CN113586052A - 一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构及开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构及开采方法，包括被保护层回风巷、保护层上进风巷、保护层下进风巷、被保护层进风巷、被保护层切眼、保护层里切眼，所述保护层上进风巷、保护层下进风巷位于被保护层回风巷与被保护层进风巷连通形成的循环体的上部或下部，保护层里切眼设置在被保护层切眼的上部或下部。本发明通过确定深部矿井煤层群保护层与被保护层，优化设计保护层与被保护层间距、保护层厚度，确定保护层开采生产系统以及钻孔及瓦斯压力监测系统。可为深部强突出煤层群出现无适宜煤层作为保护层开采的技术条件提供一种新方法，以实现强突出煤层群的安全开采。
Description
技术领域
本发明深部矿井保护层开采技术领域，具体涉及一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构及开采方法。
背景技术
随着开采深度的增加，煤矿出现了高地应力、高瓦斯、低渗透性和低强度煤体的现象，原有的安全保障技术不满足高效生产的需求，先后也发生过煤与瓦斯事故，对安全生产造成了威胁，严重制约着煤矿安全发展。另一方面，受深部岩体赋存环境影响，地质条件的复杂性增大，煤层群开采条件煤层瓦斯压力、瓦斯含量、绝对瓦斯涌出量较浅部煤层大，而煤层透气性进一步降低，导致原作为保护层开采的无突出危险煤层或突出危险性较小的煤层升级为突出煤层或强突出煤层，可供选择的煤层保护层越来越少，首采煤层难以选择、区域性瓦斯治理难度极大，传统煤层保护层开采方式遭遇巨大挑战。千米深井强突出煤层群出现无适宜煤层作为保护层开采的技术条件时，区域性瓦斯治理将成为制约矿井高产高效的技术瓶颈。因此迫切需要寻求一种解决此类开采条件下区域性瓦斯治理难题的技术措施。
发明内容
本发明通过确定深部矿井煤层群保护层与被保护层，优化设计保护层与被保护层间距、保护层厚度，确定保护层开采生产系统以及钻孔及瓦斯压力监测系统。可为深部强突出煤层群出现无适宜煤层作为保护层开采的技术条件提供一种新方法，以实现强突出煤层群的安全开采。
为达到上述目的，本发明提供的上述一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，包括被保护层回风巷、保护层上进风巷、保护层下进风巷、被保护层进风巷、被保护层切眼、保护层里切眼，所述保护层上进风巷、保护层下进风巷位于被保护层回风巷与被保护层进风巷连通形成的循环体的上部或下部，保护层里切眼设置在被保护层切眼的上部或下部。
优选的，保护层工作面通过保护层里切眼与保护层上进风巷和保护层下进风巷连通，被保护层工作面通过被保护层切眼与被保护层回风巷和被保护层进风巷连通。
进一步地，所述被保护层切眼前方布置有监测点，所述监测点位于被保护层回风巷、被保护层进风巷内。
进一步地，所述监测点距切眼40m处开始向外布置。
进一步地，所述被保护层回风巷、被保护层进风巷内各布置有3个监测点，监测点在被保护层回风巷、被保护层进风巷内均匀间隔分布。
进一步地，所述监测点之间的间隔距离为30m。
优选的，开采方法包括如下步骤：
步骤1，对于深部矿井地质环境探测，获取地层厚度、应力条件、瓦斯参数。基于《保护层开采技术规范》和《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，初步确定煤层群的保护层与被保护层；
步骤2，在各岩层中采集试样，进行物理力学试验，获取煤岩的物理力学参数，基于Hoek-Brown准则确定煤岩体参数；
步骤3，结合收集的地质资料以及测定的煤岩体参数，通过计算机数值模拟软件FLAC3D进行数值模拟，构建深部煤层群数值模型；
步骤4，将模型中的保护层与被保护层间距恒定而改变保护层厚度，或者将保护层厚度恒定而改变保护层与被保护层的层间距，进而分析被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律，根据被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律进行保护层与被保护层的层间距、保护层开采厚度的优化设计；
步骤5，设计近全岩保护层开采生产系统，进行开采工作面优化布置；
步骤6，建立钻孔及瓦斯压力监测系统，分析被保护层卸压效果。
进一步地，步骤1中所述应力条件包括最大主应力、最小主应力、垂直应力；所述瓦斯参数包括瓦斯浓度、瓦斯压力。
进一步地，在步骤3中，所述数值模型尺寸足够大，满足圣维南原理；
所述数值模型采用摩尔库仑准则；
所述数值模型顶端施加等效的载荷模拟上方自重荷载，模型四周约束水平方向位移。模型底端固定位移；
所述数值模型采用流固耦合计算分析。
进一步地，步骤4中所述分析被保护层膨胀变形率及瓦斯压力演化规律，被保护层膨胀变形率大于0.3％，被保护层瓦斯压力小于0.74MPa达到瓦斯卸压效果。
相比现有的技术，本发明具有以下技术效果：
1、本发明给出了近距离极薄保护层开采方法；
2、本发明将仅含煤线厚夹矸的全岩或近全岩层设计为保护层；
3、本发明通过开采保护层使裂隙贯通被保护层，使被保护煤层透气性增加，实现增透卸压，最终将被保护层煤炭安全采出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的开采生产示意图；
图2为本发明的被保护层钻孔及瓦斯压力监测点布置示意图；
图3为本发明的开采方法流程示意图；
图4为本发明的不同保护层厚度下被保护层膨胀变形率演化规律示意图；
图5为本发明的不同保护层厚度下被保护层瓦斯压力演化规律示意图；
图6为本发明的不同层间距下被保护层膨胀变形率演化规律示意图；
图7为本发明的不同层间距下被保护层瓦斯压力演化规律示意图；
图8为本发明中所用到的物理学参数表；
图9为本发明中方案对照表；
图标：1-被保护层回风巷、2-保护层上进风巷、3-保护层下进风巷、4-被保护层进风巷、5-被保护层切眼、6-保护层里切眼、7-监测点。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例
如图1、图2所示一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，包括被保护层回风巷1、保护层上进风巷2、保护层下进风巷3、被保护层进风巷4、被保护层切眼5、保护层里切眼6，所述保护层上进风巷2、保护层下进风巷3位于被保护层回风巷1与被保护层进风巷4连通形成的循环体的上部或下部，保护层里切眼6设置在被保护层切眼5的上部或下部；保护层工作面通过保护层里切眼6与保护层上进风巷2和保护层下进风巷3连通，被保护层工作面通过被保护层切眼5与被保护层回风巷1和被保护层进风巷4连通；被保护层切眼5前方布置有监测点7，所述监测点7位于被保护层回风巷1、被保护层进风巷4内；监测点7距被保护层切眼540m处开始向外布置；被保护层回风巷1、被保护层进风巷4内各布置有3个监测点7，监测点7在被保护层回风巷1、被保护层进风巷4内均匀间隔分布；监测点7之间的间隔距离为30m。
开采方法包括步骤：
步骤1，对于深部矿井地质环境探测，获取地层厚度、应力条件、瓦斯参数。基于《保护层开采技术规范》和《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，初步确定煤层群的保护层与被保护层；
步骤2，在各岩层中采集试样，进行物理力学试验，获取煤岩的物理力学参数，基于Hoek-Brown准则确定煤岩体参数；
步骤3，结合收集的地质资料以及测定的煤岩体参数，通过计算机数值模拟软件FLAC3D进行数值模拟，构建深部煤层群数值模型；
步骤4，将模型中的保护层与被保护层间距恒定而改变保护层厚度，或者将保护层厚度恒定而改变保护层与被保护层的层间距，进而分析被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律，根据被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律进行保护层与被保护层的层间距、保护层开采厚度的优化设计；
步骤5，设计近全岩保护层开采生产系统，进行开采工作面优化布置；
步骤6，建立钻孔及瓦斯压力监测系统，分析被保护层卸压效果。
步骤1中所述应力条件包括最大主应力、最小主应力、垂直应力；所述瓦斯参数包括瓦斯浓度、瓦斯压力。
步骤2所述物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、渗透系数和孔隙率，如图8所示。
在步骤3中，所述数值模型尺寸足够大，满足圣维南原理；
所述数值模型采用摩尔库仑准则；
所述数值模型顶端施加等效的载荷模拟上方自重荷载，模型四周约束水平方向位移。模型底端固定位移；
所述数值模型采用流固耦合计算分析。
步骤4所述将模型中的保护层与被保护层间距恒定、改变保护层厚度，以及保护层厚度恒定、改变保护层与被保护层的层间距，模型其他条件保持不变。变化条件如表9所示。
步骤4中所述分析被保护层膨胀变形率及瓦斯压力演化规律，被保护层膨胀变形率大于0.3％，被保护层瓦斯压力小于0.74MPa达到瓦斯卸压效果。
步骤5所述近全岩保护层开采生产系统主要包括运煤系统、运矸系统、运料系统及通风系统等；近全岩保护层工作面开采产生的煤矸直接运送至洗选硐室，洗选后的矸石作为回填原材料，由于矸石回填系统运送至被保护层充填协同垮落式工作面进行充填。
步骤6所述钻孔及瓦斯压力监测系统包括在保护层工作面切眼前方40m处布置瓦斯压力监测点，并每隔30m布置一个监测点，钻孔及瓦斯压力监测点布置，在被保护层进风巷1、被保护层回风巷4内各布置3个瓦斯压力监测点。
如图4、5、6、7所示，所述分别为不同保护层厚度下被保护层膨胀变形率演化规律、不同保护层厚度下被保护层瓦斯压力演化规律、不同层间距下被保护层膨胀变形率演化规律、不同层间距下被保护层瓦斯压力演化规律。基于模拟结果，结合工程实际可知保护层与被保护层间距为12m、保护层开采厚度为1.9m。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：包括被保护层回风巷(1)、保护层上进风巷(2)、保护层下进风巷(3)、被保护层进风巷(4)、被保护层切眼(5)、保护层里切眼(6)，所述保护层上进风巷(2)、保护层下进风巷(3)位于被保护层回风巷(1)与被保护层进风巷(4)连通形成的循环体的上部或下部，保护层里切眼(6)设置在被保护层切眼(5)的上部或下部。
2.根据权利要求1所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：保护层工作面通过保护层里切眼(6)与保护层上进风巷(2)和保护层下进风巷(3)连通，被保护层工作面通过被保护层切眼(5)与被保护层回风巷(1)和被保护层进风巷(4)连通。
3.根据权利要求2所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：所述被保护层切眼(5)前方布置有监测点(7)，所述监测点(7)位于被保护层回风巷(1)、被保护层进风巷(4)内。
4.根据权利要求3所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：所述监测点(7)距被保护层切眼(5)40m处开始向外布置。
5.根据权利要求3所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：所述被保护层回风巷(1)、被保护层进风巷(4)内各布置有3个监测点(7)，监测点(7)在被保护层回风巷(1)、被保护层进风巷(4)内均匀间隔分布。
6.根据权利要求5所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于：所述监测点(7)之间的间隔距离为30m。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种深部矿井近距离极薄保护层开采布置结构，其特征在于，开采方法包括如下步骤：
步骤1，对于深部矿井地质环境探测，获取地层厚度、应力条件、瓦斯参数。基于《保护层开采技术规范》和《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，初步确定煤层群的保护层与被保护层；
步骤2，在各岩层中采集试样，进行物理力学试验，获取煤岩的物理力学参数，基于Hoek-Brown准则确定煤岩体参数；
步骤3，结合收集的地质资料以及测定的煤岩体参数，通过计算机数值模拟软件FLAC3D进行数值模拟，构建深部煤层群数值模型；
步骤4，将模型中的保护层与被保护层间距恒定而改变保护层厚度，或者将保护层厚度恒定而改变保护层与被保护层的层间距，进而分析被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律，根据被保护层膨胀变形率和瓦斯压力的演化规律进行保护层与被保护层的层间距、保护层开采厚度的优化设计；
步骤5，设计近全岩保护层开采生产系统，进行开采工作面优化布置；
步骤6，建立钻孔及瓦斯压力监测系统，分析被保护层卸压效果。
8.根据权利要求7所述的开采方法，其特征在于：步骤1中所述应力条件包括最大主应力、最小主应力、垂直应力；所述瓦斯参数包括瓦斯浓度、瓦斯压力。
9.根据权利要求7所述的开采方法，其特征在于：在步骤3中，所述数值模型尺寸足够大，满足圣维南原理；
所述数值模型采用摩尔库仑准则；
所述数值模型顶端施加等效的载荷模拟上方自重荷载，模型四周约束水平方向位移。模型底端固定位移；
所述数值模型采用流固耦合计算分析。
10.根据权利要求7所述的开采方法，其特征在于：步骤4中所述分析被保护层膨胀变形率及瓦斯压力演化规律，被保护层膨胀变形率大于0.3％，被保护层瓦斯压力小于0.74MPa达到瓦斯卸压效果。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114961696A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-30 | 西安科技大学 | 一种本煤层定向长钻孔孔内瓦斯参数检测方法 |
| CN116163730A (zh) * | 2022-04-12 | 2023-05-26 | 四川大学 | 一种薄煤层钻机双向前进充填开采及二氧化碳封存的方法 |
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- 2021-07-09 CN CN202110780902.1A patent/CN113586052A/zh active Pending
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