CN108694272B - 一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，属于煤炭开采技术领域。首先查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，获取层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号；然后确定控制岩层的位置，分别计算支承压力在经过传播衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱和控制岩层上的扰动载荷大小；最后考虑动扰动加载的作用，分析刀柱残采区遗留煤柱及控制岩层的稳定性，得出刀柱残采区上行开采可行性判定结果。本发明避免经验性方法误差较大的情况，为刀柱残采区上行残煤安全开采提供理论依据，提高刀柱残采区上部煤炭资源的回收率，有效延长矿井的服务年限。

Description

一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法。

背景技术

随着煤矿开采强度的增大，很多矿区开采条件较好的煤炭资源逐渐减少。残采区上部遗留煤层的储量可观，具有良好的开采价值，其安全开采问题日益凸显。

现有残采区上行开采的判定方法主要借鉴垮落上行顺序开采的判别方法，即比值判别法、“三带”判别法和围岩平衡法。这些判定方法基本都是围绕层间距和采厚进行的，主要存在以下问题：

(1)上述方法不适用于刀柱残采区上行开采的判定，且仅停留在定性的经验层面，不能满足生产实践的要求；

(2)现有刀柱残采区上行开采可行性判定方法都没有将刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层作为一个系统进行稳定性研究，且没有给出稳定性的定量判定公式；

(3)现有判定方法没有考虑上部遗留煤层开采时产生的扰动载荷对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，而上部扰动载荷是造成煤柱和层间岩层系统失稳的重要因素之一。

此外，现有的矿井中，有的残采区上部遗留煤层顶板具有岩层松散、破碎、不稳定的特点，遗留煤层开采时其顶板随采随落、并重新压实几乎恢复至原岩应力，而有的残采区上部遗留煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主，遗留煤层开采时其顶板不易跨落，不同的残采区具有不同的特点，其开采难度不可一概而论；而且，控制岩层上的扰动载荷作用宽度与两层煤之间的层间岩层悬空跨度的关系也影响着煤矿开采的安全性。因此，急需提出一种更具有安全性和实际应用性的刀柱残采区上行开采可行性判定方法。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，为了避免经验方法误差较大的情况，充分考虑了动扰动加载对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，所要解决的技术问题为：提供一种适用于动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，以提高开采可行性判定的准确度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，包括以下步骤：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，绘制刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，并确定矿井工况为动扰动加载类型；

S2、确定层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号；

S3、根据矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，判定控制岩层的位置；

S4、分别计算遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷

S5、通过公式计算出动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σ_m，max，其中，q_m表示因刀柱残采区上覆岩层自重而形成的均布载荷；l_x表示层间岩层悬空跨度；b_m表示刀柱残采区遗留煤柱宽度；l₁表示扰动载荷的作用宽度；然后用伺服压力机测量等比例缩小的煤柱的竖向临界破坏压应力σ_m,c，比较σ_m,max与σ_m,c的数值大小，若σ_m,max≥σ_m,c，则煤柱失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_m,max＜σ_m,c，则煤柱稳定，继续进行步骤S6；

S6、通过公式计算出动扰动加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max的值，其中，q_k表示因控制岩层上覆岩层自重而形成的均布载荷，包括控制岩层自重；l₂表示扰动载荷的作用宽度；k表示控制岩层的编号，n表示层间岩层的层数，表示从控制岩层到遗留煤层的高度；然后确定控制岩层抗拉强度σ_k,t的值，并比较σ_k,max与σ_k,t的数值大小，若σ_k,max≥σ_k,t，则控制岩层失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_k,max＜σ_k,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

所述步骤S2中，通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况。

所述步骤S3中，控制岩层的判定公式为：

满足上式的第k岩层为控制岩层，式中，k＝j+1；k、j表示岩层编号。

所述步骤S4中，遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷的计算公式为：

式中，γ表示遗留煤层上覆岩层的平均容重；H表示遗留煤层上覆岩层的厚度；x₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的长度；l₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的宽度；k_i表示载荷集中系数；z_m表示扰动载荷传递到遗留煤柱的深度；z_k表示扰动载荷传递到控制岩层的深度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明提供的适用于刀柱残采区上行开采的判定方法，充分考虑上部遗留煤层开采时产生的扰动载荷对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，给出了开采可行性的定量判定公式，并有效避免经验性方法的判定误差，提高了开采可行性判定的准确度；

(2)本发明的实践应用可以提高刀柱残采区上部煤炭资源的回收率，节约资源，有效延长矿井的服务年限。

附图说明

图1为刀柱残采区与遗留煤层的分布形态图；

图2为本发明提出的一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法的流程图；

图3为动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱最易失稳状态模型图；

图4为动扰动加载作用下控制岩层最易失稳状态模型图；

图5为本发明实施例采用的某煤矿地层分布形态图；

图中：A—刀柱残采区遗留煤柱；B—刀柱采空区；C—遗留煤层；D—层间岩层；E—遗留煤层上覆岩层及表土层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为刀柱残采区与遗留煤层的分布形态图，其中，A表示刀柱残采区遗留煤柱；B表示刀柱采空区；C表示遗留煤层；D表示层间岩层；E表示遗留煤层上覆岩层及表土层。

本发明提供了一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其适用于动扰动加载的矿井工况。其限定条件为：遗留煤层顶板岩层松散、破碎、不稳定，遗留煤层开采时其顶板随采随落、并重新压实几乎恢复至原岩应力；控制岩层上的扰动载荷作用宽度小于层间岩层悬空跨度，扰动载荷的移动对控制岩层稳定性的判定结果有影响。此外，本发明的判定方法仅适用于矿井煤层为近水平煤层的矿井。

如图2所示，本发明的动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法具体步骤包括：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，绘制如图1所示的刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，并确定矿井工况属于动扰动加载类型，即遗留煤层顶板岩层松散、破碎、不稳定，开采时其顶板随采随落、并重新压实几乎恢复至原岩应力，并且控制岩层上的扰动载荷作用宽度小于层间岩层悬空跨度。

S2、通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法，确定层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号。

S3、根据矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，判定控制岩层的位置。

其中，控制岩层的判定公式为：

满足上式(1)的第k岩层为控制岩层，式中，k＝j+1；k、j表示岩层编号。

S4、分别计算遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷的值和作用于控制岩层上的扰动载荷的值；其中，扰动载荷的计算公式为：

式(2)中，γ表示遗留煤层上覆岩层的平均容重；H表示遗留煤层上覆岩层的厚度；x₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的长度；l₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的宽度；k_i表示载荷集中系数；z表示扰动载荷传递的深度。将遗留煤柱和控制岩层对应的z代入式(2)，则可以分别计算得到和的值。也就是说，支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷的表达式分别为：

其中，z_m表示扰动载荷传递到遗留煤柱的深度，z_k表示扰动载荷传递到控制岩层的深度。

S5、对动扰动加载作用下煤柱的稳定性进行分析。首先计算出动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σ_m，max，然后用伺服压力机测量等比例缩小的煤柱的竖向临界破坏压应力σ_m,c，比较σ_m,max与σ_m,c的数值大小，若σ_m,max≥σ_m,c，则煤柱失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_m,max＜σ_m,c，则煤柱稳定，继续进行步骤S6。

为了确定动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σ_m，max的计算公式，将刀柱残采区遗留煤柱简化为固定铰支座，将两层煤之间的层间岩层简化为梁，得到动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱最易失稳状态的力学简化模型，如图3所示。模型中，q_m表示因刀柱残采区上覆岩层自重而形成的均布载荷；l_x表示层间岩层悬空跨度；b_m表示刀柱残采区遗留煤柱宽度；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷；l₁表示扰动载荷的作用宽度。模型中支座2(煤柱)所承受的竖向压力最大，以支座2为界将模型分为左右两部分,设支座2在左半部分中承受的压力为F_m1,根据力矩平衡方程(∑M₂(F)＝0)，可得：

由式(3)可得，设支座2在右半部分中承受的压力为F_m2,因图3中中模型为对称结构，故支座2在左右两部分中承受的压力是相同的，即F_m2＝F_m1。最终，支座2所承受的竖向压力为：F_m，max＝F_m2+F_m1，已知煤柱的宽度b_m，由推导出σ_m，max的计算公式为：

S6、对动扰动加载作用下控制岩层的稳定性进行分析。首先计算出动扰动加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max的值，然后确定控制岩层抗拉强度σ_k,t的值，其中，控制岩层抗拉强度σ_k,t的值可以通过用巴西劈裂试验进行测量，也可以从矿井资料中直接查找；最后比较σ_k,max与σ_k,t的数值大小，若σ_k,max≥σ_k,t，则控制岩层失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_k,max＜σ_k,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

为了确定动扰动加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max的计算公式，将遗留煤柱和层间岩层的组合结构简化为简支梁结构,在动扰动加载作用下，扰动载荷移动到简支梁跨中时，简支梁最易失稳，得出控制岩层最易失稳状态的力学简化模型，如图4所示。模型中，q_k表示因控制岩层上覆岩层自重而形成的均布载荷，包括控制岩层自重；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于控制岩层上的扰动载荷；l₂表示扰动载荷的作用宽度；表示从控制岩层到遗留煤层的高度。因图4中模型为对称结构，故支座1和支座2的支座反力均为控制岩层跨中处弯矩最大，故最大弯矩对于高为宽为单位宽度的矩形截面，其抗弯截面系数则根据横力弯曲时梁截面最大正应力的计算公式：可以推导出动扰加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max的计算公式为：

下面以某煤矿为例，说明本发明的具体实施方式。

由于资源整合兼并重组等原因，某煤矿批准开采5号、6号煤层，5号、6号煤层平均倾角为3.5度，均属于近水平煤层。5号煤层顶板岩层松散、破碎、不稳定；6号煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主。该煤矿目前计划回采5号煤层，由于未整合前6号煤层已经采用刀柱法开采完毕，给刀柱残采区上方5号煤层的综合机械化长壁回采造成了极大的困难。如果5号煤层可以顺利开采，不仅可以提高煤炭资源的采出率，还可以提高企业经济效益、延长矿井使用年限。针对上述情况，现对5号煤层开采的可行性进行判定，具体实施步骤如下：

1、通过对该煤矿原有地质资料和开采资料的研究发现，5号煤层刀柱残采区中遗留煤柱平均宽度为15m，平均高度为1.9m，稳定性较好；采空区平均宽度为40m，平均高度为1.9m。5号、6号煤层层间岩层厚度为26.8m，绘制刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，如附图5所示。5号煤层顶板岩层松散、破碎、不稳定，开采时其顶板随采随落、并重新压实几乎恢复至原岩应力；控制岩层上的扰动载荷作用宽度l₂＝28m，层间岩层悬空跨度l_x＝40m，l₂<l_x，则证实该工况属于动扰动加载类型。

2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得该煤矿层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号，如图5所示，将层间岩层由下到上依次编号为1～7。

3、根据矿压观测资料和步骤2中所得的岩层组成、结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i等物理力学参数情况。结合图5，利用控制岩层的判定公式，得到控制岩层的位置，具体计算如下：

···

计算得到，当k＝2时，满足式(1)，即第2层是控制岩层。

4、将已知参数代入式(2)，分别计算支承压力在经过传播衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷计算得到扰动载荷大小分别为和

5、根据现有工况，考虑动扰动加载的作用。由步骤4知代入动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σ_m，max计算公式：算得σ_m，max＝3.5MPa，同时，测量得出煤柱的竖向临界破坏压应力σ_m,c＝5.8MPa。σ_m,max＜σ_m,c，则煤柱稳定，继续进行步骤6。

6、将作用于控制岩层上的扰动载荷值代入公式计算得到动扰动加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max＝5.6MPa，实际测得控制岩层抗拉强度σ_k,t＝4.0MPa，σ_k,max>σ_k,t，则控制岩层失稳，判定为不可采。

综上所述，在动扰动加载作用下，虽然该煤矿6号煤层的刀柱残采区遗留煤柱保持稳定，但两煤层之间的层间岩层失稳破坏。因此，该煤矿刀柱残采区上行开采5号煤层不可行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据矿井地质资料和开采资料，查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，绘制刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，并确定矿井工况为动扰动加载类型；

S2、确定层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号；

S3、根据矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度h_i、容重γ_i、弹性模量E_i，判定控制岩层的位置；

S4、分别计算遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷

S5、通过公式计算出动扰动加载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σ_m，max，其中，q_m表示因刀柱残采区上覆岩层自重而形成的均布载荷；l_x表示层间岩层悬空跨度；b_m表示刀柱残采区遗留煤柱宽度；l₁表示扰动载荷的作用宽度；然后用伺服压力机测量等比例缩小的煤柱的竖向临界破坏压应力σ_m,c，比较σ_m,max与σ_m,c的数值大小，若σ_m,max≥σ_m,c，则煤柱失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_m,max＜σ_m,c，则煤柱稳定，继续进行步骤S6；

S6、通过公式计算出动扰动加载作用下控制岩层所受最大拉应力σ_k,max的值，其中，q_k表示因控制岩层上覆岩层自重而形成的均布载荷，包括控制岩层自重；l₂表示扰动载荷的作用宽度；k表示控制岩层的编号，n表示层间岩层的层数，表示从控制岩层到遗留煤层的高度；然后确定控制岩层抗拉强度σ_k,t的值，并比较σ_k,max与σ_k,t的数值大小，若σ_k,max≥σ_k,t，则控制岩层失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σ_k,max＜σ_k,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

2.根据权利要求1所述的一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况。

3.根据权利要求1所述的一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制岩层的判定公式为：

满足上式的第k岩层为控制岩层，式中，k＝j+1；k、j表示岩层编号。

4.根据权利要求1所述的一种动扰动加载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其特征在于，所述步骤S4中，遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷的计算公式为：

式中，γ表示遗留煤层上覆岩层的平均容重；H表示遗留煤层上覆岩层的厚度；x₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的长度；l₀表示遗留煤层开采工作面支承压力的宽度；k_i表示载荷集中系数；z_m表示扰动载荷传递到遗留煤柱的深度；z_k表示扰动载荷传递到控制岩层的深度。