CN108643909B - 一种工作面回采巷道开掘区域优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作面回采巷道布置方法，现场在联络巷中钻取煤体样本，实验室内制作标准岩石测试块体，采用伺服系统测取岩石测试块体单轴压缩强度和弹性模量；按照相似比例制作岩石块体，并将其分为若干组；利用釆动应力试验系统，对各组岩石块体上施加非均布载荷，分别在各组岩石块体不同位置钻取圆形巷道圆孔；利用声发射系统和数字散斑系统，追踪和定位裂隙的扩展路径及变形规律。根据圆孔破坏监测结果，判定巷道最优布置位置。本发明的有益效果是巷道布置设计更加合理，与现场情况吻合程度更高，可大大降低各类回采巷道灾害事故。

Description

一种工作面回采巷道开掘区域优化方法

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，涉及一种减小护巷煤柱，改善巷道围岩环境，巷 道布置优化方法。

背景技术

能源体系建设是国民经济发展与社会进步的基础，是实现智能化生产、生活 的重要保障。我国是一个富煤、少油、缺气的国家，煤炭资源被迫作为我国的基 础能源，在我国能源结构中所占比重超过60％的现状将长期存在。长期以来，煤 矿事故灾害是威胁煤炭安全高效生产的重要因素。据统计，煤矿事故90％发生在 巷道，巷道事故中，90％发生在回采巷道，回采巷道事故中，90％发生在沿空回 采巷道。全国每年产煤40亿吨，每年近万个工作面开采，煤巷长约13000公里， 3年绕地球转一圈。回采巷道的安全是煤矿安全工作的重中之重。

目前，回采巷道布置方法有以下两种：

(1)钱鸣高提出了采场上覆岩层在受开采影响而破断后形成的结构模式， 即“砌体梁”力学模型，创立了视老顶岩层为弹性基础上悬露板的力学模型，分析 了采场矿山压力分布特征。根据该理论，将下区段工作面布置在原始应力场中， 两个工作面之间留设大煤柱护巷。多年来，该理论在我国煤炭资源安全开采中发 挥了重要作用。

(2)宋振骐提出的“以岩层运动为中心”的“实用矿山压力理论体系”认为采 动后，分布在采场四周的支承压力分为“内应力场”和“外应力场”。力争避开应力 高峰，把巷道布置之已压酥破坏的稳定的“内应力场”中是实现巷道安全的重要方 法。该理论确定了回采巷道掘进的时空关系，为留小煤柱护巷的沿空掘巷方法顺 利实施奠定基础。该理论使回采巷道掘进方案由留大煤柱转变为小煤柱，由高应 力掘巷转变为低应力掘巷，是回采巷道安全理论一次重要转变。多年来，众多学 者根据该理论有效解决了回采巷道的安全问题。

以上两种巷道布置设计方法，在煤炭开采深度较浅时，运用上述两种方法， 巷道安全尚可得到控制，随着煤炭开采深度不断增加，煤体力学性能急剧衰减、 亏损，高冲击、强流变特征显著，巷道围岩很难得到完全有效控制，回采巷道动 力灾害突显。因此，不能粗略地从矿山压力分布情况确定巷道发生事故灾害的危 险程度，还需要进一步考虑相应煤体力学性能的衰减亏损特征，精细化分析各掘 巷区域巷道安全潜力，优化巷道布置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作面回采巷道开掘区域优化方法，本发明的有 益效果是巷道布置设计更加合理，与现场情况吻合程度更高，可大大降低各类回 采巷道灾害事故。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

a现场在联络巷中钻取内应力场，塑性区，应力高峰区，弹性区，原始应力 区位置煤体样本，并测取该位置岩石垂直应力；

b实验室内制作标准岩石测试块体，采用伺服系统测取岩石测试块体单轴压 缩强度和弹性模量；

c根据b中测取的不同物理参数，按照相似比例制作岩石块体，并将其分为 若干组；

d利用釆动应力试验系统，对各组岩石块体上施加非均布载荷，分别在各组 岩石块体不同位置钻取模拟巷道圆孔；

e利用声发射系统和数字散斑系统，追踪和定位裂隙的扩展路径及变形规律。

f根据圆孔破坏监测结果，判定巷道最优布置位置。

进一步，步骤a中煤体样本钻取位置要滞后上区段工作面一段距离且与上区 段工作面的切眼距离要大于上区段工作面长度，确保该位置围岩已经进入稳定状 态，取样钻孔深度大于6000mm，取样钻孔之间间距为5000mm。

进一步，步骤b中标准岩石测试块体形状为圆柱体，规格为

进一步，步骤c中按照相似比例制作岩石块体，其步骤如下：

①计算相似比例

K为相似比例；L₁为区段煤柱宽度，m；L₂为釆动应力试验系统最大允许试 验块体组宽度，m；

②每组相似岩石块体个数计算

上式中：N为每组相似块体个数；

③每组单岩石块体规格长400mm，高150mm，宽由以下公式计算得到：

上式中：l为单块体宽度，mm。

进一步，步骤d对各组岩石块体上施加非均布载荷由以下公式计算得到：

F_X为试验块体上施加的非均布载荷,MPa；P_X为现场测取的垂直应力，MPa。

进一步，各组岩石块体不同位置钻取圆形孔洞，每一组样本只模拟一种巷道 布置方式。

附图说明

图1是煤体取样位置示意图；

图2是煤体取样位置断面图；

图3是煤体取样位置剖面图；

图4是相似块体加载试验示意图。

图中：1-切眼，2-上区段工作面采空区，3-上区段工作面，4-上区段工作面 回采巷道，5-区段煤柱，6-下区段工作面回采巷道，7-下区段工作面，8-联络巷， 9-钻孔，10-岩石块体，11-巷道圆孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明在如图1至图4所示的巷道结构中，包括上区段工作面采空区2、上 区段工作面3、上区段工作面回采巷道4、区段煤柱5、下区段工作面回采巷道6、 下区段工作面7。区段煤柱5位于上区段工作面回采巷道4和下区段工作面回采 巷道6之间，联络巷8打通区段煤柱5，将上区段工作面回采巷道4和下区段工 作面回采巷道6连接。

a联络巷8与上区段工作面3的切眼1的间距大于工作面长度，在联络巷8 中采用打钻方式钻取煤体样本，钻孔9深度大于6000mm，钻孔9之间间距为 5000mm，同时测取该位置煤体垂直应力；

b利用采集的煤岩体样本，实验室内制作形状为圆柱体标准岩石测试块体， 其规格为采用伺服系统测取岩石测试块体单轴压缩强度和弹 性模量；

c按照以下步骤制作试验组相似的岩石块体10：

按照相似比例制作岩石块体10，其步骤如下：

①计算相似比例

上式中：K为相似比例；L₁为区段煤柱宽度，m；L₂为釆动应力试验系统最 大允许试验块体组宽度，m。

②每组岩石块体10个数计算

上式中：N为每组岩石块体10个数。

③每组单块岩石块体10规格长400mm，高150mm，宽可以由以下公式计算 得到：

上式中：l为单块体(10)宽度，mm。

d岩石块体10上施加的非均布载荷可以由以下公式计算得到：

上式中：F_X为岩石块体10上施加的非均布载荷,MPa；P_X为现场测取的垂直应力，MPa。

分别对每组岩石块体10进行受力加载，在每组不同位置进行钻孔模拟巷道 圆孔11。

e利用声发射系统和数字散斑系统，追踪和定位裂隙的扩展路径及变形规律；

f根据监测结果，判定巷道最优布置位置。

图4中，F₁，F₂.......F_n为非均布载荷；F为侧向载荷。

本发明突破了单一从矿山压力分布情况确定巷道布置位置，进一步考虑了相 应煤体力学性能的衰减亏损特征，巷道布置设计更加合理，与现场情况温和程度 更高，可大大改善巷道围岩应力情况，降低各类回采巷道灾害事故。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变 化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种工作面回采巷道开掘区域优化方法，其特征在于按照以下步骤进行：

a现场在联络巷中钻取内应力场，塑性区，应力高峰区，弹性区，原始应力区位置煤体样本，并测取该位置岩石垂直应力；煤体样本钻取位置要滞后上区段工作面一段距离且与上区段工作面的切眼距离要大于上区段工作面长度，确保该位置围岩已经进入稳定状态，取样钻孔深度大于6000mm，取样钻孔之间间距为5000mm；

b实验室内制作标准岩石测试块体，采用伺服系统测取标准岩石测试块体单轴压缩强度和弹性模量；标准岩石测试块体形状为圆柱体，规格为

c根据b中测取的不同物理参数，按照相似比例制作岩石块体，并将其分为若干组；按照相似比例制作岩石块体，其步骤如下：

①计算相似比例

K为相似比例；L₁为区段煤柱宽度，m；L₂为釆动应力试验系统最大允许岩石块体组宽度，m；

②每组相似岩石块体个数计算

上式中：N为每组相似岩石块体个数；

③每组单岩石块体规格长400mm，高150mm，宽由以下公式计算得到：

上式中：l为单岩石块体宽度，mm；

d利用釆动应力试验系统，对各组岩石块体上施加非均布载荷，分别在各组岩石块体不同位置钻取模拟回采巷道圆孔，每一组样本只模拟一种回采巷道布置方式；对各组岩石块体上施加非均布载荷由以下公式计算得到：

F_X为岩石块体上施加的非均布载荷,MPa；P_X为现场测取的岩石垂直应力，MPa；

e利用声发射系统和数字散斑系统，追踪和定位裂隙的扩展路径及变形规律；

f根据圆孔破坏监测结果，判定回采巷道最优布置位置。