CN105574262B - 一种矿井多层采空区连通区域判定方法 - Google Patents

一种矿井多层采空区连通区域判定方法 Download PDF

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Abstract

一种矿井多层采空区连通区域判定方法，首先查找需要判定连通区域的工作面的上覆煤层的开采资料，确定上覆煤层开采后的顶板岩层垮落形态图，进而确定上覆煤层未开采区域、上覆煤层开采遗留煤柱区域、上覆煤层开采垮落区域；其次分别计算上覆煤层不同区域对工作面顶板关键层施加的载荷和上覆煤层不同区域工作面顶板关键层的极限跨距，再次计算工作面开采裂隙带发育高度，最后比较工作面开采裂隙带发育高度和煤层间距，判定该区域上、下部煤层采空区是否连通。该方法提高了矿井多层采空区连通区域判定及预测的准确性，结果可靠，实用性强。

Description

一种矿井多层采空区连通区域判定方法
技术领域
本发明属于煤矿井下开采技术领域，特别涉及一种矿井多层采空区连通区域判定方法。
背景技术
煤层群开采过程中，下部煤层多采用全部垮落法处理顶板，采空区顶板的大面积冒落极易与上部已经开采完毕的采空区塌通，形成众多裂隙。一旦上部采空区存在积水、遗煤自燃、瓦斯积聚等问题，将导致下部开采工作面面临透水、CO或瓦斯等有毒有害气体下泄等灾害威胁，甚至发生瓦斯爆炸事故等，使得矿区开采条件进一步恶化。
针对矿井多层采空区连通区域的判定和预测，传统的研究出发点多是从煤层开采导水裂隙带的发育高度方面进行分析，但该研究方法均针对单一煤层开采而言，对于煤层群开采，应用该方法具有较大误差，仍有待进一步改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种矿井多层采空区连通区域判定方法。该方法包括如下步骤：
步骤1、查找需要判定连通区域的工作面的上覆煤层的开采资料，所述开采资料包括矿井煤层开采的采掘工程平面图、矿井普查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图；
步骤2、根据上覆煤层的开采资料，确定上覆煤层开采后的顶板岩层垮落形态图；
步骤3、根据上覆煤层开采后的顶板岩层垮落形态图，确定上覆煤层未开采区域、上覆煤层开采遗留煤柱区域、上覆煤层开采垮落区域；
步骤4、分别计算上覆煤层未开采区域对工作面顶板关键层施加的载荷、上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷、上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷；
步骤4.1、根据岩层载荷计算公式计算上覆煤层未开采区域对工作面顶板关键层施加的载荷，即工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷；
步骤4.2、上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷，包括工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、上覆煤层开采遗留煤柱形成的载荷，计算公式如下：
式中，qj(k)为上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷，Mpa；Ei为对工作面顶板关键层施加载荷的i(i＝k,k+1,...,n)岩层弹性模量，GPa，i＝k,k+1,…k+s岩层为工作面顶板关键层与上覆煤层之间的岩层；i＝k+s+t,…n岩层为上覆煤层开采后未垮落顶板岩层；γi为i岩层容重，kN/m3；hi为i岩层厚度，m；σ’y为上覆煤层开采遗留煤柱形成的载荷，MPa；B为上覆煤层开采遗留煤柱宽度，m；H为上覆煤层开采顶板垮落高度，m；M为上覆煤层开采厚度，m；δ为上覆煤层开采后的岩层垮落余角，°；γ为煤岩层的平均容重，kN/m3；
步骤4.3、上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷，包括工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、垮落的直接顶岩石与形成铰接结构的基本顶岩层传递的载荷，由下式确定：
式中，qc(k)为上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷，Mpa；i＝k,k+1,…k+s岩层为工作面顶板关键层与上覆煤层之间的岩层；i＝k+s+u,…n岩层，为上覆煤层开采后形成铰接结构的基本顶岩层与未垮落顶板岩层。
步骤5、分别计算上覆煤层未开采区域工作面顶板关键层的极限跨距、上覆煤层开采遗留煤柱区域工作面顶板关键层的极限跨距、上覆煤层开采垮落区域工作面顶板关键层的极限跨距；
步骤6、分别计算按工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度和按工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，并取两者中较小值作为工作面开采裂隙带发育高度；
步骤7、比较工作面开采裂隙带发育高度和煤层间距，若工作面开采裂隙发育高度大于煤层间距，则判定该区域上、下部煤层采空区连通；若工作面开采裂隙带发育高度小于煤层间距，则判定该区域上、下煤层采空区未连通。
有益效果：
本发明综合考虑煤层群赋存与开采条件、顶板覆岩岩性与结构特征、上覆煤层采空区域垮落特征等，具体分析上覆煤层开采垮落形态对下部煤层覆岩的载荷与极限跨距的影响，克服了现有单一煤层开采裂隙高度分析方法的局限性，提高了矿井多层采空区连通区域判定及预测的准确性，结果可靠，实用性强。本发明对于预防老矿区煤层群开采的水害、自燃火灾、瓦斯超限或爆炸事故等具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种实施例的一种矿井多层采空区连通区域判定方法流程图；
图2是本发明一种实施例的矿井煤层开采的采掘工程平面图；
图3是本发明一种实施例的矿井普查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图；
图4是本发明一种实施例的上覆煤层开采后顶板岩层垮落形态图；
图5是本发明一种实施例的对工作面顶板关键层施加载荷的岩层示意图；
图6是本发明一种实施例的工作面走向方向和工作面倾向方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和某煤矿8105工作面对本发明做进一步详细说明。一种矿井多层采空区连通区域判定方法包括如下步骤，如图1所示：
步骤1、查找需要判定连通区域的8105工作面的上覆14#煤层的开采资料，所述开采资料包括矿井煤层开采的采掘工程平面图，如图2所示，矿井普查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图，如图3所示，其中，地面钻孔柱状图中8105工作面上覆顶板煤岩层的具体参数见表1；
表1 8105工作面上覆顶板煤岩层具体参数表
步骤2、根据上覆14#煤层的开采资料，确定上覆14#煤层开采后的顶板岩层垮落形态图；
步骤2.1、根据采掘工程平面图、地面钻孔柱状图，按8105工作面走向方向为轴向，作出8105工作面与上覆14#煤层对应关系剖面；
步骤2.2、利用上覆煤层开采厚度和上覆煤层岩石碎胀系数，计算上覆14#煤层顶板垮落高度，M＝3m，Kp为上覆煤层岩石碎胀系数，Kp＝1.1，H＝30m；
步骤2.3、上覆14#煤层开采后的顶板垮落角θ＝60°，作出上覆14#煤层开采后的顶板岩层垮落形态图，如图4所示；
步骤3、根据上覆14#煤层开采后的顶板岩层垮落形态图，确定上覆14#煤层未开采区域、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域、上覆14#煤层开采垮落区域；
步骤4、分别计算上覆14#煤层未开采区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷、上覆14#煤层开采垮落区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷；
步骤4.1、根据岩层载荷计算公式计算上覆14#煤层未开采区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷，即8105工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷，
岩层载荷计算公式其中q(k)为上覆14#煤层未开采区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷，MPa；
由图3、表1可知，8105工作面顶板关键层为编号k＝22岩层，对8105工作面顶板关键层施加载荷的岩层编号为i＝22,23,...,31，经计算得到q(k)＝0.95MPa。
步骤4.2、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷，包括8105工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、上覆14#煤层开采遗留煤柱形成的载荷，计算公式如下：
由图3、图4、图5、表1可知，8105工作面顶板关键层与上覆14#煤层之间的岩层编号为i＝22,23,24，上覆14#煤层开采后未垮落且对8105工作面顶板关键层施加载荷的顶板岩层编号为i＝31，上覆14#煤层开采遗留煤柱编号分别为14-1～14-8，经计算得到上覆14#煤层开采遗留14-1～14-8煤柱区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷分别为1.85、2.05、1.86、1.98、2.12、2.12、2.12、2.12MPa。
步骤4.3、上覆14#煤层开采垮落区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷，包括8105工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、垮落的直接顶岩石与形成铰接结构的基本顶岩层传递的载荷，由下式确定：
式中，qc(k)为上覆14#煤层开采垮落区域对8105工作面顶板关键层施加的载荷，Mpa；i＝k,k+1,…k+s岩层为8105工作面顶板关键层与上覆14#煤层之间的岩层；i＝k+s+u,…n岩层，为上覆14#煤层开采后形成铰接结构的基本顶岩层与未垮落顶板岩层。
由图3、图4、图5、表1可知，8105工作面顶板关键层与上覆14#煤层之间的岩层编号为i＝22,23,24，上覆14#煤层编号i＝25，已采空，即γ25h25＝0，上覆14#煤层开采后形成铰接结构的基本顶岩层与未垮落顶板岩层编号为i＝28,29,30,31。经计算qc(k)＝0.93MPa。
步骤5、分别计算上覆14#煤层未开采区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采垮落区域8105工作面顶板关键层的极限跨距；
其中，L、Lj、Lc分别为上覆14#煤层未开采区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采垮落区域8105工作面顶板关键层的极限跨距，m；h为8105工作面顶板关键层厚度，m；Rl为8105工作面顶板关键层抗拉强度，MPa。
由图3、表1可知，8105工作面顶板关键层厚度h＝13.7m，8105工作面顶板关键层抗拉强度Rl＝8.6MPa，经计算得到：
上覆14#煤层未开采区域，L＝58.56m；
上覆14#煤层开采遗留14-1～14-8煤柱区域8105工作面顶板关键层的极限跨距分别为：41.80m、39.68m、41.69m、40.38m、39.02m、39.02m、39.02m、39.02m；
上覆14#煤层开采垮落区域，Lc＝59.04m。
步骤6、分别计算按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度和按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，并取两者中较小值作为工作面开采裂隙带发育高度；
步骤6.1、计算按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度：
其中，Hz为按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度，m；Mz为8105工作面开采厚度，17.49m；Kzp为8105工作面岩石碎胀系数，取1.1。经计算，Hz＝174.9m。
步骤6.2、按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度计算步骤如下：
步骤6.2.1、计算8105工作面顶板关键层在工作面倾向方向的悬露距离lx＝l0-2H0cotθ；
如图6所示，取工作面开采长度l0＝205m，8105工作面顶板关键层与8105工作面间距H0＝136.6m，顶板垮落角θ＝60°，则悬露距离lx＝47.27m；
步骤6.2.2、比较悬露距离与极限跨距，若悬露距离小于极限跨距，则8105工作面顶板关键层与8105工作面间距即为按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，否则按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度与按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度计算结果一致，所述极限跨距为上覆14#煤层未开采区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采遗留煤柱区域8105工作面顶板关键层的极限跨距、上覆14#煤层开采垮落区域8105工作面顶板关键层的极限跨距。
对于上覆14#煤层未开采区域，悬露距离lx＝47.27m小于L＝58.56m，则8105工作面顶板关键层与8105工作面间距H0即为上覆14#煤层未开采区域的按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，即136.6m。
对于上覆14#煤层开采遗留14-1～14-8煤柱区域，悬露距离47.27m大于上覆14#煤层开采遗留14-1～14-8煤柱区域8105工作面顶板关键层极限跨距41.80m、39.68m、41.69m、40.38m、39.02m、39.02m、39.02m、39.02m，8105工作面顶板关键层垮落，该区域的按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度与按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度计算结果一致，即174.9m。
对于上覆14#煤层开采垮落区域，悬露距离47.27m小于Lc＝59.04m，则8105工作面顶板关键层与8105工作面间距H0即为该区域的按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度。
步骤6.2.3、比较按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度和按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，并取两者较小值作为8105工作面开采裂隙带发育高度。对于上覆14#煤层未开采区域和上覆14#煤层开采垮落区域来说，按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度较小，8105工作面开采裂隙带发育高度为136.6m，对于上覆14#煤层开采遗留14-1～14-8煤柱区域来说，按8105工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度和按8105工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度一样，所以8105工作面开采裂隙带发育高度为174.9m。
步骤7、比较8105工作面开采裂隙带发育高度和煤层间距，若8105工作面开采裂隙发育高度大于煤层间距，则判定该区域上、下部煤层采空区连通；若8105工作面开采裂隙带发育高度小于煤层间距，则判定该区域上、下煤层采空区未连通。
上覆14#煤层开采遗留的14-1～14-8煤柱区域，8105工作面开采裂隙带发育高度174.9m大于煤层间距151.1m，则判定该区域上、下部煤层采空区连通；上覆14#煤层未开采区域、上覆14#煤层开采垮落区域,8105工作面开采裂隙带发育高度136.6m小于煤层间距151.1m，则判定该区域上、下部煤层采空区未连通。
工程实测结果表明：8105工作面开采推过上覆14#煤层开采遗留煤柱区域时，监测到少量CO气体，并伴随不同程度的上隅角瓦斯超限现象，即上覆14#煤层采空区有毒有害气体通过连通通道下泄，验证了本发明分析的可靠性。

Claims (1)

1.一种矿井多层采空区连通区域判定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、查找需要判定连通区域的工作面的上覆煤层的开采资料，所述开采资料包括矿井煤层开采的采掘工程平面图、矿井普查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图；
步骤2、根据上覆煤层的开采资料，确定上覆煤层开采后的顶板岩层垮落形态图；
步骤3、根据上覆煤层开采后的顶板岩层垮落形态图，确定上覆煤层未开采区域、上覆煤层开采遗留煤柱区域、上覆煤层开采垮落区域；
步骤4、分别计算上覆煤层未开采区域对工作面顶板关键层施加的载荷、上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷、上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷；
步骤5、分别计算上覆煤层未开采区域工作面顶板关键层的极限跨距、上覆煤层开采遗留煤柱区域工作面顶板关键层的极限跨距、上覆煤层开采垮落区域工作面顶板关键层的极限跨距；
步骤6、分别计算按工作面走向方向工作面开采裂隙带发育高度和按工作面倾向方向工作面开采裂隙带发育高度，并取两者中较小值作为工作面开采裂隙带发育高度；
步骤7、比较工作面开采裂隙带发育高度和煤层间距，若工作面开采裂隙发育高度大于煤层间距，则判定该区域上、下部煤层采空区连通；若工作面开采裂隙带发育高度小于煤层间距，则判定该区域上、下煤层采空区未连通；
所述步骤4具体步骤如下：
步骤4.1、根据岩层载荷计算公式计算上覆煤层未开采区域对工作面顶板关键层施加的载荷，即工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷；
步骤4.2、上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷，包括工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、上覆煤层开采遗留煤柱区域形成的载荷，计算公式如下：
式中，qj(k)为上覆煤层开采遗留煤柱区域对工作面顶板关键层施加的载荷，Mpa；Ei为对工作面顶板关键层施加载荷的i岩层弹性模量，GPa，i＝k,k+1,...,n；i＝k,k+1,…k+s岩层为工作面顶板关键层与上覆煤层之间的岩层；i＝k+s+t,…n岩层为上覆煤层开采后未垮落顶板岩层；γi为i岩层容重，kN/m3；hi为i岩层厚度，m；σ’y为上覆煤层开采遗留煤柱区域形成的载荷，MPa；B为上覆煤层开采遗留煤柱宽度，m；H为上覆煤层开采顶板垮落高度，m；M为上覆煤层开采厚度，m；δ为上覆煤层开采后的岩层垮落余角，°；γ为煤岩层的平均容重，kN/m3；
步骤4.3、上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷，包括工作面顶板关键层上覆完整岩层传递的载荷、垮落的直接顶岩石与形成铰接结构的基本顶岩层传递的载荷，由下式确定：
式中，qc(k)为上覆煤层开采垮落区域对工作面顶板关键层施加的载荷，Mpa；i＝k,k+1,…k+s岩层为工作面顶板关键层与上覆煤层之间的岩层；i＝k+s+u,…n岩层为上覆煤层开采后形成铰接结构的基本顶岩层与未垮落顶板岩层。
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