CN109403976A - 沿空留巷窄煤柱宽度设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，包括：预设一个窄煤柱宽度w，在此基础上得到煤柱强度S1的步骤；根据窄煤柱的具体地质条件计算煤柱应力S2的步骤；以及考察窄煤柱安全系数SF是否满足巷道掘进要求的步骤，其中窄煤柱安全系数SF＝煤柱强度S1/煤柱应力S2，当SF≥1.0，此时所设计的窄煤柱宽度是满足巷道掘进要求的，当SF<1.0，此时所设计的窄煤柱宽度不符合要求，需要修订预设。本发明提供的设计方法简单明了，既可以作为前期设计参考，也可以作为施工过程的设计。

Description

沿空留巷窄煤柱宽度设计方法
技术领域
本发明涉及沿空留巷窄煤柱宽度设计方法。
背景技术
在上世纪50年代开始，沿空掘巷在我国许多矿务局开始应用，最初完全意义上沿空留巷，在采空区边缘使用木支柱，矸石袋、混凝土块、金属支柱等多种材料支护巷道。目前很少有严格意义上沿空掘巷，基本上都是采空区的边缘，预留一定宽度的窄煤柱掘进巷道。
窄煤柱主要有两个作用，第一、支撑上覆岩层载荷，第二、防止相邻采空区的漏风、漏水。对于综放工作面，沿空掘巷是十分有利巷道维护。对于厚煤层综放工作面，采用留设大煤柱维护风巷，不但造成资源的浪费，而且随着采深的增加，即使留10～25m的煤柱仍难以确保巷道稳定。理论研究与实践表明，综放工作面采空区边缘掘巷道，保留一定宽度窄煤柱护巷，围岩稳定性明显好于采用大煤柱护巷支护的传统巷道。
目前沿空留巷窄煤柱的主要研究方法有如下几种：其一，巷道布置在煤体侧向应力降低区，根据应力降低区范围，确定窄煤柱和巷道宽度；其二，窄煤柱的宽度由3部分组成，第一部分为极限平衡区宽度，第二部分支护锚杆的长度，第三部分为第一和第二部分之和的0.1-0.3倍；其三，综合上述两种方法的优点，巷道布置在应力降低区，煤柱宽度按照其二的方法计算。上诉研究方法中较少关注煤柱本身的物理力学参数，设计公式中煤柱本身物理力学等关键参数。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其不但涉及煤柱本身多个核心要素，如煤柱应力、煤柱强度、煤柱尺寸等；还涉及多个煤柱设计的相关要素，如采高、上覆岩层结构、巷道宽度和高度等，对沿空留巷窄煤柱宽度设计更为精准。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，包括：
预设一个窄煤柱宽度w，在此基础上得到煤柱强度S1的步骤；
根据窄煤柱的具体地质条件计算煤柱应力S2的步骤；以及
考察窄煤柱安全系数SF是否满足巷道掘进要求的步骤，其中煤柱安全系数SF＝煤柱强度S1/煤柱应力S2，当SF≥1.0，此时所设计的窄煤柱宽度是满足巷道掘进要求的，当SF<1.0，此时所设计的窄煤柱宽度不符合要求，需要修订预设。
优选的是，所述测试煤柱强度是通过如下方法实现的：在现在取煤的试件，在实验室进行单轴抗压强度测试，得到煤试件的单轴抗压强度σ，再根据现场大尺寸煤柱强度公式1计算煤柱强度S1；
其中：
w为窄煤柱宽度；h为煤柱或者留巷巷道高度。
此处给出煤柱强度计算的一个经验公式，本发明不限于公式1所示的计算公式，目前国际上认同的其他煤柱强度经验公式皆可使用在此处。
优选的是，所述测试煤柱强度是通过如下方法实现的：取沿空留巷煤柱具体位置或者类似条件下的煤柱，钻取合适深度和直径的钻孔，使用钻孔初探法进行单轴抗压强度测试，得到预设的窄煤柱单轴抗压强度σ，再根据现场大尺寸煤柱强度公式1计算煤柱强度。
优选的是，所述煤应力S2的计算公式如公式2：
其中w1为留巷巷道宽度；w为窄煤柱宽度；h为煤柱或者留巷巷道高度；θ为侧向支承角；H为裂隙带高度；γ为工作面上覆岩层容重。
优选的是，在不同性质工作面中煤柱的侧向支承角θ和裂隙带高度H的取值如下：
工作面顶板岩性质为坚硬时，侧向支承角θ为30°，且
工作面顶板岩性质为中硬时，侧向支承角θ为20°，且
工作面顶板岩性质为松软时，侧向支承角θ为10°，且
其中，m为煤层开采厚度。
优选的是，所述工作面上覆岩层容重γ取0.025～0.027N/mm3。
优选的是，所述留巷巷道宽度为具体地质条件下，在留巷巷道的不同位置测量所述留巷巷道的宽度后，取多次测量的中值或者平均值。
本发明至少包括以下有益效果：其一、本发明提供的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法不但涉及对煤柱本身多个核心要素的考核，如煤柱应力、煤柱强度、煤柱尺寸等；还涉及多个煤柱设计的相关要素的关联性，如采高、上覆岩层结构、巷道宽度和高度等，对沿空留巷窄煤柱宽度设计更为精准；其二、本设计方法简单明了，既可以作为前期设计参考，也可以作为施工过程的设计验证；其三、所设计的窄煤柱宽度，围岩稳定性远远好于采用大煤柱护巷的传统巷道。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
高煤公司主采煤层为3上、3下层，3上煤厚2.23～8.53m，平均厚4.8m，3上煤顶板砂岩，中粗砂岩厚5.7～40.2m，巷道断面呈矩形，掘进宽4.7m，高3.6m。根据现场数据，我们来检验所提供的设计方法的可行性，便于计算，我们列出所有参数的值：煤柱的单轴抗压强度23Mpa、煤柱宽度4.5m、煤层开采厚度4.8m、煤柱或者留巷巷道高度3.6m、侧向支承角θ为20°、工作面上覆岩层容重取0.027N/mm3以及留巷巷道宽度4.7m，通过计算得到裂隙带高度为48.2±5.6m，此处取48.2m，计算煤柱强度为5.01MPa，煤柱应力为4.0MPa；根据窄煤柱强度和煤柱应力的比值得到煤柱安全系数为1.25，在实际巷道掘进期间，煤柱变形小，满足使用功能。
实施例2
柳巷煤矿主采煤层为3号煤层，平均厚11.05m，3上煤顶板泥岩4.6m，砂岩厚212m，巷道断面呈矩形，掘进宽4.86m，高3.4m。根据现场数据，我们来检验所提供的设计方法的可行性，便于计算，我们列出所有参数的值：煤柱的单轴抗压强度27Mpa、煤柱宽度10m、煤层开采厚度11.05m、煤柱或者留巷巷道高度3.4m、侧向支承角θ为20°、工作面上覆岩层容重取0.027N/mm3以及留巷巷道宽度4.86，通过计算得到裂隙带高度为51.9±5.6m，此处取51.9m，计算煤柱强度为9.2Mpa，煤柱应力为2.78Mpa；根据窄煤柱强度和煤柱应力的比值得到煤柱安全系数为3.2，在实际巷道掘进期间，煤柱变形小，仅有20mm。
如上所述，本发明至少包括以下有益效果：其一、本发明提供的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法不但涉及对煤柱本身多个核心要素的考核，如煤柱应力、煤柱强度、煤柱尺寸等；还涉及多个煤柱设计的相关要素的关联性，如采高、上覆岩层结构、巷道宽度和高度等，对沿空留巷煤柱宽度设计更为精准；其二、本设计方法简单明了，既可以作为前期设计参考，也可以作为施工过程的设计验证；其三、所设计的窄煤柱宽度，围岩稳定性远远好于采用大煤柱护巷的传统巷道。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (7)

1.一种沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，包括：
预设一个窄煤柱宽度w，在此基础上得到煤柱强度S1的步骤；
根据窄煤柱的具体地质条件计算煤柱应力S2的步骤；以及
考察窄煤柱安全系数SF是否满足巷道掘进要求的步骤，其中窄煤柱安全系数SF＝煤柱强度S1/煤柱应力S2，当SF≥1.0，此时所设计的窄煤柱宽度是满足巷道掘进要求的，当SF<1.0，此时所设计的窄煤柱宽度不符合要求，需要修订预设。
2.如权利要求1所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，所述煤柱强度S1是通过如下方法实现的：取沿空留巷煤柱具体位置或者类似条件下的煤柱，取得大块煤体，在实验室钻取标准试件，测试标准试件的单轴抗压强度，得到预设的窄煤柱单轴抗压强度σ，再根据现场大尺寸煤柱强度公式1计算煤柱强度S1；
其中：
w为窄煤柱宽度；h为煤柱或者留巷巷道高度。
3.如权利要求1所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，所述煤柱强度S1是通过如下方法实现的：取沿空留巷煤柱具体位置或者类似条件下的煤柱，钻取合适深度和直径的钻孔，使用钻孔初探法进行单轴抗压强度测试，得到预设的窄煤柱单轴抗压强度σ，再根据现场大尺寸煤柱强度公式1计算煤柱强度。
4.如权利要求1～3任一项所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，所述煤应力S2的计算公式如公式2：
其中w1为留巷巷道宽度；w为窄煤柱宽度；h为煤柱或者留巷巷道高度；θ为侧向支承角；H为裂隙带高度；γ为工作面上覆岩层容重。
5.如权利要求4所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，在不同性质工作面中煤柱的侧向支承角θ和裂隙带高度H的取值如下：
工作面顶板岩性质为坚硬时，侧向支承角θ为30°，且
工作面顶板岩性质为中硬时，侧向支承角θ为20°，且
工作面顶板岩性质为松软时，侧向支承角θ为10°，且
其中，m为煤层开采厚度。
6.如权利要求4所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，所述工作面上覆岩层容重γ取0.025～0.027N/mm3。
7.如权利要求4所述的沿空留巷窄煤柱宽度设计方法，其特征在于，所述留巷巷道宽度为具体地质条件下，在留巷巷道的不同位置测量所述留巷巷道的宽度后，取多次测量的中值或者平均值。
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