CN106055892A - 一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法。首先对复合刀柱式残采区中层弃煤、上位层间岩层及下位层间岩层的组成情况进行了统一划分与编号；然后分别确定了中层弃煤上位控制层和下位承载层的位置，通过比较二者的破断距与上下柱式残采区悬空跨度的大小，分析了复合刀柱式残采区中层弃煤开采的可能性；最后充分考虑中层弃煤开采对上位控制层和下位承载层叠合破断距的影响，形成了复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法。本发明能够科学地评价上下柱式多重采动影响下中层弃煤安全开采的可行性，进而为中层弃煤开采过程中矿压控制技术的选择和安全措施的采取提供理论依据，实现复合刀柱式残采区中层弃煤的安全开采。

Description

一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其是涉及一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，主要适应于上下柱式多重采动影响下中层弃煤开采的可行性评价。

背景技术

由于技术、经济等条件的限制，我国许多煤矿为追求短期利益，出现了煤炭资源开采的采厚弃薄、采肥丢瘦、采优弃劣、采易弃难等现象，导致许多薄、瘦、劣质及难采煤层的弃采。目前全国范围内不完全统计的弃采煤炭资源约400亿吨，仅山西就多达100亿吨，且多为稀缺优质煤种。大同、西山、晋城和潞安等矿区残煤的储量可观，其中复合刀柱式残采区中层弃煤更是广泛赋存。

复合刀柱式残采区中层弃煤具有良好的开采价值，越来越成为广大研究学者与技术人员关注的焦点。复合刀柱式残采区中层弃煤的开采不仅可以提高煤炭资源的采出率、提升企业的经济效益，而且可以延长矿井的服务年限、促进可持续发展。

然而，受上下煤层柱式开采的叠加影响，复合残采区中层弃煤的应力分布会发生明显的改变，进而表现出显著的波态特征。刀柱煤柱对应煤体及其顶底板岩层为波峰分布区(应力增高区)，进而可能引发中部残煤过刀柱煤柱时压架、切顶、冒顶和煤柱片帮等强烈矿压显现的发生；柱采区域对应煤体及其顶底板岩层为波谷分布区(应力降低区)，进而使得中部残煤采场煤岩体的连续性和完整性遭受破坏，形成导水通道和导气通道，并引发复合残采区积聚瓦斯和矿井水等向中层弃煤工作面的渗流与扩散。因此，非常有必要在复合刀柱式残采区中层弃煤开采前对其安全开采的可行性进行评价和判别。中国专利CN101109283B从层间岩层结构的角度提出一种刀柱式残采区上覆蹬空煤层安全开采可行性的定量判别方法；中国专利CN201410338567.X采用主成分分析法首先对刀柱式残采区上行开采的影响因素进行了建模，然后采用方差贡献率对缩减模型进行了权重计算，得到了体现可行性高低的参数，并最终实现上行开采可行性的评价；中国专利CN201510363203.1通过对上行开采覆岩破坏的时空关系和可行性等级的划分等对刀柱式残采区上行开采的可行性进行了综合评定。前述评价方法主要评价了刀柱式残采区上覆蹬空煤层开采的可行性，鲜有关注复合刀柱式残采区中层弃煤开采的可行性的判别。

综上，亟需寻找一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，进而避免中层弃煤开采过程中剧烈矿压显现的发生，防止复合残采区积聚瓦斯和矿井水的渗流和扩散，并最终保障中层弃煤的安全开采，实现煤炭资源采出率的提高和企业经济效益的提升。

发明内容

本发明旨在提供一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，能够科学地评价上下柱式多重采动影响下中层弃煤安全开采的可行性，进而为中层弃煤开采过程中矿压控制技术的选择和安全措施的采取提供理论依据，实现复合刀柱式残采区中层弃煤的安全开采。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，包括以下步骤：

(1)结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明复合残采区遗留煤柱和柱采区域的分布位置，绘制复合残采区遗留煤柱和柱采区域的分布形态图，了解复合刀柱式残采区中层弃煤、上位层间岩层及下位层间岩层的组成情况，并进行层位的统一划分与编号；

(2)判定中层弃煤下位层间岩层中承载层的位置及其承载范围；

(3)比较下部残采区柱采区域沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定下部残采区柱采区域的悬空跨度l_下；

(4)判定中层弃煤上位层间岩层中控制层的位置及其控制范围；

(5)比较上部残采区柱采区域沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定上部残采区柱采区域的悬空跨度l_上；

(6)比较下位层间岩层中承载层的破断距与下部残采区柱采区域的悬空跨度l_下的大小，比较上位层间岩层中控制层的破断距与上部刀柱式残采区柱采区域的悬空跨度l_上的大小，进而来确定复合刀柱式残采区中层弃煤安全开采可能性；

当时，下位层间岩层中的承载层未发生破断失稳，能够保持稳定性与连续性，进而能保障中层弃煤开采的安全性；当时，下位层间岩层中第n层承载层发生了破断失稳，进而会引发其上方承载范围内的岩层及中层弃煤发生同步运移、一致沉降和协调破断，此时需要将第n层承载层破断后的载荷施加到第n-1层承载层上，进而来重新计算第n-1层承载层的破断距以此类推，当第i(i≠1)层承载层的破断距时，则下位层间岩层中存在未发生破断的承载层来保障中层弃煤的安全开采；

当时，上位层间岩层中的控制层能够保持整体完整性与连续性，进而来保障中层弃煤开采的安全性；当时，上位层间岩层中的控制层会发生“O—X”型破断，形成反三铰拱平衡结构，进而会引发上部残采区的积水与积聚瓦斯向中层弃煤工作面的扩逸，对中层弃煤的安全开采造成威胁；

综上，当满足时，下位层间岩层中的承载层和上位层间岩层中的控制层能保持完整性、连续性和稳定性，复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可能性；

(7)若步骤(6)中判定复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可能性，则进行下一步的计算：计算下位层间岩层中承载层的叠合破断距比较下位层间岩层中承载层的叠合破断距和下部刀柱残采区柱采区域悬空跨度l_下的大小；计算上位层间岩层中控制层的叠合破断距比较上位层间岩层中控制层的叠合破断距和上部残采区柱采区域悬空跨度l_上的大小；确定复合刀柱式残采区中层弃煤安全开采的可行性；

当满足时，下位层间岩层中的承载层和上位层间岩层中的控制层在中层弃煤开采叠合破断距的影响下也能保持完整性、连续性和稳定性，复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可行性。

上述方法中，所述的复合刀柱式残采区中层弃煤是指位于上刀柱和下刀柱复合采空区之间未开采的残留煤炭资源。

上述方法中，所述的步骤(1)采用三维激光扫描仪勘探查明复合残采区遗留煤柱的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸、体积及其覆岩垮落情况，通过钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法调研复合刀柱式残采区中层弃煤、上位层间岩层及下位层间岩层的组成情况。

上述方法中，所述的步骤(1)在层位划分时分别将岩体中的自然层面作为划分界线，将厚度较大的煤岩层根据天然夹层进行人工分层，将厚度较小的岩层视为软弱夹层，并将层厚较大且出现离层的岩体视为独立运动的单元。

上述方法中，所述的步骤(2)中，假定下部刀柱式残采区上方第1层岩层为承载层，承载层上覆m层岩层均能与之协调变形，第m+1层岩层起则不能与之同步变形，当满足公式(1)，即第m+1层岩层对第1层承载层所形成的载荷q_m+1小于第m层岩层对第1层承载层所形成的载荷q_m、且第m+1层岩层的破断距l_m+1大于第1层承载层及其上覆m层岩层的破断距l_m时，可以确定中层弃煤下位层间岩层中承载层的位置及其承载范围。

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{m+1}<q_m\\ l_m<l_{m+1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

上述方法中，所述的步骤(3)选取和二者的最小值作为下部残采区柱采区域的悬空跨度，即

上述方法中，所述的步骤(4)根据弹塑性理论和滑移线场理论，运用公式(2)，分析计算上部煤层开采对采场上位层间岩层的最大损伤破坏深度，进而来确定中层弃煤上位层间岩层中控制层位置及其控制范围。

$h_{max}=\frac{1.57{\mathrm{\&gamma;}}^2{H}^2(b+a)}{2{\mathrm{\&pi;R}}_c^2}tan\frac{\mathrm{\&pi;}b}{2(b+a)}---\left(2\right)$

式中，h_max为上部煤层开采对采场上位层间岩层的最大损伤破坏深度；γ为采场煤岩层的平均容重；H为上部煤层的埋藏深度；a为刀柱煤柱的宽度；b为柱采区域的宽度；R_c为上覆岩层平均抗压强度。

上述方法中，所述的步骤(5)选取和二者的最小值作为上部残采区柱采区域的悬空跨度，即

上述方法中，若步骤(6)中判定结果为具有安全开采的可能性，则继续进行步骤(7)的判定：需充分考虑中层弃煤开采所引发的等效均布载荷，进而来计算上位层间岩层中控制层和下位层间岩层中承载层的叠合破断距，并分析复合刀柱式残采区中层弃煤安全开采的可行性。

本发明的有益效果：

本发明提出了一套系统的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法；该方法能够科学地评价上下柱式多重采动影响下中层弃煤安全开采的可行性，进而为中层弃煤开采过程中矿压控制技术的选择和安全措施的采取提供理论依据，实现了复合刀柱式残采区中层弃煤的安全开采。

附图说明

图1为复合刀柱式残采区遗留煤柱和柱采区域的分布形态图；

图2为中层弃煤下位层间岩层中承载层的位置判定示意图；

图3为中层弃煤上位层间岩层中控制层的位置判定示意图；

图4为复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判定技术流程图。

图中：1—遗留煤柱；2—柱采区域；3—中层弃煤；4—下位层间岩层；5—上位层间岩层；6—下部煤层刀柱式残采区；7—上部煤层刀柱式残采区。

具体实施方式

以下实施例旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法作进一步详细的说明。

西山煤电集团白家庄煤矿是典型的资源紧缺型老矿，面临着稳定产量、提高生产率和经济效益等诸多问题。20世纪90年代，白家庄煤矿超越上部6号煤层和中部7号薄煤层而优先开采了下部8号煤层，8号煤层38502(2)、38502(3)、38502(4)和38502(5)工作面分别采用刀柱法开采。21世纪以来，为了开发开采潜力，白家庄煤矿采用刀柱法成功地回收了8号煤层残采区上方6号煤层36703工作面的煤炭资源。这样，弃采的7号薄煤层就成为处于复合刀柱式残采区的中层弃煤。白家庄煤矿7号煤层储量可观，具有良好的开采价值，近年来越来越成为广大研究学者与工程技术人员关注的焦点。复合刀柱式残采区7号中层弃煤的开采，不仅可以提高煤炭资源采出率、提升企业经济效益，而且可以延长矿井服务年限、促进可持续发展。然而，受上部煤层和下部煤层多重柱式开采的叠加影响，中层弃煤开采过程中在围岩控制、巷道掘进和工作面布置等方面会面临诸多困难，同时也受到瓦斯、矿井水及煤柱自燃发火等威胁。针对上述情况，下面结合附图对本发明的实施过程作进一步的详细说明。

步骤一，结合白家庄煤矿的原有地质、技术资料，采用三维激光扫描仪勘探查明复合残采区遗留煤柱1的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域2的分布方位、尺寸、体积及其覆岩垮落情况；结果表明：白家庄煤矿下部煤层刀柱式残采区6中遗留煤柱1和柱采区域2交替均匀分布，遗留煤柱1的平均宽度为8m，平均高度为3.8m，稳定性较好；柱采区域2的平均宽度为24m、平均高度为3.8m，覆岩直接顶发生剪切冒落；上部煤层刀柱式残采区7中遗留煤柱1和柱采区域2也交替分布，遗留煤柱1的平均宽度为8m，平均高度为1.7m，稳定性良好，柱采区域2的平均宽度为24m、平均高度为1.7m，覆岩直接顶也发生了剪切冒落。绘制白家庄煤矿复合刀柱式残采区遗留煤柱1和柱采区域2的分布形态图，如图1所示。

步骤二，通过钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法调研白家庄煤矿复合刀柱式残采区中层弃煤3、下位层间岩层4及上位层间岩层5的组成情况，从下往上依次进行层位的划分与编号；层位划分时分别将岩体中的自然层面作为划分界线，将下位层间岩层4中厚度为0.8m的炭质页岩视为软弱夹层。

步骤三，由于下部煤层刀柱式残采区6上方3.8m厚的直接顶石灰岩发生了剪切冒落，因此从下部煤层刀柱式残采区6上方3.2m厚的钙质页岩开始，逐层判定承载层的位置。假定3.2m厚的钙质页岩为承载层，从下往上分别计算上覆m层岩层对第1层厚硬承载层的载荷及其破断距。结果显示：上覆第三层7.5m厚的石灰岩对第1层承载层所形成的载荷小于第二层3.2m厚的钙质页岩对第1层承载层所形成的载荷、且前者的破断距大于后者的破断距，即下部刀柱式残采区6上覆7.5m厚的石灰岩为中层弃煤下位层间岩层4中的承载层。

步骤四，比较白家庄煤矿8号煤层残采区柱采区域2沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定下部8号煤层残采区柱采区域2的悬空跨度/尺度为

步骤五，运用弹塑性力学理论和滑移线场理论，求解计算知白家庄煤矿上部6号煤层刀柱式开采对上位层间岩层5的最大损伤破坏深度为3.56m，即上部刀柱式残采区7下伏2.5m厚的石灰岩为中层弃煤上位层间岩层5中的控制层。

步骤六，比较白家庄煤矿6号煤层残采区柱采区域沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定上部6号煤层残采区柱采区域2的悬空跨度/尺度为

步骤七，通过计算知，下位层间岩层4中承载层的破断距为28.4m，上位层间岩层5中控制层的破断距为27.2m，满足即下位层间岩层4中的承载层和上位层间岩层5中的控制层能够保持整体完整性与连续性，可以保障中层弃煤开采的安全性。因此，白家庄煤矿复合刀柱式残采区中层弃煤3具有安全开采的可能性。

(7)充分考虑中层弃煤开采对上位层间岩层中控制层和下位层间岩层承载层叠合破断距的影响，计算求得下位层间岩层中承载层的叠合破断距和上位层间岩层中控制层的叠合破断距分别为27.6m和24.85m，即满足因此，白家庄煤矿复合刀柱式残采区中层弃煤3具有安全开采的可行性。

以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明所述技术实质与原理的前提下对上述实施方法作出的任何改进与修润，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明复合残采区遗留煤柱和柱采区域的分布位置，绘制复合残采区遗留煤柱和柱采区域的分布形态图，了解复合刀柱式残采区中层弃煤、上位层间岩层及下位层间岩层的组成情况，并进行层位的统一划分与编号；

(2)判定中层弃煤下位层间岩层中承载层的位置及其承载范围；

(3)比较下部残采区柱采区域沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定下部残采区柱采区域的悬空跨度l_下；

(4)判定中层弃煤上位层间岩层中控制层的位置及其控制范围；

(5)比较上部残采区柱采区域沿煤层走向的最大悬空跨度和沿煤层倾向的最大悬空跨度确定上部残采区柱采区域的悬空跨度l_上；

(6)比较下位层间岩层中承载层的破断距与下部残采区柱采区域的悬空跨度l_下的大小，比较上位层间岩层中控制层的破断距与上部刀柱式残采区柱采区域的悬空跨度l_上的大小，进而来确定复合刀柱式残采区中层弃煤安全开采可能性；

当时，下位层间岩层中的承载层未发生破断失稳，能够保持稳定性与连续性，进而能保障中层弃煤开采的安全性；当时，下位层间岩层中第n层承载层发生了破断失稳，进而会引发其上方承载范围内的岩层及中层弃煤发生同步运移、一致沉降和协调破断，此时需要将第n层承载层破断后的载荷施加到第n-1层承载层上，进而来重新计算第n-1层承载层的破断距以此类推，当第i层承载层的破断距时，此处i≠1，则下位层间岩层中存在未发生破断的承载层来保障中层弃煤的安全开采；

当时，上位层间岩层中的控制层能够保持整体完整性与连续性，进而来保障中层弃煤开采的安全性；当时，上位层间岩层中的控制层会发生“O—X”型破断，形成反三铰拱平衡结构，进而会引发上部残采区的积水与积聚瓦斯向中层弃煤工作面的扩逸，对中层弃煤的安全开采造成威胁；

综上，当满足时，下位层间岩层中的承载层和上位层间岩层中的控制层能保持完整性、连续性和稳定性，复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可能性；

(7)若步骤(6)中判定复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可能性，则进行下一步的计算：计算下位层间岩层中承载层的叠合破断距比较下位层间岩层中承载层的叠合破断距和下部刀柱残采区柱采区域悬空跨度l_下的大小；计算上位层间岩层中控制层的叠合破断距比较上位层间岩层中控制层的叠合破断距和上部残采区柱采区域悬空跨度l_上的大小；确定复合刀柱式残采区中层弃煤安全开采的可行性；

当满足时，下位层间岩层中的承载层和上位层间岩层中的控制层在中层弃煤开采叠合破断距的影响下也能保持完整性、连续性和稳定性，复合刀柱式残采区中层弃煤具有安全开采的可行性。

2.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的复合刀柱式残采区中层弃煤是指位于上刀柱和下刀柱复合采空区之间未开采的残留煤炭资源。

3.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用三维激光扫描仪勘探查明复合残采区遗留煤柱的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸、体积及其覆岩垮落情况，通过钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法调研复合刀柱式残采区中层弃煤、上位层间岩层及下位层间岩层的组成情况。

4.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(1)在层位划分时分别将岩体中的自然层面作为划分界线，将厚度较大的煤岩层根据天然夹层进行人工分层，将厚度较小的岩层视为软弱夹层，并将层厚较大且出现离层的岩体视为独立运动的单元。

5.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，假定下部刀柱式残采区上方第1层岩层为承载层，承载层上覆m层岩层均能与之协调变形，第m+1层岩层起则不能与之同步变形，当第m+1层岩层对第1层承载层所形成的载荷q_m+1小于第m层岩层对第1层承载层所形成的载荷q_m、且第m+1层岩层的破断距l_m+1大于第1层承载层及其上覆m层岩层的破断距l_m时，即当满足时，可以确定中层弃煤下位层间岩层中承载层的位置及其承载范围。

6.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(3)选取和二者的最小值作为下部残采区柱采区域的悬空跨度，即

7.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(4)根据弹塑性理论和滑移线场理论计算上部煤层开采对采场上位层间岩层的最大损伤破坏深度进而来确定中层弃煤上位层间岩层中控制层位置及其控制范围；

式中，γ为采场煤岩层的平均容重，H为上部煤层的埋藏深度，a为刀柱煤柱的宽度，b为柱采区域的宽度，R_c为上覆岩层平均抗压强度。

8.根据权利要求1所述的复合刀柱式残采区中层弃煤开采可行性的判别方法，其特征在于，所述的步骤(5)选取和二者的最小值作为上部残采区柱采区域的悬空跨度，即