CN105350966B - 留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种留煤柱护巷开采下保护层的方法，以实现矿井被保护煤层倾斜方向的连续、充分卸压，解决目前厚煤层留煤柱开采保护层造成的被保护层倾斜方向卸压不连续、不充分、留设煤柱造成被保护层的应力集中几个问题。本发明提出实现被保护层煤层倾斜方向连续、充分卸压，实现被保护层的连续与安全开采。采用在工作面之间留设煤柱支撑覆岩的方法，利用煤柱发生突变、失稳的原理，实现留煤柱回采保护层发生失稳而形成的被保护层倾斜方向的连续与煤柱失稳造成被保护层的多次采动影响，在留设合理煤柱尺寸的同时，实现被保护层倾斜方向覆岩的充分采动，进一步形成被保护层的连续、充分卸压。

Description

留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及在煤层群存在高瓦斯或煤与瓦斯突出的矿井中，应采用保护层开采实现被保护层卸压的方法。

背景技术

保护层开采技术作为有效的区域瓦斯治理技术，在有条件的矿井应优先开采保护层。保护层开采为采场提供卸压空间，被保护层卸压后，赋存的瓦斯得到解吸释放，从而消除被保护层煤体的突出危险性。

保护层开采的卸压机理是利用煤层开采后，周围的煤岩层向采空区移动，使其应力-应变状态发生改变，导致煤岩层卸压、弹性潜能释放，产生采动裂隙，煤岩层透气性增大，这一改变为卸压煤层的瓦斯解吸、流动创造了条件。保护层开采技术是充分利用保护层的采动卸压影响对被保护层的瓦斯进行抽采，能够彻底消除被保护层的突出危险性。保护层开采技术的前提是矿井赋存有多层煤，位于突出危险煤层上方的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层。由于保护层开采的采动作用并同时抽采突出危险煤层卸压瓦斯，可使突出危险煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，该突出危险煤层称为被保护层。

下保护层应用的技术关键是既不会破坏上方被保护煤层的连续性，又会对上方被保护煤层造成采动影响出现卸压，且瓦斯得到解吸、释放。目前，对于下保护层的应用与研究正在深入进行，国内多位学者就下保护层的应用与效果进行了探讨。

淮南矿区作为煤与瓦斯突出较为严重的矿区，在应用保护层方面，建立卸压开采“抽采”瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系。淮南潘一矿首采煤层B11煤层，平均采高2m，该煤层瓦斯含量低，无煤与瓦斯突出危险性。在B11煤层上方70m(相对层间距35)处的C13煤层是矿井的主采煤层，平均采高6m，瓦斯含量为13m³/t，瓦斯压力为4.4MPa，煤层透气性系数为0.011m²/MPa².d，是一典型的煤与瓦斯突出危险煤层。为了实现C13煤层的安全开采，首先开采下方的B11煤层，利用采动影响对C13煤层进行卸压并辅以瓦斯抽采措施，在抽采区域内全面地消除C13煤层的煤与瓦斯突出危险性，降低了卸压煤层的瓦斯含量。

淮北矿业集团宿南矿区煤层赋存状况及瓦斯灾害程度，提出了倾斜煤层远距离下保护层开采的瓦斯治理方案，分析了倾斜煤层远距离下保护层开采存在的若干问题，并给出了采用沿空留巷或小煤柱护巷技术，杜绝保护层煤柱的留设造成被保护层卸压不充分甚至出现应力集中加剧突出的问题。

在对下保护层进行分类中，按照保护层与被保护层的距离与保护层开采高度的比值，将下保护层分为近距离下保护层、远距离下保护层以及超远距离下保护层三类，同时对被保护层的卸压效果进行评价。

目前对于下保护层的应用与效果评价上，认为层间距是影响下保护层应用的主要因素，而对于煤柱尺寸与回采工艺对被保护层卸压效果的研究较少，虽然也有学者提出尽可能采用无煤柱或留设小煤柱开采，但是对于厚煤层一次全高开采无煤柱沿空留巷的难度较大，留煤柱开采在目前井工开采中占有绝大多数，而留设小煤柱开采没有给出具体留设的标准，且小煤柱的存在始终会影响到被保护层的卸压效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提出了留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，在相邻回采工作面之间留设护巷煤柱，利用煤柱的突变性，在采用跳采工艺开采远处工作面时，煤柱发生失稳垮落，从而对上覆被保护层形成连续卸压。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：根据煤层赋存条件，确定一侧采动情况下实体煤内塑性区尺寸；

第二步：根据第一步确定的一侧采动情况下的实体煤内塑性区尺寸，确定煤柱满足发生突变的临界尺寸；

第三步：确定煤柱能够保持稳定的时间；

第四步：在第二步与第三步确定的煤柱尺寸及能够保持稳定时间的基础上，确定回采速度与工作面之间的接续；

第五步：确定保护层工作面开采对被保护层的卸压范围。

优选地，在所述的第一步中，一侧采动实体煤内塑性区的分布范围计算方法为：

式中，M，一次采出煤层厚度；ε，侧压系数；f，煤层与顶底板的摩擦系数；R，煤层的三向抗压强度；k_t,煤层的内聚力；煤层的内摩擦角。

优选地，在所述的第二步中，为了满足留设护巷煤柱能够发生突变，因此确定所留设煤柱尺寸应满足：

2x≥88％

式中，88％为煤柱发生突变塑性区所占的比例。

优选地，在所述的第三步中，煤柱发生失稳的时间为：

式中，t，煤柱发生失稳的时间；η，黏性系数；E，煤体弹性模量；λ，软化系数；K_d，煤层顶板刚度；M，煤层厚度；S，煤柱横截面积，可取煤柱宽度a与推进距离L，则S＝aL。其他符号意义同前。

优选地，在所述的第四步中，为了保证工作面生产期间煤柱不会发生失稳，工作面回采速度应满足：

式中，v，要求工作面的最低推进速度。

优选地，在所述的第四步中，为了实现煤柱发生失稳，煤柱保持稳定的时间t满足

t≤2L/v

式中，符号意义同前。

优选地，在所述的第四步中，为了避免接续工作面回采期间受到采空区煤柱失稳造成的覆岩运动的影响，需要采用跳采模式，即工作面顺序编号①-⑤，开采顺序应为①-④-②-⑤-③。

优选地，在所述的第五步中，单个工作面回采结束，被保护层实现的卸压范围为：

l＝b-2hctgδ

式中，l，被保护层的卸压范围；b，单个工作面长度；h，保护层与被保护层的层间距；δ，保护层的卸压角。

优选地，在所述的第五步中，煤柱发生突变失稳后，被保护层实现的连续卸压范围为：

l＝2b+a-2hctgδ

附图说明

图1为一侧采动实体煤应力分布与分区情况；

图2为实体煤内单元体的受力模型

图3为留设煤柱示意图；

图4为工作面开采顺序示意图；

图5为卸压效果示意图

具体实施方式

下面以本发明所述方法在煤炭生产中的实际应用为例，对本发明进行详细说明。然而本领域技术人员应该认识到，本发明并不因此而受到任何限制。

开采具有突出危险性煤层，首先开采相邻的不具突出危险性或突出危险性的煤层，利用首采煤层的采动影响，实现对被保护煤层的应力进行释放、瓦斯解吸并辅以瓦斯抽采措施，可保障充分卸压区内的安全开采。位于突出危险煤层上方的首采层称为上保护层，相反，位于突出危险煤层下方的首采层称为下保护层。对于下保护层的分类，按照保护层与被保护层之间的层间距与保护层的采高的比值，分为近距离下保护层、远距离保护层以及超远距离保护层。对于具有突出危险性的被保护层，要求位于保护层开采的裂隙带与弯曲下沉带的中下部，不破坏被保护层连续性的同时可实现充分卸压。目前的研究重点均放在被保护层的卸压效果上，即纵向上的研究，而对于工作面之间的关系，即横向上的研究较少，虽然有学者提出要采用沿空留巷或者留设小煤柱开采，但对于厚煤层开采，实现沿空留巷或者小煤柱的可行性较低，留设的煤柱必然造成被保护层卸压区域的中断，且易引起被保护层形成应力集中区，严重影响被保护层的安全、高效开采。本发明即结合煤柱的留设，提出一种实现被保护层连续、充分卸压的方法。

本发明的具体方法如下：

第一步，如图1所示，根据煤层赋存的地质与工作面的回采技术条件，确定一侧采空区时实体煤内的分区情况，力学模型见图2所示。

式中：σ_y，垂直应力，属于相互作用力；f，摩擦因素；k_t，内聚力；σ_x，水平应力；M，煤层厚度。

推导得到：

极限平衡条件：

得出：

对此式进行微分，得到：

整理得到：

进行积分，得到：

按照前述分析，认为煤帮处水平应力为0，因此有x＝0，σ_x＝0，再次整理得到公式(1-3)：

公式(1-3)中给出的是极限强度条件下支承应力的表达公式，当支承应力达到岩体的三向抗压承载能力后，即进入塑性阶段，满足：

σ_y＝R

得到公式(1-4)：

式中：x，一侧采动煤柱屈服区宽度；R，岩体的三向抗压强度。

第二步，根据第一步得到的煤柱塑性区尺寸x，进一步确定发生突变时煤柱塑性区的尺寸。留煤柱开采时，如煤柱中部处于弹性区，那么开采技术参数相同的情况下，认为煤柱两侧的屈服区宽度x相同，假设煤柱尺寸为a，那么煤柱中部的弹性核区、煤柱塑性区与煤柱尺寸之间满足公式b＝a-2x。

煤柱的核区符合弹性法则，而煤柱的屈服区强度低，抵抗变形的能力随变形值的增大而减小。而煤柱弹性核区与屈服区的本构关系曲线不同，弹性区呈线性关系，屈服区的本构关系则呈现非线性。

应力σ、应变ε及损伤参量D的关系为：

σ＝Eε(1-D)

式中：E，初始弹性模量；

式中：ε₀，常数。

在宽度为2x的屈服区内，假设煤层厚度为m，载荷与变形u的关系满足公式(2-1)：

式中：u₀，煤柱内峰值点对应的变形值。

对于宽度b＝a-2x的核区内符合弹性法则，其载荷与变形u满足：

煤柱内的势能包括屈服区的应变能、弹性核区的弹性势能以及覆岩的自重势能，其中，覆岩的自重势能为：

煤柱内的屈服区应变能和弹性区的势能分别为：

则煤柱内的势能为：

对V进行一阶求导，令其为0，得到：

对上式建立尖点突变模型，将平衡曲面方程V’在u＝u₁＝2u₀处展开泰勒公式，取三次项，并引入无量纲z作为状态变量，p，q作为控制变量，令：

式中：k，煤柱弹性核区段介质的刚度，k’_y＝E(a-2x)/m与屈服带刚度k_y＝(2xEe^-2)/m的比；l，为与地质、采矿条件有关的参数，即与采深、采宽、留宽、上覆岩层容重、煤层厚度、煤体的力学参数等因素有关，满足：

整理上述公式，可得到系统的分叉集方程，满足：

4p³+27q²＝0

进一步得到：

Δ＝2(k-1)³+9(1+k-l)²＝0

要满足上述公式，需要k≤1，则有发生突变的可能，满足：

因此，认为屈服区宽度达到煤柱尺寸的88％，则会发生突变，这样为煤柱的进一步失稳保证被保护层的卸压效果提供依据，即留设煤柱的过程中，在保证使用的前提下，可考虑按此比例留设煤柱。

结合公式(1-4)，得到煤柱发生突变的临界尺寸为：

第三步，在第二步确定发生突变的煤柱临界尺寸后，需要进一步计算煤柱能够保持稳定的时间。由于煤柱具有的流变特性，即使载荷不再增加，其变形也将随着时间而增加，当屈服区范围不断增大，最终系统将由稳定状态进入非稳定状态，煤柱的留设见图3所示，煤柱的稳定时间见公式3-1：

式中：η，黏性系数；E，煤体弹性模量；λ，软化系数；K，顶板刚度与煤柱软化刚度比系数，满足

式中：K_d，煤层顶板刚度；H，煤层厚度；S，煤柱横截面积，可取煤柱宽度与推进距离L，则S＝aL。这样，煤柱发生失稳的时间表达式转化为公式3-2：

这样，给出了既考虑煤柱发生失稳的临界尺寸，同时又给出相应的稳定时间，实际工程中，只要保证接续工作面推进速度在t时刻之内完成全部推进距离即可，这样在采第三个工作面时，第一与第二工作面之间的煤柱存在发生失稳的可能性，对于保护层的充分卸压有利。

第四步，在第二步与第三步确定了煤柱尺寸及能够保持稳定时间的基础上，确定回采速度与工作面之间的接续。

为了保证本工作面生产期间煤柱不会发生失稳，工作面回采速度应满足公式3-3：

式中，v，要求工作面的最低推进速度。

在所述的第四步中，为了实现煤柱发生失稳，煤柱保持稳定的时间t满足

t≤2L/v (3-4)

式中，符号意义同前。

在所述的第四步中，为了避免接续工作面回采期间受到采空区煤柱失稳造成的覆岩运动的影响，需要采用跳采模式，见图4所示，即工作面顺序编号①-⑤，开采顺序应为①-④-②-⑤-③。

第五步，确定被保护层的卸压范围，当单个工作面回采结束，被保护层实现的卸压范围见图5所示的卸压区域1，其范围计算见公式5-1：

l＝b-2hctgδ (5-1)

式中，l，被保护层的卸压范围；b，单个工作面长度；h，保护层与被保护层的层间距；δ，保护层的卸压角。

优选地，在所述的第五步中，单个煤柱发生突变失稳后，被保护层实现的连续卸压范围见图5中的卸压区域2，当相邻两个煤柱发生突变失稳后，被保护层实现的连续卸压范围见图5中的卸压区域3，具体计算方法为：

l＝(n+1)b+na-2hctgδ (5-2)

式中：n，发生失稳的煤柱个数

本发明提供的留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法。该方法为了改善目前厚煤层开采为了实现被保护层充分、连续卸压存在的留煤柱问题，利用煤柱的突变特性造成的失稳，通过留设合理尺寸的煤柱，在工作面开采时，煤柱发生失稳失去对覆岩的支撑，从而多个相邻工作面回采时上覆岩层的运动形成一个整体，实现对被保护层倾斜方向的连续、充分卸压。本发明与现广泛应用的技术相比，具有被保护层倾斜方向卸压范围连续、卸压更充分以及煤柱留设更合理的优点。

Claims (5)

1.留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，包括：

a、确定一侧采动情况下实体煤内塑性区尺寸；

b、根据实体煤内塑性区尺寸，确定煤柱满足发生突变的临界尺寸；

c、确定留设煤柱保持稳定的时间；

d、确定工作面的接续方法与回采速度；

e、确定被保护煤层的卸压范围。

2.如权利要求1所述的留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，其特征在于，在步骤b中，煤柱内塑性区所占煤柱的尺寸不低于88％，满足煤柱发生突变的要求，煤柱尺寸

式中：f，摩擦因素；K_t，内聚力；M，煤层厚度；ε，侧压系数；R，岩体的三向抗压强度；φ，煤层内摩擦角。

3.如权利要求1所述的留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，其特征在于，工作面之间采用留煤柱护巷，护巷煤柱保持稳定的时间

式中：M，煤层厚度；ε，侧压系数；f，摩擦因素；R，岩体的三向抗压强度；k_t，内聚力；η，黏性系数；E，煤体弹性模量；煤层内摩擦角；λ，软化系数；K_d，煤层顶板刚度；L，工作面推进距离。

4.如权利要求3中所述的留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，其特征在于，为了实现工作面开采期间本工作面护巷煤柱不能发生失稳，且发生失稳造成覆岩运动不会影响到工作面的开采，需要采用工作面之间的跳采模式，并提出工作面的回采速度需要满足

为了实现被保护层的及时卸压不影响被保护层的开采，要求t≤2L/v；

式中：f，摩擦因素；K_t，内聚力；M，煤层厚度；ε，侧压系数；R，岩体的三向抗压强度；φ，煤层内摩擦角；η，黏性系数；E，煤体弹性模量；λ，软化系数；K_d，煤层顶板刚度；L，工作面推进距离；t，护巷煤柱保持稳定的时间。

5.如权利要求4所述的留煤柱开采下保护层实现上被保护层连续卸压的方法，其特征在于，在步骤e中，单个煤柱发生失稳后，在被保护层实现的卸压范围为l＝b-2hctgδ，式中，l，被保护层的卸压范围；b，单个工作面长度；h，保护层与被保护层的层间距；δ，保护层的卸压角；当n个煤柱发生失稳后，在被保护层实现的卸压范围l＝(n+1)b+na-2hctgδ。