CN111042821A - 一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法，1)以基本顶下沉量为指标确定沿空掘巷开掘时间T₁；2)以巷道围岩裂隙发育深度为时间指标确定合理开掘时间T₂；3)确定合理的沿空巷道开掘时间T。在充分考虑煤、岩体的差异性的基础上得出基本顶下沉量与覆岩运动稳定时间，更加符合现场实际，结果更加准确。2)引入巷道围岩裂隙发育深度作为附加指标，形成了沿空煤巷开掘时间的双指标体系。3)以最大基本顶下沉值的70％、最大裂隙深度80％作为巷道开掘时间的评价指标，并根据具体地质条件确定两者所占的权重比例，综合得出沿空巷道开掘时间，保证沿空巷道围岩安全稳定，减少特厚煤层沿空掘巷时间，保障采掘正常接替。

Description

一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法

技术领域

本发明涉及煤矿巷道掘进支护领域，尤其涉及一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法。

背景技术

沿空掘巷技术因具有高产、高效、减少巷道掘进量、缓解工作面紧张接替等优势，在薄煤层及中厚煤层中大范围推广使用，其中薄煤层是指单层厚度小于1.3m的煤层，中厚煤层是指单层厚度大于1.3m小于3.5m的煤层。而在厚及特厚煤层开采过程中，沿空掘巷应用较少，其多采用留设20～30m宽煤柱的护巷方式，其中厚煤层是指单层厚度大于3.5m小于8.0m的煤层，特厚煤层是指煤体厚度大于8.0m的煤层。近年来，为了提高煤炭采出率，沿空掘巷技术开始在厚及特厚煤层中使用，然而大量理论研究与工程实践表明，当煤层厚度小于6.0m时，沿空掘巷实施过程的理论、技术、工艺可以借鉴或沿用已有薄及中厚煤层沿空掘巷理论与技术。但随着煤层厚度进一步增大，覆岩运动规律及其引起的应力场开始发生显著变化，特别是当煤层厚度超过15m时，沿空掘巷过程中的岩层移动及应力、位移变化与薄及中厚煤层迥然不同，现有薄及中厚沿空掘巷理论、技术、工艺无法在该条件下使用。

以沿空巷道开掘时间为例，众所周知，沿空掘巷的开掘时间是确保沿空巷道围岩稳定、保证采掘正常接替的关键因素，现有研究多以基本顶下沉量作为沿空巷道开掘时间的单一评价指标，即在顶板下沉量达到最大值时开掘巷道，其中，基本顶下沉量是基于薄及中厚煤层的地质生产条件推导得出的，即煤层可以全部采出的条件下，以冒落的岩石特性计算基本顶下沉量；然而对于15m以上特厚煤层，其多通过综放开采方式进行煤炭回采，由于综放开采技术的局限性，有近四分之一的煤层(厚度大于4m)是无法采出的，其将随着岩石一起冒落到采空区，由于碎裂煤体与冒落岩体在碎胀性、强度方面的显著差异，其将显著减缓的基本顶沉降趋势(约减少35％～45％基本顶下沉量)。若采用已有的理论计算方法，即忽略煤、岩在碎胀性与强度方面的差异性，由此计算出的顶板沉降特征及沿空巷道开掘时间将与生产实践严重不符。因此，亟需提出一种针对特厚煤层沿空巷道开掘时间的理论研究方法。

通过大量文献检索发现，目前尚未有关于15m以上特厚煤层沿空巷道开掘时间的理论研究及实践报告。在当前15m以上特厚煤层工程实践中，沿空巷道开掘时间常用的两种确定方法：一是待覆岩运动充分稳定后，即12～16个月后开掘巷道，这种做法可保证沿空巷道围岩稳定性，巷道维护状态较好，但严重影响矿井正产接替，造成矿井接续困难、效益骤降。二是沿用传统4～6月掘巷时间，即相邻工作面回采结束后4～6月便开始掘巷，此做法可保证正常采掘接替，但由于覆岩运动尚未充分稳定，将造成下位沿空巷道严重变形失稳。因此，如何确定一种既能保证沿空巷道围岩稳定性，又能实现正常采掘接替的沿空巷道开掘时间确定方法，对于15m以上特厚煤层安全高产高效开采具有重要意义。

在考分考虑以往理论研究及工程实践不足的基础上，本专利提出一种基于基本顶沉降规律与巷道围岩裂隙发育规律的15m以上特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标综合确定方法，基本顶下沉运动是沿空巷道矿压显现的根本力源，故而首先以基本顶下沉量作为评价指标，确定一个合理沉降值而非最大沉降值作为基本顶稳定的评价标准，据此计算合理的沿空煤巷开掘时间；其次，就沿空巷道围岩本身而言，当围岩为裂隙较为发育的煤体时，稍有动压影响，煤体内裂隙将迅速发育形成大范围破碎带，破碎带内煤体随后向巷道自由空间内涌出形成宏观位移变形；同时煤体破裂后，承载能力随之丧失，引起煤体内应力向深部转移，可见，裂隙的演化是围岩应力与位移迁移的根本原因，即裂隙发育是围岩稳定性最为直观、敏感、根本的评价指标，据此，本专利以围岩裂隙发育深度为第二评价指标确定沿空巷道开掘时间；第三，基本顶岩层运动是沿空巷道围岩稳定状态的根本力学原因，而巷道围岩裂隙发育是巷道稳定状态的显现结果，但在不同地质生产条件下，两者对于最合理掘巷时间的贡献率是不同的，据此设计不同地质条件下双指标的权重比例，综合确定合理沿空巷道掘进时间。因此，以基本顶沉降规律、巷道围岩裂隙发育为评价指标，确定沿空巷道开掘的最合理时间，既能保证煤巷围岩稳定又能缩短巷道准备时间，填补了沿空掘巷开掘时间确定方法的空白。

发明内容

本发明为了克服15m以上特厚煤层沿空巷道开掘时间难题，提供了一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法，分为如下步骤：

第一步，以基本顶下沉量为指标，确定沿空掘巷开掘时间T₁

步骤1.1)现场调研与室内实验

调研基本顶、直接顶、煤体厚度和煤层采出率；实验室测得直接顶与煤体碎胀系数，基本顶岩层的弹性模量与粘性模量；

步骤1.2)基本顶最大下沉量计算

考虑到特厚煤层开采过程煤体采出率低及煤、岩体碎胀特性、强度差异性，近25％未采出的煤体将随直接顶一起冒落并抑制基本顶下沉，据此确定基本顶的最大下沉量W_max，其表达式如下：

W_max＝M+∑h-∑h·k₁-(1-α)M·k₂ (1)

式中，M为开采煤层厚度，∑h为直接顶岩层厚度，k₁为冒落岩体的碎胀系数，k₂为碎裂煤体的碎胀系数，α为顶煤放出率，15m以上特厚煤层α＝75％。

15m以上特厚煤层开采过程中，基本顶沉降的动态方程表达式如下：

式中，q_Z为基本顶所受到的岩层载荷，l_m为基本顶的断裂步距，E和η为基本顶的弹性模量与粘性模量，F为冒落煤岩体的综合抗压强度；F的关系式如下：

式中，F₁为冒落岩体的抗压强度，F₂为冒落顶煤的抗压强度；动态方程(2)属于指数函数，其导数表示基本顶下沉速率；由指数函数特点可知，随着时间增大，基本顶下沉速率将逐渐减小，即当基本顶下沉量达到某一临界指标时，基本顶下沉速率将大幅降低并趋近于0；结合大量工程实践经验，以基本顶最大下沉量的70％作为临界指标，当基本顶下沉量达到70％W_max临界指标时，基本顶下沉运动将趋于缓慢并稳定，运动速率低，不会再发生剧烈结构性运动，对下位岩体稳定性影响小，即

第二步，以巷道围岩裂隙发育深度为时间指标，确定合理开掘时间T₂

步骤2.1)在特厚煤层工作面前方100m处建立一个监测测站，该监测测站位于相邻工作面生产系统范围内，而非本工作面超前巷道内；

步骤2.2)在监测测站断面内增打顶板，顶板钻孔深度为顶煤与直接顶厚度之和；。

步骤2.3)监测自工作面经过测站开始，直至巷道围岩应力趋于稳定时结束，以测站与工作面推进位置为横坐标，顶板裂隙密度为纵坐标，绘制曲线图，分别确定顶板裂隙发育最大深度ρ_max；

步骤2.4)根据工作面推进速度，确定裂隙深度达到80％ρmax，所需要的时间T₂；

第三步，确定合理的沿空巷道开掘时间T步骤3.1)确定基本顶当量参数P、煤体当量参数σ

基本顶当量参数P是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

P＝241.3ln(c₀)-15.5N+52.6h_m (5)

式中，C₀为基本顶初次来压步距、N直接顶充填系数、h_m为煤层采高；

煤体当量参数σ是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

式中，σ_c为煤体单轴抗压强度，GSI为煤体裂隙发育程度系数，D为采动影响指数，m_i为煤体常量；

步骤3.2)确定权重系数

根据基本顶P与煤体当量参数σ确定两指标相应的权重，具体如表1所示，其中a为T₁占的权重，b为T₂占的权重；

表1权重影响因子分配表

条件	a	b
			P＞1145,σ>10	0.8	0.2
1075<P≤1145,5<σ≤10	0.7	0.3
			975<P≤1145,3<σ≤5	0.5	0.5
895<P≤975,1<σ≤3	0.4	0.6
			P≤875,σ≤1	0.3	0.7

步骤3.3)计算合理掘进时间

将权重因子a、b组成矩阵A

第一、二步得出的沿空煤巷掘巷时间T₁，T₂组成矩阵B

计算合理采掘时间T

有益效果：1)在15m以上特厚煤层开采过程中，有近四分之一的煤层是无法采出的，其将随着直接顶一起冒落到采空区并阻止基本顶下沉，由于碎裂煤体与冒落岩石在碎胀特性、强度特性方面的显著差异，其将显著减缓的覆岩沉降趋势(约减少35％～45％基本顶下沉量)。以往文献忽略冒落煤体的作用，统一视作岩体，由此得到基本顶下沉量与覆岩运动终止时间与实际情况存在较大差异。本发明在充分考虑煤、岩体的差异性的基础上得出基本顶下沉量与覆岩运动稳定时间，更加符合现场实际，结果更加准确。2)以往沿空巷道开掘时间以覆岩运动终止作为单一判定指标，本专利则在基本顶沉降特征指标的基础上，充分考虑裂隙发育煤体的力学特性及破坏失稳过程，创新性地引入巷道围岩裂隙发育深度作为附加指标，形成了沿空煤巷开掘时间的双指标体系。该双指标既考虑了覆岩运动状况，又能充分考虑了巷道围岩维护状况，更加符合现场实际需要。3)以往沿空巷道开掘时间一般是在相邻工作面覆岩运动完全稳定之后，即基本顶下沉量达到最大值w_max，而本专利在大量现场实践的基础上，创新性地提出了最大基本顶下沉值的70％、最大裂隙深度80％作为巷道开掘时间的评价指标，并根据具体地质条件确定两者所占的权重比例，综合得出沿空巷道开掘时间，既能保证沿空巷道围岩安全稳定，又能有效减少了特厚煤层沿空掘巷时间，保障了采掘正常接替。

附图说明

图1—巷道裂隙演化测站位置图。

图2—监测断面布置图。

图3—巷道裂隙演化曲线图。

图中，1，工作面；2，监测用巷道；3，测站；4，顶板钻孔；L，测站与停采线距离；a，顶板钻孔与两帮距离。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，第一步：以基本顶下沉量为指标，确定沿空掘巷开掘时间T₁

(1)现场调研与室内实验

山西某矿201工作面主采2#煤层，平均厚度15m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度6.0m，基本顶为粉砂岩，平均厚度为9.2m。该矿采用综放开采工艺采煤，采煤高度3m，放煤高度12m，煤炭采出率取75％。

室内实验得到煤体的碎胀系数为1.3，直接顶碎胀系数为1.2，基本顶弹性模量为4.39GPa，基本顶粘性模量为85.34GPa，冒落直接顶的抗压强度为63MPa，破碎顶煤的抗压强度为17MPa。

(2)代入公式(1)得到基本顶最大下沉量w_max

W_max＝M+∑h-∑h·k₁-(1-α)M·k₂＝15+6-6·1.2-(1-75％)·15·1.3＝8.925

若不考虑煤体的碎胀性，基本顶最大下沉量为13.8m，远大于实际的8.925m，可见，考虑煤体放出率与碎胀特性更加符合基本顶运动规律。

(3)代入公式(3)得到煤岩体破碎后的综合抗压强度为13.38MPa。

代入公式(2)得到基本顶运动的动态方程

w(t)＝6.27·(1-e^-0.026t)

(4)以基本顶下沉到最大值的70％为指标，得到T₁为221天。

第二步：以巷道围岩变形情况为指标，确定合理开掘时间T₂

(1)在201工作面1的相邻侧开掘用于监测用巷道2；由于特厚煤层覆岩运动剧烈且影响周期较长，测站3距离停采线距离L大于1000m。

(2)测站内巷道监测断面，如图2所示，在监测断面顶板内设置监测钻孔4，顶板钻孔深度为18m，即顶煤与直接顶厚度之和，钻孔直接取40mm；a为巷道宽度的一半。安排专门技术人员每天对顶板裂隙发育情况进行监测与记录。

(3)以测站与工作面推进位置为横坐标，顶板裂隙深度为纵坐标，绘制曲线图，如图3所示。监测工作自工作面经过测站开始，至工作面推过测站1050m结束。

(4)确定顶板裂隙发育最大深度ρ_max＝15.12m确定裂隙密度达到80％ρ_max＝12.1m时，工作面推过测站734m。

(5)根据特厚煤层工作面推进速度3m/天，得出裂隙密度达到80％ρ_max所需要的时间T₂＝244天。

第三步：确定合理的沿空巷道开掘时间T。

(1)确定基本顶当量参数P、煤体当量参数σ

基本顶初次来压步距C₀取30m，直接顶充填系数N取1.3，煤层采高h_m取3m，代入公式(5):

P＝241.3ln(c₀)-15.5N+52.6h_m＝958

室内实验得到煤体煤体单轴抗压强度σ_c取24MPa，煤体裂隙发育程度系数GSI取90，采动影响指数D取0.6，煤体常量m_i取5，代入公式(6)：

(2)确定权重系数

其中，P＝958，σ＝1.994，根据表1，可知a＝0.4，b＝0.6。

(3)计算合理掘进时间

将相关参数代入公式(7)

即最佳合理沿空掘巷时间为234.8天。

Claims (1)

1.一种定量判断特厚煤层沿空巷道开掘时间的双指标方法，其特征在于，分为如下步骤：

第一步，以基本顶下沉量为指标，确定沿空掘巷开掘时间T₁

步骤1.1)现场调研与室内实验

调研基本顶、直接顶、煤体厚度和煤层采出率；实验室测得直接顶与煤体碎胀系数，基本顶岩层的弹性模量与粘性模量；

步骤1.2)基本顶最大下沉量计算

考虑到特厚煤层开采过程煤体采出率低及煤、岩体碎胀特性、强度差异性，近25％未采出的煤体将随直接顶一起冒落并抑制基本顶下沉，据此确定基本顶的最大下沉量W_max，其表达式如下：

W_max＝M+∑h-∑h·k₁-(1-α)M·k₂ (1)

式中，M为开采煤层厚度，∑h为直接顶岩层厚度，k₁为冒落岩体的碎胀系数，k₂为碎裂煤体的碎胀系数，α为顶煤放出率，15m以上特厚煤层α＝75％。

15m以上特厚煤层开采过程中，基本顶沉降的动态方程表达式如下：

式中，q_Z为基本顶所受到的岩层载荷，l_m为基本顶的断裂步距，E和η为基本顶的弹性模量与粘性模量，F为冒落煤岩体的综合抗压强度；F的关系式如下：

式中，F₁为冒落岩体的抗压强度，F₂为冒落顶煤的抗压强度；动态方程(2)属于指数函数，其导数表示基本顶下沉速率；由指数函数特点可知，随着时间增大，基本顶下沉速率将逐渐减小，即当基本顶下沉量达到某一临界指标时，基本顶下沉速率将大幅降低并趋近于0；以基本顶最大下沉量的70％作为临界指标，当基本顶下沉量达到70％W_max临界指标时，基本顶下沉运动将趋于缓慢并稳定，运动速率低，不会再发生剧烈结构性运动，对下位岩体稳定性影响小，即

第二步，以巷道围岩裂隙发育深度为时间指标，确定合理开掘时间T₂

步骤2.1)在特厚煤层工作面侧向建立一个监测测站，该监测测站位于相邻工作面生产系统范围内，而非本工作面超前巷道内；

步骤2.2)在监测测站断面内增打顶板，顶板钻孔深度为顶煤与直接顶厚度之和；

步骤2.3)监测自工作面经过测站开始，直至巷道围岩应力趋于稳定时结束，以测站与工作面推进位置为横坐标，顶板裂隙密度为纵坐标，绘制曲线图，分别确定顶板裂隙发育最大深度ρ_max；

步骤2.4)根据工作面推进速度，确定裂隙深度达到80％ρmax，所需要的时间T₂；

第三步，确定合理的沿空巷道开掘时间T

步骤3.1)确定基本顶当量参数P、煤体当量参数σ

基本顶当量参数P是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

P＝241.3ln(c₀)-15.5N+52.6h_m (5)

式中，C₀为基本顶初次来压步距、N直接顶充填系数、h_m为煤层采高；

煤体当量参数σ是对岩体力学性能的综合评价，其表达式如下：

式中，σ_c为煤体单轴抗压强度，GSI为煤体裂隙发育程度系数，D为采动影响指数，m_i为煤体常量；

步骤3.2)确定权重系数

根据基本顶P与煤体当量参数σ确定两指标相应的权重T₁、T₂，其中a为T₁占的权重，b为T₂占的权重；

步骤3.3)计算合理掘进时间

将权重因子a、b组成矩阵A

第一、二步得出的沿空煤巷掘巷时间T₁，T₂组成矩阵B

计算合理采掘时间T

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