CN113982686B - 近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法及系统，该方法包括：基于“采空区钻探与取芯+三维激光扫描+积水探测”的覆岩及房柱破坏综合勘察；根据综合勘察成果，计算分析房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数以及受房柱式采空区的上煤层开采扰动、采空区积水和空气影响的稳定系数；在自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；在水裂缝带高度大于房柱式采空区与下煤层之间的间距的情况下，确定先对下煤层进行开采，破坏房柱式采空区中的残留房柱后，再对上煤层蹬空破坏后的房柱式采空区进行开采。本发明降低采煤成本和实施工程量、便于实施且提高开采安全性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法及系统。
背景技术
对于煤层群开采工艺，先开采下部煤层，后开采上部煤层，称为上行开采，这是一种特殊开采顺序的开采方法。煤层群一般采用下行顺序开采，即先开采上部煤层，间隔一定时间后，依次开采下部煤层。但是，在某些特殊条件下，有时需要采用上行顺序进行开采，以达到快速实现矿井生产能力、缓解采区生产接续矛盾、安全生产以及提高资源回收率的目的。
房柱式采煤法和房式采煤法同属于柱式体系采煤法。柱式体系采煤法的实质是：在煤层中开掘一系列宽5至7m左右的煤房，煤房间以一定间隔开掘联络巷，形成长条形或方形煤柱，煤柱宽度由几米至二十多米不等。采煤工作在煤房中进行。煤柱可根据条件留下不采，或在煤房采完后再采，前者称为房式采煤法，后者称为房柱式采煤法。按装备不同，柱式体系采煤法分钻眼爆破工艺和高度机械化的连续采煤机采煤工艺两大类。
煤层采用房柱式采煤法开采后，采空区遗留了大量小尺寸煤柱，采空区顶板岩层大部分没有垮落，处于悬空或局部垮落状态。随着时间的推移，房柱式采空区内的煤柱由于长期处于受压状态，其稳定性逐步降低，在自然状态下也有可能发生失稳垮塌现象。如果在房柱式采空区上方进行煤层开采活动，特别是高强度的长壁机械化开采活动，在外力的扰动下，房柱式采空区发生大面积煤柱失稳，进而形成房柱式采空区顶板岩层大面积垮落的可能性是很高的。因此，房柱式采空区近距煤层开采存在较大的安全隐患。
对于近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，尚无成熟、可借鉴的标准化方法。目前较为常用的方法为：①蹬空房柱式采空区稳定性评估方法，该方法通过垮落带与裂缝带发育、覆岩破坏特征、上煤层完整性分析、下部残留房柱式采空区煤柱稳定性分析、上部煤层开采扰动影响作用下的残留房柱或覆岩结构稳定性判别等一系列分析研究，若是蹬空房柱式采空区安全可行，则直接进行蹬空房柱式采空区进行开采；②房柱式采空区注浆治理后的蹬空房柱式采空区采煤方法，该方法是超前于上部长壁工作面一定时间或一定距离，进行下部房柱式采空区的注浆治理，保证扰动应力下的下部房柱或覆岩结构的稳定性，而后进行的房柱式采空区蹬空开采；③房柱式采空区的残留房柱加固后的蹬空开采方法，该方法通过在房柱旁单侧或双侧全部充填的方法，使得充填体与房柱共同作用并承担上覆岩层压力，从而实现刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采；④人工制冷冻结房柱式采空区积水的蹬空开采方法，该方法利用人工制冷技术分段冻结采空区煤柱间积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，而后进行上覆蹬空煤层开采的特殊开采方法。⑤房柱式采空区残留煤柱强制爆破后的蹬空开采方法，该方法是水压致裂、深孔爆破、二氧化碳冷爆破等，强制爆破残留房柱，等待一定时间且垮落岩块压实稳定后，进行的房柱式采空区蹬空开采方法。
其中，①下部房柱式采空区采用注浆后的房柱式蹬空开采，一方面需要在井下或地面实施钻探工程，且大多需要设立地面注浆材料拌和站，进行充填浆液的拌和以及泵送等工作，投入工程量较大、投入成本较大，且影响煤层群的其它工作面生产接续。②蹬空房柱式采空区稳定性评估方法，只是对近距离煤层群房柱式采空区的蹬空开采可行性进行评价，提供的评价结果是蹬空开采的前期工作，尚不能指导近距离煤层群房柱式采空区的蹬空开采；③房柱式采空区的残留房柱加固后的蹬空开采方法，虽然较采空区全部注浆充填法节省充填材料，但该方法仍不能避免钻孔施工、地面充填泵站、充填材料泵送等工程及设施的建设，同时残留煤房加固技术只是一种假设。无论是安监局、矿方，还是施工方，都不会允许采空区内大面积作业，甚至不会同意采空区人员进入，有待进一步验证实施。④人工制冷冻结房柱式采空区积水的蹬空开采方法，该方法理论性较强，可实施的技术难度及管理复杂性仍值得详细规划。⑤房柱式采空区残留煤柱强制爆破后的蹬空开采方法，通过强制爆破下部房柱式采空区的残留煤柱，但该类爆破可引发周边工作面的安全生产，同时爆破工作的自身的安全性与成本较大，经济成本投入大与安全管理难度大。
发明内容
本发明提供一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法及系统，用以解决现有技术中近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法成本高、实施工程量大、实施困难，且安全性低的缺陷，实现降低采煤成本和实施工程量、便于实施且提高安全性。
本发明提供一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，包括：
计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数，包括：
根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数；
根据所述煤房的尺寸和采深、残留房柱的尺寸、应力、受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度，以及所述覆岩容重和受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动的最大应力，计算所述残留房柱受影响的稳定系数。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述根据所述煤房的尺寸和采深、残留房柱的尺寸、应力、受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度，以及所述覆岩容重和受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动的最大应力，计算所述残留房柱受影响的稳定系数，之前还包括：
对所述房柱式采空区进行积水探测，在所述房柱式采空区存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行饱水状态下的物理力学性质测试，获取所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度；
根据所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第一预设强度折减系数、受空气影响的第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第一预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数均小于1。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述对所述房柱式采空区进行积水探测之后，还包括：
在所述房柱式采空区不存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样在天然状态下进行物理力学性质测试，获取所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度；
根据所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第三预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第三预设强度折减系数等于1。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：
基于三维激光扫描设备获取所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深，以及所述残留房柱的尺寸。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：
对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行物理力学性质测试，获取所述房柱式采空区的覆岩容重。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述上煤层的开采时间比所述下煤层的开采时间滞后的时长大于第二预设阈值；
所述上煤层的开采工作面比所述下煤层的开采工作面滞后的水平距离大于第三预设阈值；
所述上煤层的开采边界比所述下煤层的开采边界之间的内错水平距离大于第四预设阈值；
所述下煤层的相邻开采工作面之间的煤柱宽度大于第五预设阈值。
根据本发明提供的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，所述确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采，之后还包括：
对所述上煤层的开采工作面进行矿压和微震监测，根据监测结果进行预警。
本发明还提供一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤系统，包括：
第一计算模块，用于计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
第二计算模块，用于用于在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
确定模块，用于在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法的步骤。
本发明提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法及系统，通过利用下煤层开采引起的矿山压力与移动变形扰动作用下，造成残留煤柱的失稳性或变形性破坏，继而上部煤层蹬空双层采空区，即下部失稳后的房柱式采空区及更深部的长壁综采面采空区进行安全回采，降低采煤成本和实施工程量，便于实施，安全性更有保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法的流程示意图；
图2是本发明提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤系统的结构示意图；
图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
下面结合图1描述本发明的一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，包括：步骤101，计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
首先，对近距离煤层群开采矿井的地质采矿资料进行收集与分析，确定分析矿井的岩性和上覆岩土层结构特征等，分析各煤层的赋存厚度、层间距、开采方法和开采时间等特征，分析房柱式采煤的采煤厚度、开采时间、房柱尺寸和采出率等。
例如某试验煤矿属近水平、浅埋、近距离煤层群开采。煤层倾角平均1°左右，局部达5°；矿井采用斜井开拓，有1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2共计5个可采煤层。现分述如下：
1、1-2上煤层埋藏深度为40.94至68.98m，煤层可采厚度为0.80至3.20，平均厚度1.85m。1-2上煤层与下伏1-2煤层的间距为1.24至6.23m，均值为4.20m。
2、1-2煤层厚度为0.57至5.58m，煤层可采厚度为0.80至5.58m，平均厚度为3.20m，煤层埋深为44.23至75.91m。1-2煤层与下伏2-2煤层的间距为19.46至30.57m，均值为24.75m。
3、2-2煤层厚度为0.2至5.45m，平均厚度为4.29m，采区可采厚度为0.80至5.45m，煤层埋深71.03～107.75m。2-2煤层与下伏3-1煤层的间距为32.44至38.82m，均值为35.47m。
4、3-1煤层厚度为1.48至3.64m，平均厚度为2.68m，可采厚度为1.48至3.64m，埋深为114.53至143.94m。3-1煤层与下伏4-2煤层的间距为34.15至45.16m，均值为38.14m。
5、4-2煤层厚度为1.8至2m，平均煤厚为1.92m，煤层埋深为165.39至181.38m。
由于二盘区2-2煤层厚度大，煤层结构单一，开采条件优越，在上部的1-2上、1-2煤层还未开采的情况下，先对2-2煤层进行了开采。根据调查、收集资料得知，2-2煤层大范围开采时间为2004至2009年，采煤工艺采用相对规则的小面依次推进采煤，采煤方式为房柱式炮采。
试验煤矿原首采盘区为二盘区，首采煤层为2-2煤层，采煤方法为房柱式开采。二盘区2-2煤层已用房柱式采煤法开采完毕，煤柱宽为6至8m，煤房宽为5至7m，采出率约50％至70％。由于二盘区2-2煤房柱式采空区的存在，影响到1-2和1-2上煤组的开采。
然后，对现状下的房柱式采空区的覆岩及煤柱进行稳定性分析。利用多层岩梁顶板载荷计算理论与关键层理论，计算与分析覆岩的极限垮落距。并对根据煤柱载荷和煤柱强度计算公式，计算不同开采尺寸条件下煤柱的稳定性系数，分析与判断现状条件下房柱式采空区中残留煤柱的稳定性。同时对上煤层开采扰动应力、采空区积水和空气因素影响下的蹬空房柱式采空区进行稳定性判断。
步骤102，在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
对于房柱式开采，如果残留房柱的自身稳定系数大于或等于第一预设阈值，如1.5，则残留房柱满足长期稳定性，可以对上煤层1-2煤层进行开采。如果自身稳定系数小于第一预设阈值，则残留煤柱不满足长期稳定性。
如果残留房柱的自身稳定系数小于第一预设阈值，且受上煤层开采扰动影响后的稳定系数大于或等于第一预设阈值，说明上煤层采动时残留房柱可以保持稳定，可以对上煤层1-2煤层进行开采。
如果残留房柱的自身稳定系数和受上煤层开采扰动、采空区积水和空气因素影响的稳定系数均小于第一预设阈值，则说明上煤层采动时残留房柱不能保持稳定，不能对上煤层1-2煤层进行开采。
步骤103，在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
最后，对下煤层开采影响下房柱式残留煤柱的稳定性进行分析。依据两带高度经验计算公式判别法和两带高度工程类比法进行判别。
试验矿井二盘区2-2煤房柱式采空区的下方约35m处赋存有3-1煤，3-1煤层平均采厚2.6m，岩层属性为中硬。根据导水裂缝带发育高度计算公式，3-1煤布置长壁工作面开采后的导水裂缝带高度为：
式中Hli为导水裂缝带最大高度，单位是m；ΣM为累计采厚，单位为m。
对试验矿井实施两带高度勘察工作，该工作面属于试验矿井的一盘区，2-2煤与3-1煤层间距为36.1m。钻孔深度为180.3m，钻进至70m深度时，裂隙发育，孔内不返水，实测3-1煤垮落带高度14.00m，导水裂缝带与上部2-2煤房柱式采空区联通，即导水裂缝带高度大于间距36.1m。
依据两带高度经验公式计算3-1煤布置长壁工作面开采后的导水裂缝带高度39.1m。依据两带高度工程类比法可知3-1煤布置长壁工作面开采后导水裂缝带与上部的2-2煤房柱式采空区联通。由此可知，3-1煤布置长壁工作面开采后上部岩层破断、裂隙可直接影响2-2煤残留房柱的整体性与稳定性。在矿山压力作用下，残留煤柱伴随着3-1煤上部岩层的移动变形将发生失稳破坏。
为保证上煤层经济、安全开采，先开采房柱式采空区下部的煤层，在矿山压力作用下破坏残留煤柱的稳定性，岩层移动变形相对稳定后，再进行上煤层的开采。
本实施例通过利用下煤层开采引起的矿山压力与移动变形扰动作用下，造成残留煤柱的失稳性或变形性破坏，继而上部煤层蹬空双层采空区，即下部失稳后的房柱式采空区及更深部的长壁综采面采空区进行安全回采，降低采煤成本和实施工程量，便于实施，安全性更有保障。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数，包括：根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数；
试验矿井现状条件下残留煤柱的自身稳定系数计算结果如表1所示。
表1房柱式采空区煤柱现有稳定系数
| 类别 | 采5m留6m | 采6m留7m | 采7m留8m |
| 2-2煤平均开采厚度(m) | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
| 2-2煤煤柱宽度×长度(m) | 6×6 | 7×7 | 8×8 |
| 2-2煤煤柱宽高比W/h | 1.71 | 2.0 | 2.28 |
| 2-2煤煤柱强度(MPa) | 8.88 | 9.61 | 10.33 |
| 2-2煤煤房开采宽度(m) | 5.0 | 6.0 | 7.0 |
| 覆岩容重(MPa/m) | 0.025 | 0.025 | 0.025 |
| 2-2煤煤柱应力(MPa) | 8.15 | 8.36 | 8.52 |
| 2-2煤煤柱现有稳定系数 | 1.09 | 1.15 | 1.21 |
根据试验区二盘区2-2煤层的地质采矿条件计算得到，2-2煤层房柱式采空区残留煤柱现有稳定系数在1.09至1.21之间，该数值小于1.5，不能满足煤柱的长期稳定性。
根据所述煤房的尺寸和采深、残留房柱的尺寸、应力、受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度，以及所述覆岩容重和受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动的最大应力，计算所述残留房柱受影响的稳定系数。
试验矿井上煤层开采扰动应力影响下的残留煤柱的稳定系数计算结果如表2所示。
表2 2-2煤房柱式煤柱受1-2煤层长壁单工作面开采影响煤柱稳定系数计算
| 类别 | 采5m留6m | 采6m留7m | 采7m留8m |
| 2-2煤平均采深 | 97 | 97 | 97 |
| 2-2煤平均开采厚度(m) | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
| 2-2煤煤柱宽度×长度(m) | 6×6 | 7×7 | 8×8 |
| 2-2煤煤柱宽高比W/h | 1.71 | 2.0 | 2.28 |
| 2-2煤煤柱强度(MPa) | 8.88 | 9.61 | 10.33 |
| 2-2煤煤房开采宽度(m) | 5.0 | 6.0 | 7.0 |
| 覆岩容重(MPa/m) | 0.025 | 0.025 | 0.025 |
| 2-2煤煤柱应力(MPa) | 8.15 | 8.36 | 8.52 |
| 2-2煤受采动影响后最大应力 | 9.576 | 9.786 | 9.946 |
| 2-2煤受采动影响后的稳定系数 | 0.93 | 0.98 | 1.04 |
可见，由于1-2煤与2-2煤的层间距较小，1-2煤层开采对2-2煤层产生的附加应力较大。考虑2-2煤房柱采空区煤柱原有载荷的大小，则2-2煤层房柱采空区煤柱在1-2煤层长壁开采支承压力影响下煤柱所受的实际应力和稳定性系数如表2所示。可见在1-2煤层长壁开采支承压力影响下，2-2煤层房柱采空区煤柱的稳定性系数降低，稳定系数在0.93至1.04之间，煤柱的稳定性小于1.5，不能够保持稳定。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数，之前还包括：对所述房柱式采空区进行积水探测，在所述房柱式采空区存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行饱水状态下的物理力学性质测试，获取所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度；根据所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第一预设强度折减系数、受空气影响的第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第一预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数均小于1。
具体地，在下部煤层为房柱式采空区的开采条件下，分析现有残留煤柱受采空区积水的影响下上煤层蹬空开采的可行性。引入采空区积水影响下煤体第一强度折减系数K1和第二强度折减系数K2。
通过对不同氧化时间，即暴露于空气中的时间的煤样进行物理力学性质测试，回归得到煤体强度-时间函数。根据空气因素影响时间条件的差异，确定空气因素影响下的第二强度折减系数K2。
应用积水探测技术获取房柱式采空区的积水情况。例如通过孔中窥视仪观测2-2煤采空有少量积水，测量积水高度为0.15至0.35m。如果房柱式采空区存在积水，残留煤柱的稳定性会受到采空区积水影响。对房柱式采空区进行钻探取芯的煤样进行实验室饱水状态物理力学性质测试，得到饱水状态煤样的单轴抗压强度为σc2。
根据单轴抗压强度σc2计算残留房柱的强度后乘以第一强度折减系数K1和第二强度折减系数K2，得到残留房柱的最终强度。根据残留房柱的最终强度判定残留房柱的稳定性。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述对所述房柱式采空区进行积水探测之后，还包括：在所述房柱式采空区不存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样在天然状态下进行物理力学性质测试，获取所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度；根据所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第三预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第三预设强度折减系数等于1。
具体地，应用积水探测技术获知房柱式采空区内不存在积水的情况下，对钻探取芯的煤样进行实验室天然状态物理力学性质测试，得到天然状态煤样的单轴抗压强度为σc1。本实施例不限于残留房柱强度的具体计算方法。根据轴抗压强度为σc1乘以第一强度折减系数K1和第三强度折减系数K3，得到残留房柱的最终强度。根据残留房柱的最终强度判定残留房柱的稳定性。K3＝1。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：基于三维激光扫描设备获取所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深，以及所述残留房柱的尺寸。
具体地，通过三维激光扫描技术获取房柱式采空区残留煤柱的尺寸及开采尺寸等信息。对煤柱、房仓及纵置通道的参数分别进行统计，并对采空顶板特征进行三维立体展示与描述。
例如，煤柱长6.34至9.28m，平均7.81m，宽8.37至9.54m，平均8.96m。房仓宽6.15至8.38m，平均7.27m。探测高度2.2至3.05m，平均2.63m。纵置通道宽5.66至9.78m，平均7.72m；探测高度2.38至3.14m，平均2.76m。煤柱及房仓参数接近调查结果中采7m留8m的采煤方式，通道的宽度与调查宽度5.5m有一定偏差，采空空腔的探测高度较调查采高3.8m偏小，推测因顶板冒落造成。纵置通道走向方位与调查掌握的情况基本一致。
本实施例对于房柱式采空区，形成采空区钻探与取芯、三维激光扫描，以及积水探测的覆岩及房柱破坏综合勘察技术，判断并掌握房柱式采空区房柱开采及残留房柱的尺寸、采空区积水、覆岩及房柱破坏情况。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行物理力学性质测试，获取所述房柱式采空区的覆岩容重。
上述各实施例的基础上，本实施例中所述上煤层的开采时间比所述下煤层的开采时间滞后的时长大于第二预设阈值；
合理的滞后开采时间是上行开采成功的重要前提。综合工程类比、经验统计及覆岩移动活跃期分析，为尽可能降低掘巷、回采期间的安全风险，试验煤矿1-2煤上行开采的滞后时间不少于5个月，在采掘接替时间允许的情况下，尽可能延长该时间。
所述上煤层的开采工作面比所述下煤层的开采工作面滞后的水平距离大于第三预设阈值；
从覆岩移动活跃期角度出发，若上下煤层工作面上下对齐布置，则沿工作面推进方向，试验煤矿1-2煤开采工作面应滞后于3-1煤层生产工作面的水平距离至少为1200m。
所述上煤层的开采边界比所述下煤层的开采边界之间的内错水平距离大于第四预设阈值；
考虑到下部工作面的沉陷影响，试验煤矿1-2煤层上行开采边界相对于3-1煤层开采边界的内错水平距离应大于36.8m。
所述下煤层的相邻开采工作面之间的煤柱宽度大于第五预设阈值。
3-1煤在进行工作面布置时，应尽可能减小相邻工作面之间的煤柱尺寸，不应大于现有15m的工作面间煤柱宽度。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采，之后还包括：对所述上煤层的开采工作面进行矿压和微震监测，根据监测结果进行预警。
试验煤矿1-2煤为上行开采，其中1-2煤蹬空2-2煤或1-2煤蹬空2-2煤、3-1煤与4-2煤层。开采条件特殊，为保证开采安全，需要在上部煤层开采工作面安装矿压、微震观测系统，观测、分析工作面的来压周期、强度、超前支承应力影响范围与变化规律，并进行监测及预警。
下面对本发明提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤系统进行描述，下文描述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤系统与上文描述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法可相互对应参照。
如图2所示，该系统包括第一计算模块201、第二计算模块202和确定模块203，其中：
第一计算模块201用于计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
第二计算模块202用于在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
确定模块203用于在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
本实施例通过利用下煤层开采引起的矿山压力与移动变形扰动作用下，造成残留煤柱的失稳性或变形性破坏，继而上部煤层蹬空双层采空区，即下部失稳后的房柱式采空区及更深部的长壁综采面采空区进行安全回采，降低采煤成本和实施工程量，便于实施，安全性更有保障。
图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，该方法包括：计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响影响的稳定系数；在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，该方法包括：计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响影响的稳定系数；在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，该方法包括：计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响影响的稳定系数；在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；在所述水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，包括：
计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
在所述导水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
2.根据权利要求1所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数，包括：
根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数；
根据所述煤房的尺寸和采深、残留房柱的尺寸、应力、受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度，以及所述覆岩容重和受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动的最大应力，计算所述残留房柱受影响的稳定系数。
3.根据权利要求2所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述根据所述煤房的尺寸和采深、残留房柱的尺寸、应力、受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度，以及所述覆岩容重和受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动的最大应力，计算所述残留房柱受影响的稳定系数，之前还包括：
对所述房柱式采空区进行积水探测，在所述房柱式采空区存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行饱水状态下的物理力学性质测试，获取所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度；
根据所述煤样在饱水状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第一预设强度折减系数、受空气影响的第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第一预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数均小于1。
4.根据权利要求3所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述对所述房柱式采空区进行积水探测之后，还包括：
在所述房柱式采空区不存在积水的情况下，对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样在天然状态下进行物理力学性质测试，获取所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度；
根据所述煤样在天然状态下的单轴抗压强度、受积水影响的第三预设强度折减系数和所述第二预设强度折减系数，计算所述残留房柱受所述房柱式采空区的积水和空气影响的强度；其中，所述第三预设强度折减系数等于1。
5.根据权利要求2所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：
基于三维激光扫描设备获取所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深，以及所述残留房柱的尺寸。
6.根据权利要求2所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述根据所述房柱式采空区中采出煤房的尺寸和采深、所述残留房柱的尺寸、强度和应力，以及所述房柱式采空区的覆岩容重，计算所述残留房柱的自身稳定系数之前，还包括：
对所述房柱式采空区进行钻探取芯，对钻探取芯的煤样进行物理力学性质测试，获取所述房柱式采空区的覆岩容重。
7.根据权利要求1-6任一所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述上煤层的开采时间比所述下煤层的开采时间滞后的时长大于第二预设阈值；
所述上煤层的开采工作面比所述下煤层的开采工作面滞后的水平距离大于第三预设阈值；
所述上煤层的开采边界比所述下煤层的开采边界之间的内错水平距离大于第四预设阈值；
所述下煤层的相邻开采工作面之间的煤柱宽度大于第五预设阈值。
8.根据权利要求1-6任一所述的近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法，其特征在于，所述确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采，之后还包括：
对所述上煤层的开采工作面进行矿压和微震监测，根据监测结果进行预警。
9.一种近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤系统，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于计算房柱式采空区中残留房柱的自身稳定系数，以及受所述房柱式采空区的上煤层开采扰动、所述房柱式采空区的积水和空气影响的稳定系数；
第二计算模块，用于在所述自身稳定系数和受影响的稳定系数均小于第一预设阈值的情况下，计算所述房柱式采空区的下煤层开采后的导水裂缝带高度；
确定模块，用于在所述导水裂缝带高度大于所述房柱式采空区与所述下煤层之间的间距的情况下，确定先对所述下煤层进行开采，利用矿山压力破坏所述房柱式采空区中的残留房柱后，再对所述上煤层蹬空破坏后的所述房柱式采空区与所述下煤层的长壁式采空区进行开采。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述近距离煤层群蹬空房柱式采空区采煤方法的步骤。
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