CN110119584B - 一种工作面条式间隔充填开采设计方法 - Google Patents

一种工作面条式间隔充填开采设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工作面条式间隔充填开采设计方法，包括：采集煤样，测试煤层含矸率，计算矸石产出量；采集顶板与矸石岩样，测试顶板与矸石岩样的物理力学参数与矸石充填材料压实性能；建立条式间隔充填开采顶板力学模型，设定条式充填体宽度与间隔宽度，判定顶板是否稳定；采场顶板稳定后，计算设计矸石充填材料使用量，判定矸石充填材料量是否充足；确定条式间隔充填开采关键参数。本采煤方法工艺简单，技术上完全实现了无煤柱开采，煤炭资源回采率高，有效解决了资源紧缺矿井实施充填开采过程中矸石充填材料不足的问题。

Description

一种工作面条式间隔充填开采设计方法
技术领域
本发明属于开采设计技术领域，具体涉及一种适用于资源紧缺矿井无煤柱少矸充填开采设计方法，尤其是一种工作面条式间隔充填开采设计方法。
背景技术
传统条带开采需要留设条带煤柱以达到控制地表下沉和减少采动损害的目的，为避免资源浪费、发火问题等，逐巷充填条带开采利用条式充填体代替条带煤柱实现岩层控制，而充填开采可能面临矸石充填材料不足的问题，为有效利用采煤过程中产生的矸石，控制岩层移动，防治矸石山堆积造成地表污染，需要对矸石充填进行设计。因此，工作面条式间隔充填开采岩层稳定性和矸石量的判别及充填设计具有重要意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种工作面条式间隔充填开采设计方法，解决条式间隔充填开采中充填体不足量的问题，能避免逐巷开采后矸石充填体不足量引起岩层失稳对开采造成破坏性影响。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明的工作面条式间隔充填开采设计方法，包括以下步骤：
(1)采集煤样，测试煤层含矸率，计算矸石产出量；
(2)采集顶板与矸石岩样，测试顶板与矸石岩样的物理力学参数与矸石充填材料压实性能；
(3)建立条式间隔充填开采顶板力学模型，设定条式充填体宽度与间隔宽度，判定顶板是否稳定；
(4)采场顶板稳定后，计算设计矸石充填材料使用量，判定矸石充填材料量是否充足；
(5)确定条式间隔充填开采关键参数。
所述步骤(1)中，矸石产出量Vp的计算方法为：
其中，为含矸率，mc为煤炭产量，ρc为煤炭密度，V0为现有矸石山矸石量。
所述步骤(2)中，顶板与矸石岩样的物理力学参数包括：条式充填体宽度lb、间隔宽度li、顶板厚度h、上覆岩层载荷q、顶板弹性模量E、顶板抗拉强度σt、充填体弹性地基系数k。
所述步骤(3)具体步骤如下：
a.以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立条式间隔充填开采顶板力学模型；
b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax；
其中，H为采高。
c.采用第一强度理论判定顶板是否发生破断；
σmax≤σt
其中，σt为顶板抗拉强度。
d.若顶板不发生破断，进行步骤(4)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)。
所述步骤(4)具体步骤如下：
a.计算条式充填体个数n；
其中，l为工作面长度。
b.计算设计矸石充填材料使用量Vb；
Vb＝nLlb
其中，L为开采长度。
c.判定矸石充填材料量是否充足；
Vb≤Vp
d.若矸石充填材料量充足，进行步骤(5)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过建立条式间隔充填开采顶板力学模型，采用强度理论判断压煤顶板稳定性，然后计算设计充填体体积，对比矸石产出量，判定矸石充填材料量是否充足，最后确定条式间隔充填开采条式充填体宽度与间隔宽度。本采煤方法工艺简单，技术上完全实现了无煤柱开采，煤炭资源回采率高，有效解决了资源紧缺矿井实施充填开采过程中矸石充填材料不足的问题。在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的条式间隔充填开采顶板力学模型；
图2是本发明的工作面条式间隔充填开采设计方法流程图。
图中：Lb为条式充填体宽度，Li为间隔宽度，q为上覆岩层作用于顶板的载荷，qb为充填体对顶板的支撑载荷，w(x)为顶板下沉挠度，x为与坐标原点O的水平距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示是本发明的条式间隔充填开采顶板力学模型，图2所示为本发明的工作面条式间隔充填开采设计方法，包括以下步骤：
(1)采集煤样，测试煤层含矸率，计算矸石产出量Vp：
即为：/>
其中，为含矸率，Vc为煤炭产量，V0为现有矸石山矸石量。
(2)采集顶板与矸石岩样，测试顶板与矸石岩样的物理力学参数与矸石充填材料弹性地基系数k；其中，顶板与矸石岩样的物理力学参数包括：条式充填体宽度lb、间隔宽度li、顶板厚度h、上覆岩层载荷q、顶板弹性模量E；
(3)建立条式间隔充填开采顶板力学模型，设定条式充填体宽度与间隔宽度，判定顶板是否稳定；具体步骤如下：
a.以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立条式间隔充填开采顶板力学模型；
b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax：
其中，H为采高；
c.采用第一强度理论判定顶板是否发生破断：
σmax≤σt
其中，σt为顶板抗拉强度。
d.若顶板不发生破断，进行步骤(4)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)。
(4)采场顶板稳定后，计算设计矸石充填材料使用量，判定矸石充填材料量是否充足；具体步骤如下：
a.计算条式充填体个数n：
其中，l为工作面长度。
b.计算设计矸石充填材料使用量Vb：
Vb＝nLlb
其中，L为开采长度。
c.判定矸石充填材料量是否充足：
Vb≤Vp
d.若矸石充填材料量充足，进行步骤(5)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)。
(5)确定条式间隔充填开采关键参数：条式充填体宽度lb、间隔宽度li，使得同时满足顶板稳定、矸石充填材料量充足的需求。
实施例
针对山西某煤矿进行条式间隔充填开采，主采煤层3号埋深117m，煤层平均厚度7.21m，顶板为粉砂岩，设计走向长度1042m，采高7.1m，采长192m，
预计煤炭产量135Mt(见表1)。
采集煤样，测试得到煤层含矸率为17.6％，煤炭密度为1.13×103kg/m3计算矸石产出量。
其中，为含矸率，mc为煤炭产量，ρc为煤炭密度，V0为现有矸石山矸石量。
根据上式计算得出矸石产出量为2.10×104m3。现有地面矸石山矸石8.21×105m3，故矸石储量为8.42×105m3。
采集顶板与矸石岩样，测试顶板与矸石岩样的物理力学参数与矸石充填材料压实性能(见表1)。
表1充填采煤参数
以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立条式间隔充填开采顶板力学模型(见图1)。
计算顶板最大拉应力：
其中，q为上覆岩层载荷，E为顶板弹性模量，k为条式充填体弹性地基系数，h为顶板厚度，H为采高，lb为充填体宽度，li为间隔宽度。
根据上式计算得出顶板最大拉应力σmax＝2.27×107Pa≥σt＝1.98×107Pa。
采用第一强度理论(最大拉应力理论)判定顶板发生破断，即顶板不稳定。
顶板不稳定，则需适当调整根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新判定顶板稳定性。
选取不同条式充填体宽度与间隔宽度，判定顶板稳定性(见表2)。
表2充填方案设计及顶板稳定性
根据表2可知方案3、4、6、7可行。
采场顶板稳定后，计算设计矸石充填材料使用量，判定矸石充填材料量是否充足。
以方案3为例判定充填材料量是否充足。
计算条式充填体个数n；
其中，l为采长。
根据上式计算得出方案3需要条式充填体个数为25个。
计算设计矸石充填材料使用量Vb：
Vb＝nHLlb
其中，L为开采走向长度。
根据上式计算得出方案3设计矸石充填材料使用量为8.27×105m3。
由于Vb＝8.27×105m3≤Vp＝8.42×105m3，故矸石充填材料量充足，方案3可行。
同理，计算其他方案的设计矸石充填材料使用量(见表3)。
表3设计矸石充填材料使用量
根据表3可知方案3、6、7可行，由于矸石储量较大，故选用方案3可充分利用矸石，减少地面矸石堆积。最终确定条式充填体宽度为4.3m，间隔宽度3.3m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种工作面条式间隔充填开采设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采集煤样，测试煤层含矸率，计算矸石产出量；
(2)采集顶板与矸石岩样，测试顶板与矸石岩样的物理力学参数与矸石充填材料弹性地基系数k；所述顶板的物理力学参数包括：顶板厚度h、上覆岩层载荷q、顶板弹性模量E；
(3)建立条式间隔充填开采顶板力学模型，设定条式充填体宽度与间隔宽度，判定顶板是否稳定，具体步骤如下：
a.以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立条式间隔充填开采顶板力学模型；
b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax，计算方法为：
其中，lb为条式充填体宽度，li为间隔宽度，q为上覆岩层作用于顶板的载荷，h为顶板厚度，E为顶板弹性模量，H为采高，k为充填体弹性地基系数；
c.采用第一强度理论判定顶板是否发生破断，具体的方法为：
σmax≤σt
其中，σmax为最大拉应力，σt为顶板抗拉强度；
d.若顶板不发生破断，进行步骤(4)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)；
(4)采场顶板稳定后，计算设计矸石充填材料使用量，判定矸石充填材料量是否充足，具体步骤如下：
a.计算条式充填体个数n；
b.计算设计矸石充填材料使用量Vb；
c.判定矸石充填材料量是否充足：Vb≤Vp；
d.若矸石充填材料量充足，进行步骤(5)；反之，根据矸石产出量，适当调整条式充填体宽度与间隔宽度，重新进行步骤(3)；
(5)确定条式间隔充填开采关键参数：条式充填体宽度lb、间隔宽度li，使得同时满足顶板稳定、矸石充填材料量充足的需求。
2.根据权利要求1所述的一种工作面条式间隔充填开采设计方法，其特征在于，所述矸石产出量Vp的计算方法为：
其中，为含矸率，mc为煤炭产量，ρc为煤炭密度，V0为现有矸石山矸石量。
3.根据权利要求1所述的一种工作面条式间隔充填开采设计方法，其特征在于，所述条式充填体个数n的计算方法为：
其中，l为采长，lb为条式充填体宽度，li为间隔宽度。
4.根据权利要求1所述的一种工作面条式间隔充填开采设计方法，其特征在于，所述设计矸石充填材料使用量Vb的计算方法为：
Vb＝nLlb
其中，L为开采走向长度。
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建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究;张吉雄等;《岩石力学与工程学报》;20070730;摘要，第2688页左栏第4段-第2693页左栏第5段 *

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