3）中计算得到的较大值。
步骤b，为满足上述防水煤柱设计的第二个方面的要求，由于最大导水断裂带高度不能相互贯通，将工作面间防水煤柱划分为三部分：即采空区岩移影响带煤柱L1’、工作面岩移影响带煤柱L3’和弹性核区L2。
其中，利用覆岩移动角度和采场导水断裂带高度相结合的方法确定L1’和L3’，通过公式（4）计算：
L1’=Hfcos(δ-α)/sinδcosα，L3’=Hfcos(δ+α)/sinδcosα （4）
其中，Hf为导水断裂带高度，可以通过经验公式（比如
其中M为煤层采高）计算得出；δ为岩移角；α为煤层倾角。
所述弹性核区L2≥0，即可满足导水裂隙带不会贯通。
因此，煤柱留设宽度的最小值=L1’+L3’。
步骤c，选取步骤a和b中所得煤柱留设宽度的较大值作为本发明的煤柱留设宽度的最小值。这样
以下通过实施例对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于此。
实施例
某矿是设计年产120万吨的矿井，主采煤层为4#煤层。煤层厚度平均为6.2m，煤层倾角为32°，工作面长度为150m，由井田中部向东直到自然边界连续推进范围约2100m。煤层结构与地质构造均简单，采用综合机械化放顶煤一次采全高开采方法，为采用本发明的方法进行优化前，其工作面的两巷（进风巷和回风巷）均沿煤层底板布置，在已回采结束的工作面生产实践表明：正常涌水量为5m3/min，最大涌水量8m3/min，已回采结束的工作面垂直高度为80m，工作面的采空区积水会威胁到下一工作面的安全生产，因此需要在相邻的工作面之间留设合理宽度的防水煤柱以确保安全。
图1示出了根据本发明优化的工作面布置示意图，其中标记1为1410工作面区段进风巷道，沿煤层顶板布置；2为1410工作面区段回风巷，沿煤层底板布置；3为1411工作面区段回风巷，沿煤层底板布置；4为1410与1411工作面之间的留设煤柱。
图2示出了1410工作面抬升时的示意图，其中，a表示1410工作面的抬升而形成的工作面起坡段，b表示1410工作面的正常布置段，煤层倾角α为32°。巷道的尺寸宽×高=4.8m×3m。由于相邻溜槽的最大可抬升角度为3°，因此从正常布置段b最右侧开始逐节按3°进行抬升10节溜槽，当布置第11节溜槽时，抬升2°正好过渡到水平，并且开采厚度也均匀减小至3m。事实上，32°已经接近大倾角煤层角度的下限，通常超过18°即对设备的稳定性已经造成较大的影响，因此，采用沿煤层顶板布置巷道工作面造成的起坡段a带来另外一个优点是在工作面下部减小了工作面的倾斜角度，从而提高了设备的稳定性。
对此，按照传统方法计算防水煤柱的宽度：
L=L1’+L2+L3’;其中Hf为导水断裂带高度，取13M；δ为岩移角，实测岩移角为50°；得到L1’=140.86m;L3’=20.57m；而根据公式（2）和（3），其中M为6.2m；K=2.5；Kp=0.5MPa；水头压为P为0.8MPa；Ts=0.06MPa/m；得到L2=23.3m
因此，按照传统方法需要留设的防水煤柱的宽度L为184.73m。
按照本发明优化的方法计算防水煤柱的宽度，此时开采厚度减小到3m：
根据公式（1）计算能够保持煤柱稳定的防水煤柱宽度：
其中，煤柱的极限抗压强度值依据现场实测τ=5.5MPa，M=6.2m，该矿开采条件存在如下几个特点：1、已采工作面为综合机械化放顶煤开采，工作面推进速度较低，最低时每天推进速度仅1m；2、开采煤层上覆岩层裂隙较为发育，因此煤柱受到的扰动影响较为强烈；3、由于煤层倾角较大，已采工作面开采期间对于下方煤柱的扰动偏小，而下一工作面开采期间煤柱的破坏程度加剧，因此，综合上述因素，从安全的角度考虑，确定取值接近其分布范围的上限，即d取2.8,β=0.27，C=1.08MPa，
采区内的煤柱没有加固，故其侧向约束力Px=0。
计算得到煤柱屈服区宽度x=10.16m，从而得到能够保持煤柱稳定的防水煤柱宽度L=2x+L2=2×10.16m+23.3m=43.42m。
根据步骤b，此时得到L1’=57.8m；L3’=20.57m；从而防水煤柱宽度为78.37m。
取步骤a与b得到的较大值，由此，根据本发明优化的方法得到的防水煤柱宽度为78.37m，为传统方法得到的煤柱留设宽度的42.42%。
进一步，由于1410工作面存在一个起坡段，造成其下方存在一个三角煤损区域，虽然前述已经给出技术优化后的留设煤柱宽度为原方法留设宽度的42.42%，但是没有考虑三角煤炭损失，在此需要针对综合回采率进行比较分析：
按照传统方法计算，防水煤柱留设宽度不低于184.73m,考虑6.2m的煤层厚度，沿工作面的剖面计算得到煤柱的面积为1201.27㎡；
技术优化后，工作面之间的煤炭损失分为两部分，即1410工作面起坡段下方的三角煤损以及工作面之间保留的78.37m的防水煤柱，经计算，其面积损失为545.7㎡，其损失量仅仅为传统方法的45.42%，按照工作面向东推进2100m计算，工作面采出率按照85%计算，仅仅在1410与1411工作面之间即可多回采1.58Mt的煤炭资源。可以看出，本发明的技术优化在提高煤炭回采率方面是非常可观的。
Claims (7)
1.一种减小倾斜煤层的防水煤柱留设宽度的方法，其特征在于，所述工作面采用错层位外错式巷道布置的方式，所述工作面的进风巷沿煤层顶板布置，所述工作面的回风巷沿煤层底板布置；在靠近所述进风巷之前，将所述工作面由倾斜向下的角度逐步抬升至所述进风巷的大体水平的角度，同时逐步降低工作面的开采厚度至所述进风巷的高度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作面在抬升时，平均每1.5-1.75米抬升2-3度，直至到达水平。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述煤层的厚度大于5米，所述煤层的采高不小于5米。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下步骤得到防水煤柱的最小留设宽度：
a、根据公式L=L1+L2+L3
式中，L2为煤柱弹性核区宽度，
其中，d为开采扰动因子；
为煤柱与顶底板界面的摩擦角；C为煤柱与顶底板界面的黏聚力；β为屈服区与核区界面处的侧压力系数；τ为煤柱极限强度；M为煤层采高；Px为煤体的侧向约束力；α为煤层的倾角；
得到防水煤柱的留设宽度的最小值L；
b、根据公式L’=L1’+L2+L3’
式中，L1’=Hfcos(δ-α)/sinδcosα,L3’=Hfcos(δ+α)/sinδcosα
其中，Hf为导水断裂带高度；δ为岩移角；α为煤层倾角；
当所述L2=0时；得到防水煤柱留设宽度的最小值L’=L1’+L3’；
c、选取步骤a和b中所得防水煤柱留设宽度的最小值中的较大者作为防水煤柱留设宽度的最小值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述弹性核区的宽度L2=0.5KM(3P/KP)1/2：
式中，K为安全系数；M为煤层厚度或采高；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述弹性核区的宽度L2=P/Ts+10：
式中，P为水头压力，MPa；Ts为突水系数。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述弹性核区的宽度取L2=0.5KM(3P/KP)1/2或L2=P/Ts+10中的较大值。
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