CN114021489A - 一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，包括以下步骤：S1、数据收集；S2、数据对比；S3、确定等级；S4、确定参数；S5、一次模拟；S6、二次模拟；S7、坡度预测；S8、安全评价；S9、防砂煤柱留设。本发明通过设计的各个步骤对松散层包括基岩风氧化带的抗渗透破坏评价，并基于抗覆岩渗透破坏评价，来对松散含水层下工作面进行防砂煤柱留设操作，取代了过去防砂煤柱研究中需要凭借操作人员的经验进行操作的方式，通过工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟，得出坡度预测表等各项数据图表，判断工作面是溃砂，使得留设结果更为准确，降低了危险性。

Description

一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法
技术领域
本发明涉及开采技术领域，尤其涉及一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法。
背景技术
松散含水层下工作面回采上限确定有三种类型，分别为防水类型、防砂类型和防塌安全煤(岩)柱类型，确定回采上限与防砂煤(岩)柱松散含水层渗透破坏相关。在过去的防砂煤(岩)柱研究中，未进行松散层包括基岩风氧化带的抗渗透破坏评价，因此在进行防砂煤柱留设时，通常凭借操作人员的经验进行判断和操作，留设结果不够精确，同时具有一定的危险性。因此，需要提出一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，包括以下步骤：
S1、数据收集，收集工作面钻孔、巷道揭露与物探、水文地质资料以及现场试验数据；
S2、数据对比，对比已采工作面开采地质条件分析待采工作面溃砂的可能性；
S3、确定等级，水体采动等级确定；
S4、确定参数，确定工作面“两带”高度与移动角；
S5、一次模拟，工作面回采下力学数值模拟；
S6、二次模拟，工作面导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟；
S7、坡度预测，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界水力坡度预测；
S8、安全评价，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界溃砂安全评价；
S9、防砂煤柱留设，基于抗覆岩渗透破坏评价的松散含水层下工作面防砂煤柱留设。
优选地，步骤S1中收集的数据资料包括：松散含隔水层水文地质特征、松散层和基岩物理力学性质参数、基岩风氧化带特征与隔水性、工作面煤层厚度与煤质储量。
优选地，步骤S2中所对比的已采工作面需要与待采工作面有相似的地质条。
优选地，步骤S3中水体采动等级确定参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第六十七条水体采动等级及允许采动程度，且对比工作面地表水体与覆岩尤其松散层实际情况。
优选地，步骤S5中模拟所需的岩石力学性质参数需从邻近的工作面类比得来。
优选地，步骤S6中水文数值模拟需对采前渗透系数进行反演、校正，采动下导水裂隙带波及松散含水层渗透系数确定需参照类似开采地质条件的水文工程试验结果。
优选地，步骤S7中基于工作面的导水裂隙带波及松散含水层采动裂隙导致渗透系数变化，模拟得出其采动下渗流场。
优选地，步骤S8中，根据步骤S7得出回采后工作面导水裂隙带波及松散含水层边界处水力坡度预测，对比溃砂临界水力坡度，判断工作面是否溃砂。
本发明具有以下有益效果：
1、工作面回采下进行力学数值模拟，判断导水裂隙带高度的判据有塑性区和应力两种。应力判据是通过数值计算，得出各点的应力，根据该点的应力状态来判断其是否破坏；塑性区判断依据是通过塑性区发育的最大高度可以反映煤层上覆基岩导水裂隙带发育高度。工作面回采下进行力学数值模拟，确定导水裂隙带波及风化带及松散含水层的位置。
2、“两带”尤其拉伸区域波及基岩风氧化带与松散含水层是矿井涌水与溃砂的通道，根据计算的“两带”高度，绘制“两带”平剖面采动裂隙分布图。为水文数值模拟中观测井的布设以及模拟回采后水力坡度的计算提供依据。
3、进行工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟，得出工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层等水位线图、工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层边界处水力坡度预测表、工作面回采过程中导水裂隙带波及范围内长观孔水位变化预测等图表对比溃砂临界水力坡度，判断工作面是否溃砂。
附图说明
图1为基于抗覆岩渗透破坏评价的松散含水层下工作面防砂煤柱留设技术路线；
图2为工作面回采过程导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，包括以下步骤：
S1、数据收集，收集工作面钻孔、巷道揭露与物探、水文地质资料以及现场试验数据；
S2、数据对比，对比已采工作面开采地质条件分析待采工作面溃砂的可能性；
S3、确定等级，水体采动等级确定；
S4、确定参数，确定工作面“两带”高度与移动角；
S5、一次模拟，工作面回采下力学数值模拟；
S6、二次模拟，工作面导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟；
S7、坡度预测，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界水力坡度预测；
S8、安全评价，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界溃砂安全评价；
S9、防砂煤柱留设，基于抗覆岩渗透破坏评价的松散含水层下工作面防砂煤柱留设。
步骤S1中收集的数据资料包括：松散含隔水层水文地质特征、松散层和基岩物理力学性质参数、基岩风氧化带特征与隔水性、工作面煤层厚度与煤质储量。主要图表包括：研究区松散层对比图、松散含水和基岩风氧化带层抽(注)水试验成果统计表、工作面顶底板岩性表、工作面松散含水层最大涌水量估算结果表、研究区地层剖面图。
步骤S2中，所对比的已采工作面需要与待采工作面有相似的地质条件。主要图表包括：已采工作面与待评价工作面开采地质条件对比表。
步骤S3中，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第六十七条水体采动等级及允许采动程度，对比工作面地表水体与覆岩尤其松散层实际情况，得出其水体采动等级。
步骤S4中，第一种方法，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，结合工作面实际情况选用合理的公式计算垮落带和导水裂隙带的高度；第二种方法，根据与目标工作面相同开采地质条件且有“两带”实测数据的工作面的跨采比与裂采比，得出目标工作面的“两带”高度。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》以及工作面实测或矿区经验值确定移动角。主要图表包括：松散含水层厚度等值线图、松散隔水层厚度等值线图、已采工作面“两带”高度实测与理论计算结果对比、工作面预测“两带”高度内覆岩强度K值与“两带”高度确定、工作面回采留设防砂安全煤(岩)柱图、工作面防砂安全煤(岩)留设下导水裂隙带波及松散含水层与隔水层分析表。
步骤S5中，模拟所需的岩石力学性质参数需从邻近的工作面类比得来。主要图表包括：工作面地质模型、工作面回采下最大不平衡力曲线、工作面回采下塑性区图、工作面回采下铅直应力云图、工作面回采下铅直位移云图、工作面数值模拟采动裂隙发育规律表、地表移动盆地形成过程图、工作面“两带”采动裂隙平剖面分布图。
进一步地，通过步骤S3、S4、S5的结论，得出工作面导水裂隙带波及松散含水层采动裂隙动态发育与平剖面分布情况。主要图表包括：工作面煤层走向、倾向剖面及松散含水层顶界面移动盆地边界图。
步骤S6中，在进行水文数值模拟时，需要对采前渗透系数进行反演、校正；采动下导水裂隙带波及松散含水层渗透系数确定，最好参照类似开采地质条件的水文工程试验结果；若没有，可借鉴类似开采地质条件的采动渗透系数经验值。主要图表包括：采区地层模型、松散含水层有效含水层(砂体)对比图、松散含水层渗透系数分区图、模拟与实测水位历史曲线、采前等水位线图、水文地质参数校正结果表、采动下导水裂隙带波及松散含水层渗透系数确定表、工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层等水位线图、工作面回采过程中导水裂隙带波及松散含水层边界处水力坡度预测表、工作面回采过程中导水裂隙带波及范围内长观孔水位变化预测。
在步骤S7中，基于工作面的导水裂隙带波及松散含水层采动裂隙导致渗透系数变化，模拟得出其采动下渗流场。主要图表包括：工作面导水裂隙带波及松散含水层内外流网平剖面图、松散含水层临界水力坡度计算表。
步骤S8中，根据步骤S7得出回采后工作面导水裂隙带波及松散含水层边界处水力坡度预测，对比溃砂临界水力坡度，判断工作面是否溃砂。主要图表包括：工作面覆岩移动与渗透破坏边界图、工作面松散含水层溃砂临界水位及其安全水位判别依据图。
步骤S9中，若不溃砂，即可进行工作面防砂煤柱留设；若溃砂，上限不变且改变采厚，重新按照步骤S4至S8进行采厚变更后的研究，直到不溃砂，进行松散含水层工作面防砂煤柱留设；若溃砂，采厚不变但上限改变，重新按照步骤S4至S8进行上限变更后的研究，直到不溃砂。利用经验公式与力学分析法确定关键采动边界临界水力坡度，并与采动下渗流场对应边界的预测水力坡度对比，进行松散层覆岩渗透破坏评价。主要图表包括：松散含水层渗透破坏评价成果表。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、数据收集，收集工作面钻孔、巷道揭露与物探、水文地质资料以及现场试验数据；
S2、数据对比，对比已采工作面开采地质条件分析待采工作面溃砂的可能性；
S3、确定等级，水体采动等级确定；
S4、确定参数，确定工作面“两带”高度与移动角；
S5、一次模拟，工作面回采下力学数值模拟；
S6、二次模拟，工作面导水裂隙带波及松散含水层水文数值模拟；
S7、坡度预测，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界水力坡度预测；
S8、安全评价，工作面导水裂隙带波及松散含水层边界溃砂安全评价；
S9、防砂煤柱留设，基于抗覆岩渗透破坏评价的松散含水层下工作面防砂煤柱留设。
2.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S1中收集的数据资料包括：松散含隔水层水文地质特征、松散层和基岩物理力学性质参数、基岩风氧化带特征与隔水性、工作面煤层厚度与煤质储量。
3.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S2中所对比的已采工作面需要与待采工作面有相似的地质条。
4.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S3中水体采动等级确定参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第六十七条水体采动等级及允许采动程度，且对比工作面地表水体与覆岩尤其松散层实际情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S5中模拟所需的岩石力学性质参数需从邻近的工作面类比得来。
6.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S6中水文数值模拟需对采前渗透系数进行反演、校正，采动下导水裂隙带波及松散含水层渗透系数确定需参照类似开采地质条件的水文工程试验结果。
7.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S7中基于工作面的导水裂隙带波及松散含水层采动裂隙导致渗透系数变化，模拟得出其采动下渗流场。
8.根据权利要求1所述的一种基于抗覆岩渗透破坏评价的防砂煤柱留设方法，其特征在于，步骤S8中，根据步骤S7得出回采后工作面导水裂隙带波及松散含水层边界处水力坡度预测，对比溃砂临界水力坡度，判断工作面是否溃砂。
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