CN110295903B - 薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄煤层开采领域，提供了一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，包括以下步骤：掘进本工作面的回风顺槽时，在靠近工作面一侧间隔掘进平行四边形的回风联络巷，直到回风顺槽掘进到预定位置，回风联络巷之间留设平行四边形的孤岛煤柱；工作面向前推进时，仅回采本工作面运输顺槽到回风联络巷的边缘之间的煤炭，回风联络巷之间的孤岛煤柱不回采，推过回风联络巷后，将回风联络巷兼作安全出口；随着工作面交替推过孤岛煤柱和回风联络巷，依次按照上述步骤开采本工作面；将本工作面的回风顺槽作为下一工作面的回风顺槽，对下一工作面进行开采。本发明可以提高煤矿开采安全性，可以广泛应用于煤矿领域。

Description

薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱设置方法

技术领域

本发明属于薄煤层开采领域，尤其涉及一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱设置方法。

背景技术

随着近些年开采强度的加大，优质的中厚及厚煤层所剩无几，大量的薄煤层渐渐进入人们的视野。薄煤层是指煤层厚度小于1.3m，因其上下区段平巷的高度要满足通风、运料、行人等要求，那么高度要远大于煤层厚度，所以薄煤层上下区段平巷为半煤岩巷。但半煤岩巷开掘速度慢，且伴随着大量的矸石产生，增加了储运和洗选难度和成本，也污染了环境；孤岛煤柱留设又浪费了大量的资源，降低了资源回收率。如何能同时解决这两大问题呢？

为了解决上述问题，多采用沿空留巷的方法，即采用一定的技术手段保留本工作面的回风顺槽为下一工作面使用。该方法减少了掘进量和排矸量，可以最大限度回收资源，避免煤炭的损失。沿空留巷有多种形式，现多采用完全沿空留巷和沿空掘巷的方法。但沿空留巷仍有诸多不足：

(1)安全性差。完全沿空留巷可以不留孤岛煤柱也不进行巷旁充填，该方法存在漏风和采空区瓦斯进入巷道引起瓦斯超限的问题，存在着安全隐患，即使采用矸石带充填或木垛支护等方式仍不能完全避免这一问题。

(2)成本高。为了预防上述安全隐患的发生，普遍采用混凝土浇筑的方式进行巷旁支护，但是存在材料和人工成本高的问题。

(3)工艺复杂。混凝土浇筑的方式需要等待混凝土材料胶结，所以进度慢，同时需要搅拌、管道输送、支模等工艺，工艺十分复杂。

(4)适应性差。沿空掘巷虽然可以解决以上安全问题，但是不能减少排矸量和掘进量，更重要的是难以同时满足采掘接替和掘巷时机的要求，在薄煤层开采中严重受限。

为了解决薄煤层开采前期资金投入大、回报周期长、安全性差、工艺复杂、适应性差的问题，本发明提出了一种薄煤层工作面部分开采留巷的平行四边形孤岛煤柱设置方法。

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：提供一种薄煤层工作面部分开采留巷的平行四边形孤岛煤柱设置方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，包括以下步骤：

S1、掘进本工作面的回风顺槽时，在靠近工作面一侧间隔掘进平行四边形的回风联络巷，直到回风顺槽掘进到预定位置，回风联络巷之间留设平行四边形的孤岛煤柱；

S2、工作面向前推进时，仅回采本工作面运输顺槽到回风联络巷的边缘之间的煤炭，回风联络巷之间的孤岛煤柱不回采，推过回风联络巷后，将回风联络巷兼作安全出口；工作面未推过下一回风联络巷前，在孤岛煤柱靠近工作面一侧采用单体支柱配合铰接顶梁支护老空区行人回风通道；

S3、待工作面推过下一回风联络巷后，撤回单体支柱配合铰接顶梁，并封闭上一回风联络巷；然后在下一孤岛煤柱靠近工作面一侧采用单体支柱配合铰接顶梁支护下一个老空区行人回风通道；随着工作面交替推过平行四边形的孤岛煤柱和平行四边形的回风联络巷，依次按照上述步骤S1～S3开采本工作面；

S4、将本工作面的回风顺槽作为下一工作面的回风顺槽，对下一工作面进行开采。

所述步骤S1中，回风联络巷的掘进角度α的最大值的计算公式为：

α＝arcsin[L/(i²+j²)^1/2]-arcsin[j/(i²+j²)^1/2]；

式中：L为回风顺槽宽度；α为平行四边形回风联络巷掘进角度；i为掘进机长度；j为掘进机宽度。

所述步骤S1中，孤岛煤柱的宽度a满足以下两个条件：

条件1：

[L×(2×h+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×(2×h)-c}≤a≤[L×(8+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×8-c}；

其中，L为回风顺槽宽度；h为煤层厚度；c为平行四边形孤岛煤柱间距，根据工作面所需风量来确定；γ为上覆岩层容重；H为上覆岩层厚度；k₁为本工作面开采应力集中系数，由实验测得；k₂为下一工作面开采应力集中系数，由实验测得；σ_c为孤岛煤柱破坏强度；η为安全系数；

条件2：

a＝L₀-f·m-e；

式中，m为液压支架的个数，为正整数；L₀为工作面煤体的斜长，e为老空区行人回风通道宽度；f表示液压支架的宽度。

所述步骤S1中，孤岛煤柱长度b满足以下条件：

2h≤b≤8m；

式中：h为煤层厚度。

所述步骤S1中，掘进回风顺槽时，掘进距离等于孤岛煤柱长度b后，退回开始位置向工作面侧掘进回风联络巷。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：可以有效解决漏风和采空区瓦斯进入巷道引起瓦斯超限的问题，提高安全性；不需要浇筑混凝土，可以有效降低成本和工艺难度；能减少排矸量和掘进量，更重要的是可以同时满足采掘接替和掘巷时机的要求，增加了沿空留巷方法的适用性。

附图说明

图1是回风顺槽掘进形式示意图

图2是平行四边形回风联络巷掘进方向和角度计算示意图

图3是回采工作面布置图。

图4是平行四边形孤岛煤柱荷载计算示意图。

图中：1：运输顺槽；2：本工作面；3：回风顺槽；4：下一工作面；5：回风联络巷；6：孤岛煤柱；9：掘进机；10：液压支架；11：老空区行人回风通道；12：刮板输送机；13：单体支柱；14：风帘。

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。

本发明实施例提供了一种薄煤层工作面部分开采留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法。通过这种新的方法，可以有效降低煤矿开采的成本，减少排矸量，提高矿井的安全性，降低工艺复杂度，减少环境污染，同时提高沿空留巷的适应性，增加经济效益。

本发明主要步骤如下：

如图1所示，在掘进本工作面2回风顺槽3时，在工作面2一侧每隔一段距离掘进平行四边形回风联络巷5，直到回风顺槽3掘进到预定位置，构成工作面巷道系统；如图3所示，进一步的，安装采煤设备时，将刮板输送机12机尾不贯穿工作面，机尾端部与平行四边形回风联络巷5端部在同一立面上；在回风顺槽3、刮板输送机12机尾端部之间留设一定尺寸的保护煤柱，以保留本工作面2回风顺槽3作为下一工作面4回风顺槽3；这种部分工作面留平行四边形孤岛煤柱的方法可以少掘进一条半煤岩巷，减少了掘进量和排矸量，同时也不用进行额外的巷旁充填，大幅降低了成本；如图3所示，回采时，只回采本工作面2运输顺槽1到刮板输送机12机尾端部的部分煤炭，剩余不回采的部分被回风顺槽3、刮板输送机12机尾端部和平行四边形回风联络巷5分割形成作为平行四边形孤岛煤柱6，用以留设下来保护下一工作面4回风顺槽3，减弱其矿压显现强度；推过平行四边形回风联络巷5后，该平行四边形回风联络巷5兼作安全出口；工作面2未推过下一平行四边形回风联络巷5前，相应平行四边形孤岛煤柱6工作面侧采用单体支柱13配合铰接顶梁维护老空区行人回风通道11，以保证安全；待工作面2推过下一平行四边形回风联络巷5后，撤回单体支柱11配合铰接顶梁并封闭上一平行四边形回风联络巷5，平行四边形回风联络巷5和平行四边形孤岛煤柱6的封闭可以解决漏风和采空区瓦斯进入巷道引起瓦斯超限的问题；撤回的单体支柱11配合铰接顶梁则对下一老空区行人回风通道进行支护。随着工作面的交替推过平行四边形孤岛煤柱和平行四边形回风联络巷，依次按照上述步骤进行循环。

进一步地，附加技术方案如下：

如图2所示，考虑到掘进机规格尺寸的限制和尽量减少掘回风巷时煤炭的产生量，则平行四边形回风联络巷轴线与回风顺槽轴线的夹角，即该平行四边形回风联络巷掘进角度α应满足以下条件：

0＜a≤arcsin[L/(i²+j²)^1/2]-arcsin[j/(i²+j²)^1/2]； (1)

式中：L为回风顺槽3的宽度；α为平行四边形回风联络巷掘进角度；i为掘进机长度；j为掘进机宽度。

如图4所示，平行四边形孤岛煤柱宽度a的计算公式：

a＝[L×(b+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×b-c}； (2)

式中：L为回风顺槽宽度；a为平行四边形孤岛煤柱宽度；b为平行四边形孤岛煤柱长度；c为平行四边形孤岛煤柱间距，根据工作面所需风量来确定；γ为上覆岩层容重；H为上覆岩层厚度；k₁为本工作面开采应力集中系数，k₁由实验测得；k₂为下一工作面开采应力集中系数，k₂由实验测得；σ_c为平行四边形孤岛煤柱破坏强度；η为安全系数。

如图4所示，进一步的，考虑通风和平行四边形孤岛煤柱承载问题，平行四边形孤岛煤柱长度b的范围：2h≤b≤8m；式中：h为煤层厚度。

老空区行人回风通道是回风行人的重要巷道，需要满足一定的风量通过要求，平行四边形孤岛煤柱长度越短，风阻越小。则平行四边形孤岛煤柱长度b越短越好，一般不大于8m。但是考虑到平行四边形孤岛煤柱的承载能力的要求，一般平行四边形孤岛煤柱的长高比大于2，则煤柱承载能力显著减弱，因此平行四边形孤岛煤柱的宽度应该大于等于2倍的煤柱高度，即2h。

则平行四边形孤岛煤柱宽度a的范围：

[L×(2×h+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×(2×h)-c}≤a≤[L×(8+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×8-c}； (3)

进一步的，考虑工作面斜长、液压支架数量以及老空区行人回风通道的关系，a的取值还应满足条件：

a＝L₀-f·m-e； (4)

式中，m为液压支架的个数，为正整数；L₀为工作面煤体的斜长，e为老空区行人回风通道宽度；f表示液压支架的宽度。

因为液压支架的宽度是一定的，其宽度为1.5m和1.75m两种，其中薄及中厚煤层采煤工作面液压支架的宽度为1.5m，大采高支架多为1.75m。所以，平行四边形孤岛煤柱宽度a必定与工作面斜长和液压支架数量有关。另外，老空区行人回风通道处不能采用液压支架支护，只能采用单体液压支柱配合铰接顶梁进行支护，因此，平行四边形孤岛煤柱宽度a必须要满足公式(4)。

平行四边形孤岛煤柱的宽度a必须同时满足公式(3)和(4)。

综合考虑掘进机规格尺寸的限制和尽量减少掘回风巷时煤炭的产生量、平行四边形孤岛煤柱稳定性、工作面设备布置和老空区行人回风通道的关系，平行四边形孤岛煤柱与回风顺槽的夹角必须满足公式(1)，且取最大值，同时平行四边形孤岛煤柱的宽度a还必须同时满足公式(3)和(4)。

实施例：

某矿主采煤层为薄煤层，厚度h＝1m，上覆岩层容重γ＝27kN/m³，上覆岩层厚度H＝300m，本工作面长度L₀＝180m，本工作面开采应力集中系数k₁＝2，下一工作面开采应力集中系数k₂＝3，回风顺槽宽度L＝3.5m，平行四边形孤岛煤柱间距c＝1.5m，平行四边形孤岛煤柱破坏强度σ_c＝30MPa，老空区行人回风通道宽度e＝2m，安全系数η取2掘进机的型号为EBJ-120TP，掘进机长度为8.6m，宽度为2.1m。

平行四边形孤岛煤柱与回风顺槽的夹角：0＜α≤arcsin[L/(i²+j²)^1/2]-arcsin[j/(i²+j²)^1/2]＝9.57°。

那么平行四边形孤岛煤柱长度b的范围为2m≤b≤8m，根据公式(3)求出平行四边形孤岛煤柱宽度a的范围1.70m≤a≤4.66m。

当液压支架数量为117架时，根据公式(4)a＝L₀-f·m-e＝180-1.5×117-2＝2.5(m)，当液压支架数量为116架时，根据公式(4)a＝L₀-f·m-e＝180-1.5×116-2＝4(m)，正好处于1.70m≤a≤4.66m的范围。

由于平行四边形孤岛煤柱的宽度a必须同时满足公式(3)和(4)，则平行四边形孤岛煤柱宽度a可以取2.5m、4m，且平行四边形孤岛煤柱与回风顺槽的夹角最大值为9.57°。为保证最大经济效益，平行四边形孤岛煤柱宽度a可取2.5m。如果为保证煤柱最大程度维持稳定，则平行四边形孤岛煤柱宽度a可取4m。

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 (5)

1.一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、掘进本工作面的回风顺槽(3)时，在靠近工作面一侧间隔掘进平行四边形的回风联络巷(5)，直到回风顺槽(3)掘进到预定位置，回风联络巷(5)之间留设平行四边形的孤岛煤柱(6)；

S2、工作面向前推进时，仅回采本工作面运输顺槽(1)到回风联络巷(5)的边缘之间的煤炭，回风联络巷(5)之间的孤岛煤柱(6)不回采，推过回风联络巷(5)后，将回风联络巷(5)兼作安全出口；工作面未推过下一回风联络巷(5)前，在孤岛煤柱(6)靠近工作面一侧采用单体支柱配合铰接顶梁支护老空区行人回风通道(11)；

S3、待工作面推过下一回风联络巷(5)后，撤回单体支柱配合铰接顶梁，并封闭上一回风联络巷(5)；然后在下一孤岛煤柱(6)靠近工作面一侧采用单体支柱配合铰接顶梁支护下一个老空区行人回风通道(11)；随着工作面交替推过平行四边形孤岛煤柱(6)和平行四边形回风联络巷(5)，依次按照上述步骤S1～S3开采本工作面；

S4、将本工作面的回风顺槽(3)作为下一工作面的回风顺槽(3)，对下一工作面进行开采。

2.根据权利要求1所述的一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，其特征在于，所述步骤S1中，回风联络巷的掘进角度α的最大值的计算公式为：

α＝arcsin[L/(i²+j²)^1/2]-arcsin[j/(i²+j²)^1/2]；

式中：L为回风顺槽宽度；α为平行四边形回风联络巷掘进角度；i为掘进机长度；j为掘进机宽度。

3.根据权利要求1所述的一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，其特征在于，所述步骤S1中，孤岛煤柱的宽度a满足以下两个条件：

条件1：

[L×(2×h+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×(2×h)-c}≤a≤[L×(8+c)]/{2×[(η×σ_c)/(γ×H)-k₁-k₂-1]×8-c}；

其中，L为回风顺槽宽度；h为煤层厚度；c为平行四边形孤岛煤柱间距，根据工作面所需风量来确定；γ为上覆岩层容重；H为上覆岩层厚度；k₁为本工作面开采应力集中系数，由实验测得；k₂为下一工作面开采应力集中系数，由实验测得；σ_c为孤岛煤柱破坏强度；η为安全系数；

条件2：

a＝L₀-f·m-e；

式中，m为液压支架的个数，为正整数；L₀为工作面煤体的斜长，e为老空区行人回风通道宽度；f表示液压支架的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，其特征在于，所述步骤S1中，孤岛煤柱长度b满足以下条件：

2h≤b≤8m；

式中：h为煤层厚度。

5.根据权利要求1所述的一种薄煤层工作面留巷的平行四边形孤岛煤柱的设置方法，其特征在于，所述步骤S1中，掘进回风顺槽(3)时，掘进距离等于孤岛煤柱长度b后，退回开始位置向工作面侧掘进回风联络巷(5)。

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