CN110230493A - 一种遗留煤柱的切角破坏方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿开采领域，公开了一种遗留煤柱的切角破坏方法，包括以下步骤：S1、补勘探明遗留煤柱的留设形状、尺寸、遗留煤柱的底板与下煤层的顶板间的垂距、遗留煤柱的形心到下煤层回采巷道形心的距离；S2、确定切割底角钻孔和切割顶角钻孔的位置，并计算切割底角钻孔和切割顶角钻孔的角度和长度；S3、根据计算结果，在下煤层回采巷道中，钻设切割底角钻孔和切割顶角钻孔；钻孔到达遗留煤柱后，沿钻孔方向对遗留煤柱外侧进行形状切割，直至使遗留煤柱在矿山压力作用下发生破坏。本发明安全性高，效果好，可以广泛应用于煤矿开采领域。

Description

一种遗留煤柱的切角破坏方法

技术领域

本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种遗留煤柱的切角破坏方法，尤其是对上部遗留煤柱进行切角处理，将煤柱压破坏形式转变为剪破坏形式，从而实现煤柱在支承压力作用下破坏的方法。

背景技术

由于受到开采水平、设备条件和地质因素等因素的限制，在煤层开采过程中，留设了大量的各类煤柱，用来支撑顶板、保护上煤层巷道，确保安全生产。这些煤柱将永久留在地下，无法采出，造成了资源的大量浪费。更重要的是，煤柱的存在会导致应力集中，致使下煤层开采矿压显现异常，易发生压架、冒顶、冲击地压等事故。也会加大下煤层保护煤柱的留设尺寸，降低了回采率，进一步浪费资源。

现在资源日益枯竭，能源供应日趋紧张，煤炭作为优质的不可再生资源，尽可能的减少煤柱对开采的影响，提高回采率，降低事故发生率是急需解决的问题。针对这一问题，专家学者及工程技术人员做了大量卓有成效的工作，并取得了较好效果。例如，通过爆破手段、水力压裂、超临界CO2预裂、低温液氮预裂等方法对上部煤柱进行破坏，起到降低煤柱应力集中的作用，实现下煤层开采事故降低和煤柱尺寸减小的目的。但是这些方法没有利用矿山压力的作用，更没有针对煤柱破坏特点进行设计，所以导致实施效果不理想。具体表现在：

（1）成本高。现有方法没有充分利用顶底板对煤柱的作用力，仅通过增加炸药、压裂液、低温液氮的用量实现煤柱的整体破碎，导致煤柱破坏所需材料用量过大，增加成本。

（2）技术难度大。没有根据煤柱的破坏形式和破坏特点进行处理。现有技术手段是通过压力破坏煤柱整体性，而煤柱的抗压强度远大于抗剪强度，所以需要较大外力才能破坏煤柱，增加了技术难度。

（3）安全性低、效果差。现有技术没有考虑以上因素，导致爆破易采空区积气爆炸，存在较大安全隐患；而水力压裂过程中，压裂液体易通过煤柱裂隙流入采空区，破坏效果很差。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种遗留煤柱的切角破坏方法，其通过在矿山压力作用下，通过确定煤柱破坏角度而改变破坏形式，造成煤柱破坏，以减少下煤层开采事故率，提高资源回收率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种遗留煤柱的切角破坏方法，其赋存条件为在下煤层上方存在遗留煤柱，且遗留煤柱两侧存有有害气体；所述遗留煤柱用于支撑上煤层顶板以及保护上煤层巷道；所述方法包括以下步骤：

S1、补勘探明遗留煤柱的留设形状、尺寸、遗留煤柱的底板与下煤层的顶板间的垂距、遗留煤柱的形心到下煤层回采巷道形心的距离；

S2、确定切割底角钻孔和切割顶角钻孔的位置，并计算切割底角钻孔和切割顶角钻孔的角度和长度；

S3、根据计算结果，在下煤层回采巷道中，钻设切割底角钻孔和切割顶角钻孔；钻孔到达遗留煤柱后，沿钻孔方向对遗留煤柱外侧进行形状切割，直至使遗留煤柱在矿山压力作用下发生破坏。

所述步骤S2中，切割底角钻孔和切割顶角钻孔的位置为下煤层回采巷道靠近遗留煤柱的一侧墙上。

所述步骤S2中，切割底角钻孔和切割顶角钻孔的角度的计算公式为：

α=arctan((h+ c₁)/（H-0.5d))；

β=arctan((a+h+c₂)/(H-0.5d))；

其中，a为遗留煤柱的高度；d为下煤层回采巷道的宽度；c₁为切割底角钻孔起始位置到下煤层回采巷道顶板的距离；c₂为切割顶角钻孔到下煤层回采巷道顶板的距离；H为遗留煤柱形心到下煤层回采巷道形心的水平距离；h为遗留煤柱的底板与下煤层的顶板间的垂距；α，β分别切割底角钻孔和切割顶角钻孔的角度。

所述步骤S2中，切割底角钻孔和切割顶角钻孔的长度的计算公式为：

L₁=（H-0.5d）/cosα；

L₂=（H-0.5d）/cosβ；

其中，L₁、L₂分别为切割底角钻孔和切割顶角钻孔的长度，H为遗留煤柱形心到下煤层回采巷道形心的水平距离；d为下煤层回采巷道的宽度；α，β分别切割底角钻孔和切割顶角钻孔的角度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明在改变煤柱形状的基础上，不需要额外的技术措施，单纯依靠作用于煤柱上的支承压力即可实现煤柱的破坏，充分利用了矿山压力，减少材料使用量，降低了成本。

（2）本发明通过切割煤柱顶角和底角，实现煤柱压破坏到剪破坏的转变，不用整体破坏煤柱，从而减低了技术难度。

（3）相比爆破穿采方法开采煤柱，本发明通过确定煤柱破坏角度，改变煤柱破坏形式的方法，实现煤柱的破坏，具有安全性高、效果好的特点。消除了采空区积气爆炸的安全隐患；解决了使用水力压裂方法时，压裂液体易通过煤柱裂隙流入采空区，破坏效果很差的问题。

附图说明

图1 遗留煤柱与下煤层回采巷道位置关系的剖面示意图；

图2 计算遗留煤柱切割角度的剖面示意图；

图3 计算遗留煤柱切割角度的剖面局部放大示意图。

图中：1、下煤层；2、遗留煤柱；3、上煤层顶板；4、上煤层巷道；5、下煤层回采巷道；6、切割底角钻孔；7、切割顶角钻孔。

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。

本发明实施例所提供的一种遗留煤柱的切角破坏方法，其赋存条件为在下煤层1上方存在遗留煤柱2，遗留煤柱2用于支撑上煤层顶板3以及保护上煤层巷道4，且遗留煤柱2两侧存有瓦斯，CO等有毒、有害气体。本实施例的煤柱破坏方法是在补勘探明遗留煤柱2的留设形状、尺寸、遗留煤柱2的底板与下煤层1的顶板间的垂距、遗留煤柱2的形心到下煤层回采巷道5形心的距离和遗留煤柱2两侧有毒、有害气体后，计算切割底角钻孔6和切割顶角钻孔7的钻孔位置和钻孔角度，使这两个孔所在直线与煤柱底层和煤柱顶层的交点为煤柱宽度的中心位置；然后根据计算结果在下煤层回采巷道5中，斜向上进行切割底角钻孔6和切割顶角钻孔7，钻孔至到达遗留煤柱后，以切割底角钻孔6和切割顶角钻孔7为界，对其外侧的煤柱进行切割，从而实现对遗留煤柱2形状切割，切割后的遗留煤柱2的顶部和底部在其宽度方向上各留一半，使其破坏形式从受压转变成受剪，最终使遗留煤柱2在矿山压力作用下发生破坏。

本发明实施例提供的切角破坏方法解决了如何确定煤柱破坏角度，从而精准、有效降低其破坏强度，减少下煤层开采事故率，提高资源回收率的技术难题。

在上述实施方案的基础上：

如图1所示，本发明实施例提供的切角破坏方法的赋存条件为在下煤层1上方存在遗留煤柱2，遗留煤柱2用于支撑上煤层顶板3以及保护上煤层巷道4，且遗留煤柱2两侧存有瓦斯，CO等有毒、有害气体。煤炭的赋存多以煤层群为主要特征，一般从上到下依次开采，所以上煤层开采的遗留煤柱大量存在。上煤层开采后，在其遗留煤柱两侧的采空区中存在大量的瓦斯，CO等有毒、有害气体。

如图2和图3所示，本实施例中，遗留煤柱1的留设形状可以为长方体或和立方体，遗留煤柱2破坏形式由压破坏转化为剪破坏，则破坏遗留煤柱2所需的切割底角α、切割顶角β以及对应的钻孔斜长L₁、L₂的计算公式为：

α=arctan((h+ c₁)/（H-0.5d))； （1）

β=arctan((a+h+c₂)/(H-0.5d)) ； （2）

L₁=（H-0.5d）/cosα； （3）

L₂=（H-0.5d）/cosβ； （4）

式中：a为遗留煤柱2的高度；b为遗留煤柱2的宽度；c和d分别为下煤层回采巷道5的高度和宽度；c₁为切割底角钻孔6起始位置到下煤层回采巷道5顶板的距离；c₂为切割顶角钻孔7到下煤层回采巷道5顶板的距离；H为遗留煤柱2形心到下煤层回采巷道5形心的水平距离；h为遗留煤柱2的底板与下煤层1的顶板间的垂距；α，β分别为切割底角和切割顶角；L₁、L₂分别为切割底角α和切割顶角β对应的钻孔斜长。

通过上述公式实现对下煤层回采巷道5斜上方遗留煤柱2的切割，使其形状发生改变，受力形式由受压变成受剪。众所周知，煤体的抗剪强度是抗压强度的10％~40％。所以确定好破坏角度，将煤柱顶部和底部各切割一半后，遗留煤柱2由受压转换成受剪的形式，遗留煤柱2在矿山压力作用下很容易发生破坏。

实施例：

某矿遗留煤柱2的高度a和宽度b分别3m和5m，下煤层回采巷道5的高度c和宽度d分别为3m和4.5m，遗留煤柱2的底板与下煤层1的顶板间的垂距h为30m，遗留煤柱2形心到下煤层回采巷道5形心的水平距离H为30m。为保证下煤层1开采安全，在下煤层回采巷道5中，打底角切割钻孔6和顶角切割钻孔7，其中底角切割钻孔的起始位置c₁和顶角切割钻孔的起始位置c₂分别为1m和0.8m。

为了保证遗留煤柱2破坏形式由压破坏转化为剪破坏，可根据破坏遗留煤柱2所需的切割底角α、切割顶角β以及对应的钻孔斜长L₁、L₂的计算公式（1）~（4）进行如下计算：

α=arctan((h+c₁)/(H-0.5d))=29°58′；

β=arctan((a+h+c₂)/(H-0.5d))=34°7′；

L₁=（H-0.5d）/cosα=32.03 m；

L₂=（H-0.5d）/cosβ=33.52 m；

然后根据上述计算结果，对上述的遗留煤柱进行切割底角钻孔6和切割顶角钻孔7钻孔，钻孔到达煤柱后，沿孔方向，将煤柱外侧的部分进行切割，切割完成后，可以使上部遗留煤柱在剪切力的作用发生破坏，起到降低煤柱应力集中的作用，实现下煤层开采事故降低和煤柱尺寸减小的目的。

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)

1.一种遗留煤柱的切角破坏方法，其特征在于，其赋存条件为在下煤层上方存在遗留煤柱，且遗留煤柱两侧存有有害气体；所述遗留煤柱用于支撑上煤层顶板以及保护上煤层巷道；所述方法包括以下步骤：

S1、补勘探明遗留煤柱（2）的留设形状、尺寸、遗留煤柱的底板与下煤层的顶板间的垂距、遗留煤柱的形心到下煤层回采巷道形心的距离；

S2、确定切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的位置，并计算切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的角度和长度；

S3、根据计算结果，在下煤层回采巷道中，钻设切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）；钻孔到达遗留煤柱后，沿钻孔方向对遗留煤柱外侧进行形状切割，直至使遗留煤柱在矿山压力作用下发生破坏。

2.根据权利要求1所述的一种遗留煤柱的切角破坏方法，其特征在于，所述步骤S2中，切割底角钻孔（8）和切割顶角钻孔（7）的位置为下煤层回采巷道（5）靠近遗留煤柱（2）的一侧墙上。

3.根据权利要求1所述的一种遗留煤柱的切角破坏方法，其特征在于，所述步骤S2中，切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的角度的计算公式为：

α=arctan((h+ c₁)/（H-0.5d))；

β=arctan((a+h+c₂)/(H-0.5d))；

其中，a为遗留煤柱的高度；d为下煤层回采巷道（5）的宽度；c₁为切割底角钻孔（6）起始位置到下煤层回采巷道（5）顶板的距离；c₂为切割顶角钻孔（7）到下煤层回采巷道（5）顶板的距离；H为遗留煤柱（2）形心到下煤层回采巷道（5）形心的水平距离；h为遗留煤柱（2）的底板与下煤层（1）的顶板间的垂距；α，β分别切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的角度。

4.根据权利要求1所述的一种遗留煤柱的切角破坏方法，其特征在于，所述步骤S2中，切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的长度的计算公式为：

L₁=（H-0.5d）/cosα；

L₂=（H-0.5d）/cosβ；

其中，L₁、L₂分别为切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的长度，H为遗留煤柱（2）形心到下煤层回采巷道（5）形心的水平距离；d为下煤层回采巷道（5）的宽度；α，β分别切割底角钻孔（6）和切割顶角钻孔（7）的角度。