CN115370367B - 一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统 - Google Patents

一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统 Download PDF

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CN115370367B CN202211302601.9A CN202211302601A CN115370367B CN 115370367 B CN115370367 B CN 115370367B CN 202211302601 A CN202211302601 A CN 202211302601A CN 115370367 B CN115370367 B CN 115370367B
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Abstract

本申请提供了一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统。该方法包括：确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。籍此，以有效指导煤层群开采矿井采空区内的煤柱留设，保证煤层群的安全开采。

Description

一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统
技术领域
本申请涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统。
背景技术
煤层群开采在大多数矿区普遍存在，煤层群开采相互扰动诱发冲击地压的情况发生频率较高，其中，上覆遗留煤柱集中应力诱发冲击地压的现象最为典型。近年来，随着开采深度的增加，煤层群开采上覆遗留煤柱集中应力诱发下伏煤层冲击地压发生的频次也随之增加，严重影响了矿井安全生产和煤炭能源供应。
在煤层群开采矿井采空区内如果留设煤柱时，煤层群开采矿井采空区内煤柱留设的尺寸是否合理，主要表现在两个方面：一是煤柱留设以后煤层发生冲击地压是否可控，二是煤柱留设以后对邻层影响是否可控。然而，目前已有的冲击地压危险性评价方法针对掘进工作面和回采工作面，对遗留煤柱进行防冲安全开采的论证尚未见成熟的方法，因此不能获得“能否保障安全开采”的结论。
为此，针对上述工程技术难题，需要提出一种有效的技术解决方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，包括：
确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；
基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；
基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。
优选的，所述确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱包括：
基于预设留设指标，根据所述煤层群开采矿井的地质条件以及开采条件，确定煤层群开采矿井采空区内是否需留设煤柱；
其中，所述地质条件包括：采空区内待留设煤柱区域的煤层厚度、煤层倾角、冲击地压发生的历史数据、冲击倾向性数据、所述煤层群开采矿井的开采深度、所述煤层群开采矿井内钻孔柱状图及其地质构造；所述开采条件包括：待留设煤柱区域的四邻煤层的开采数据、待留设煤柱两侧工作面宽度以及周边巷道的留底煤厚度；
所述预设留设指标包括：是否需要隔离采空区涌水、是否需要隔离采空区有毒有害气体、是否可以完全回采煤柱。
优选的，所述基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：
将待留设煤柱区域从所述留设煤柱边缘至采空区深度方向，依次划分为所述破裂区域、所述塑性区域、弹性区域以及原岩应力区域；
对预先建立的煤层群开采矿井模型进行开采数值模拟，得到所述煤层群开采矿井在工作面回采完成后采空区周围的应力分布，确定所述留设煤柱下方被原岩应力等值线包络的应力增大区域为煤柱应力扰动区；
基于预设安全条件，根据划分的所述破裂区域、所述塑性区域、所述弹性区域、所述原岩应力区域以及所述煤柱应力扰动区，确定所述留设煤柱的安全尺寸。
优选的，所述确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：
按照：
Figure 736859DEST_PATH_IMAGE001
确定所述留设煤柱的安全尺寸
Figure 919578DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 544988DEST_PATH_IMAGE003
为所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 143460DEST_PATH_IMAGE004
为所述 隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 551307DEST_PATH_IMAGE005
为所述防止煤柱发生冲击地压安全 条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 639349DEST_PATH_IMAGE006
为所述减小对邻层影响的安全条件下所述留设煤柱 的最大尺寸，
Figure 109644DEST_PATH_IMAGE007
；l为所述煤层群开采矿井中塑性区域的宽度。
优选的，按照：
Figure 652752DEST_PATH_IMAGE008
确定所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 587210DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，
Figure 49416DEST_PATH_IMAGE009
为所述留设煤柱两侧工作面斜长；
Figure 397220DEST_PATH_IMAGE010
为所述煤层群开采矿井中的岩层移动 角；
Figure 337495DEST_PATH_IMAGE011
为所述煤层群开采矿井中冒落带顶部到地表的距离；
Figure 703623DEST_PATH_IMAGE012
为所述煤层群开采矿井中上覆 层岩的容重；
Figure 602309DEST_PATH_IMAGE013
为所述煤层群开采矿井中煤体的单轴抗压强度；
按照：
Figure 109513DEST_PATH_IMAGE014
确定所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 712533DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 824845DEST_PATH_IMAGE015
为所述煤层群开采矿井中的煤层厚度；
Figure 425591DEST_PATH_IMAGE016
为所述煤层群开采矿井中隔离采 空区中水头压力；
Figure 498720DEST_PATH_IMAGE017
为所述煤层群开采矿井中煤的抗拉强度；
按照：
Figure 780797DEST_PATH_IMAGE018
确定所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 544354DEST_PATH_IMAGE005
。
优选的，所述基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证，包括：
基于综合指数法，对所述留设煤柱影响下本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的可控性进行评估，以确定本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的危险等级。
优选的，按照：
Figure 909476DEST_PATH_IMAGE019
Figure 63377DEST_PATH_IMAGE020
Figure 211462DEST_PATH_IMAGE021
确定本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的危险等级
Figure 409618DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 555429DEST_PATH_IMAGE023
为预先确定的采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状 态等级评定的指数，
Figure 258942DEST_PATH_IMAGE024
表示采矿地质因素的序号，
Figure 273035DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 948867DEST_PATH_IMAGE026
表示采矿地质因素 的数量，本申请中，
Figure 406524DEST_PATH_IMAGE027
。
Figure 597334DEST_PATH_IMAGE028
为每一项采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地 压危险状态等级评定的指数的最大值；
Figure 24904DEST_PATH_IMAGE029
表示预先确定的采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等 级评定的指数，
Figure 679877DEST_PATH_IMAGE030
表示采矿技术因素的数量，
Figure 229807DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 111175DEST_PATH_IMAGE032
表示采矿技术因素的 数量，本申请中，
Figure 716337DEST_PATH_IMAGE033
。
优选的，所述采矿地质因素包括同一水平煤层冲击地压发生历史、开采深度、上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离、开采区域内构造应力集中程度、顶板岩层厚度特征参数、煤的单轴抗压强度、煤的弹性能指数；所述采矿技术因素包括：保护层的卸压程度、工作面距上保护层开采遗留的煤柱的水平距离、工作面与临近采空区的关系、工作面长度、区段煤柱宽度、留底煤厚度、向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离、向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离、向落差大于3米的断层推进的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离、向煤层倾角距离变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与其之 间的距离、向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的工作面或巷道，与煤层变化部分的距离。
本申请还提供一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统，包括：
判断单元，配置为确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；
煤柱尺寸确定单元，配置为基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；
安全论证单元，配置为基于所述留设煤柱的安全吃尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。
有益效果：
本申请提出的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设的技术方案中，首先对煤层群开采矿井采空区内是否需留设煤柱，在确定需要留设煤柱时，基于预设的安全条件（防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件）确定留设煤柱的安全尺寸；然后，基于留设煤柱的安全尺寸，实现对留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。籍此，以有效指导煤层群开采矿井采空区内的煤柱留设，保证煤层群的安全开采。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法的逻辑示意图；
图3为根据本申请的一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
通常情况下，在采空区内不得留有煤柱，申请人研究发现，特殊情况（比如：一个采煤工作面分成两段回采，为了尽快回收成本，先回采了外段，在后续回采里段时，里段工作面逐渐接近采空区，就需要在外段与里段之间留设煤柱）必须在采空区留有煤柱，而煤柱的留设，会对煤层冲击地压、邻层造成影响。比如，由于一些矿井煤层距离较近，本煤层留设煤柱后，集中应力向下部传递，会在邻层（主要指下部煤层）中引起应力集中，诱发冲击地压等灾害。
为此，申请人提出了一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设的技术方案，当需要在煤层群开采矿井采空区内留设煤柱时，将煤层群开采矿井采空区内的范围（即留设煤柱区域）划分为塑性区域、破裂区域、煤柱应力扰动区域以及采空区域，根据防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件等四个方面综合确定留设煤柱的安全尺寸；然后，通过留设煤柱的安全尺寸，对留设煤柱所在的煤层（本煤层）和相邻煤层进行安全论证，即，在安全尺寸的留设煤柱下，分析各种采矿地质因素对本煤层以及相邻煤层发生冲击地压灾害的影响，进而保证煤层群的安全开采。
如图1、图2所示，该煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法包括：
步骤S101、确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱。
本申请中，在煤层群开采矿井采空区内是否需要留设煤柱，通过对待留设煤柱区域（即煤层群开采矿井采空区内）的地质条件、开采条件进行综合分析来确定。具体的，基于预设留设指标，根据煤层群开采矿井的地质条件以及开采条件，确定煤层群开采矿井采空区内是否需留设煤柱。
其中，地质条件包括：采空区内待留设煤柱区域的各煤层厚度、各煤层倾角、冲击地压发生的历史数据、冲击倾向性鉴定基础数据、煤层群开采矿井的开采深度、煤层群开采矿井内钻孔柱状图及地质构造发育情况。开采条件包括：待留设煤柱区域的四邻煤层的开采设计数据、待留设煤柱两侧工作面宽度以及周边巷道的留底煤厚度。预设留设指标包括：是否需要隔离采空区涌水、是否需要隔离采空区有毒有害气体、是否可以完全回采煤柱。
具体的，一方面，随着工作面向已有采空区推进，采空区内煤柱尺寸宽度越来越小，如果两侧采空区均采用垮落法管理顶板，煤柱上方应力逐渐集中，在达到临界状态时会发生煤柱失稳，所以此时要留设合理宽度的煤柱，防止煤柱失稳对工作面内作业人员和设备造成伤害；如果两侧采空区采用充填法管理顶板，煤柱上方不会形成应力集中，此时可以不留设煤柱。另一方面，煤柱留设的其中一项作用是隔绝已存在采空区与正在向采空区推进工作面，防止已存在采空区中的有毒有害气体、涌水向正在作业的工作面蔓延，如果两侧采空区内没有积存有毒有害气体、也没有矿井积水，则可以不留设煤柱。以上两方面同时满足的条件下，如果具备完全回采煤柱的现场条件，采空区内可以不留设煤柱，否则就需要留设煤柱。
步骤S102、基于预设安全条件确定留设煤柱的安全尺寸。
其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件。即本申请中，主要从四个方面确定留设煤柱的安全尺寸：一是防止煤柱失稳的合理煤柱尺寸，二是隔离采空区影响的合理煤柱尺寸，三是基于减小对相邻煤层影响范围的合理煤柱尺寸，四是基于防冲安全的合理煤柱尺寸。其中，隔离采空区影响主要包括隔离采空区涌水和隔离采空区的有毒有害气体。
在此，煤柱留设宽度的合理性，既关系着回采安全，又影响着矿井回采率。如果煤柱留设过大，不但会造成本煤层煤炭资源浪费，而且会使煤柱对下伏煤层安全开采造成影响，在下伏煤层中形成应力集中区，若应力集中区整体应力过高，将无法进行回采，造成资源浪费。如果煤柱留设过小，那么留设煤柱不能起到支撑载荷的作用，在重复采动应力及采空区参与支撑压力的影响下，留设煤柱有可能会出现失稳破坏，从而导致留设煤柱一侧采空区的积水和有毒有害气体渗透进入另一侧工作面，将不可避免的对矿井安全、高效生产造成极大威胁。
本申请中，在确定留设煤柱的安全尺寸之前，首先，根据留设煤柱的宽度，通过理论计算或者高密度电法、钻孔窥视等物探手段将待留设煤柱区域从留设煤柱边缘至采空区深度方向，依次划分为破裂区域、塑性区域、弹性区域以及原岩应力区域；然后，对预先建立的煤层群开采矿井模型进行开采数值模拟，得到煤层群开采矿井在工作面回采完成后采空区周围的应力分布，确定留设煤柱下方被原岩应力等值线包络的区域为煤柱应力扰动区；最后，基于预设安全条件，根据划分的破裂区域、塑性区域、弹性区域、原岩应力区域以及煤柱应力扰动区，确定留设煤柱的安全尺寸。也就是说，通过划分的破裂区域、塑性区域、弹性区域、原岩应力区域以及煤柱应力扰动区的范围，确定防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件下留设煤柱的尺寸。其中，可以基于极限平衡理论或者现场实测，确定煤层群开采矿井的极限平衡区域与留设煤柱的边缘之间的区域为塑性区域。
具体的，在确定留设煤柱的安全尺寸时，按照公式：
Figure 163499DEST_PATH_IMAGE001
确定留设煤柱的安全尺寸
Figure 822014DEST_PATH_IMAGE002
。
式中，
Figure 49733DEST_PATH_IMAGE003
为所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 84685DEST_PATH_IMAGE004
为所述 隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 651932DEST_PATH_IMAGE005
为所述防止煤柱发生冲击地压安全 条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 356714DEST_PATH_IMAGE006
为所述减小对邻层影响的安全条件下所述留设煤柱 的最大尺寸，
Figure 947096DEST_PATH_IMAGE007
；l为所述煤层群开采矿井中塑性区域的宽度。
具体的，按照：
Figure 582476DEST_PATH_IMAGE034
确定所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 66547DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，
Figure 66864DEST_PATH_IMAGE009
为所述留设煤柱两侧工作面斜长；
Figure 941279DEST_PATH_IMAGE010
为所述煤层群开采矿井中的岩层移动 角；
Figure 948726DEST_PATH_IMAGE011
为所述煤层群开采矿井中冒落带顶部到地表的距离；
Figure 162669DEST_PATH_IMAGE012
为所述煤层群开采矿井中上覆 层岩的容重；
Figure 724101DEST_PATH_IMAGE013
为所述煤层群开采矿井中煤体的单轴抗压强度。
按照：
Figure 85812DEST_PATH_IMAGE014
确定所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 266258DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 210074DEST_PATH_IMAGE015
为所述煤层群开采矿井中的煤层厚度；
Figure 614510DEST_PATH_IMAGE016
为所述煤层群开采矿井中隔离采 空区中水头压力；
Figure 401201DEST_PATH_IMAGE017
为所述煤层群开采矿井中煤的抗拉强度。
按照：
Figure 244392DEST_PATH_IMAGE018
确定所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 495245DEST_PATH_IMAGE005
。
在此，留设煤柱两侧工作面斜长
Figure 8266DEST_PATH_IMAGE009
、所述煤层群开采矿井中冒落带顶部到地表的距 离
Figure 921733DEST_PATH_IMAGE011
、所述煤层群开采矿井中的煤层厚度
Figure 240719DEST_PATH_IMAGE015
、所述煤层群开采矿井中隔离采空区中水头压 力
Figure 283761DEST_PATH_IMAGE016
、所述煤层群开采矿井中的岩层移动角
Figure 30000DEST_PATH_IMAGE010
均通过对煤层群开采矿井进行实测得到；所述 煤层群开采矿井中上覆层岩的容重
Figure 915917DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 976276DEST_PATH_IMAGE013
为所述煤层群开采矿井中煤体的单轴抗压强度
Figure 936142DEST_PATH_IMAGE013
、 所述煤层群开采矿井中煤的抗拉强度
Figure 666332DEST_PATH_IMAGE017
通过对煤层群开采矿井进行采样后，对样品进行测 量得到。
本申请中，留设煤柱的尺寸包括留设煤柱的宽度和长度，留设煤柱的尺寸与各个区域范围的对比，包括留设煤柱的宽度方向、长度方向的对比。在此，沿工作面走向方向为留设煤柱的宽度方向，与工作面平行方向为留设煤柱的长度方向。
步骤S103、基于留设煤柱的安全尺寸，对留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。
留设煤柱是否安全主要是在安全尺寸的留设煤柱下，分析各种采矿地质因素对本煤层以及相邻煤层发生冲击地压灾害的影响。本申请中，一方面从本煤层发生冲击地压的可控性方面对留设煤柱是否安全进行验证，另一方面从相邻煤层发生冲击地压的可控性方面对留设煤柱是否安全进行验证。具体的，基于综合指数法，对留设煤柱影响下本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的可控性进行评估，以确定本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的危险等级。
本申请中，在分析各种冲击地压灾害的基础上，综合分析各种采矿地质因素对冲击地压发生的影响，确定各种采矿地质因素对冲击地压发生的影响权重，然后，将其综合起来，对冲击地压危险性评进行价和预测。
本申请中，本煤层、相邻煤层发生冲击地压的危险等级均用
Figure 180490DEST_PATH_IMAGE022
来表示，定义：
Figure 841278DEST_PATH_IMAGE035
Figure 717967DEST_PATH_IMAGE036
Figure 71588DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 541884DEST_PATH_IMAGE023
为采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定 的指数，
Figure 6363DEST_PATH_IMAGE024
表示采矿地质因素的序号，
Figure 255336DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 717541DEST_PATH_IMAGE026
表示采矿地质因素的数量，
Figure 737449DEST_PATH_IMAGE027
。
Figure 802357DEST_PATH_IMAGE028
为每一项采矿地址因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评 定的指数的最大值。
Figure 794584DEST_PATH_IMAGE029
表示采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指 数，
Figure 490008DEST_PATH_IMAGE030
表示采矿技术因素的数量，
Figure 544683DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 350965DEST_PATH_IMAGE032
表示采矿技术因素的数量，
Figure 463277DEST_PATH_IMAGE033
。
采矿地质因素主要包括同一水平煤层冲击地压发生历史、开采深度、上覆裂隙带 内坚硬厚层岩层距煤层的距离、开采区域内构造应力集中程度、顶板岩层厚度特征参数、煤 的单轴抗压强度、煤的弹性能指数，具体如表1所示：
Figure 126340DEST_PATH_IMAGE039
表1 采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数
采矿技术因素主要包括：保护层的卸压程度、工作面距上保护层开采遗留的煤柱的水平距离、工作面与临近采空区的关系、工作面长度、区段煤柱宽度、留底煤厚度、向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离、向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离、向落差大于3米的断层推进的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离、向煤层倾角距离变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与其之 间的距离、向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离，具体如表2所示，表2如下：
Figure 120840DEST_PATH_IMAGE040
表2 采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数
本申请中，根据计算得出的综合指数
Figure 668496DEST_PATH_IMAGE022
，将冲击地压危险程度定量划分为四个等 级，具体如表3所示，进而，根据冲击危险性分级，采取相对应的防治措施。表3如下：
Figure 743638DEST_PATH_IMAGE041
表3 冲击地压危险程度分级
在本申请提出的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设的技术方案中，根据煤层群开 采矿井的塑性区域、破裂区域、煤柱应力扰动区域以及采空区域，确定留设煤柱的安全尺 寸；然后，基于留设煤柱的安全尺寸，实现对留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论 证。籍此，基于
Figure 515284DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 934764DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 410745DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 28808DEST_PATH_IMAGE003
等多参量，而不是进考虑冲击地压防治单一灾害的综合确 定方法，有效指导煤层群开采矿井采空区内的煤柱留设，保证煤层群的安全开采。
本申请还提供一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统，如图3所示，该煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统包括：判断单元301，配置为确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；煤柱尺寸确定单元302，配置为基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；安全论证单元303，配置为基于留设煤柱的安全尺寸，对留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证。
本申请提供的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统能够实现上述任一实施例的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，其特征在于，包括：
确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；
基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；
基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证；
其中，所述基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：将待留设煤柱区域从所述留设煤柱边缘至采空区深度方向，依次划分为破裂区域、塑性区域、弹性区域以及原岩应力区域；对预先建立的煤层群开采矿井模型进行开采数值模拟，得到所述煤层群开采矿井在工作面回采完成后采空区周围的应力分布，确定所述留设煤柱下方被原岩应力等值线包络的应力增大区域为煤柱应力扰动区；基于预设安全条件，根据划分的所述破裂区域、所述塑性区域、所述弹性区域、所述原岩应力区域以及所述煤柱应力扰动区，确定所述留设煤柱的安全尺寸；
所述确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：按照
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
确定所述留设煤柱的安全尺寸
Figure 41211DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，
Figure 281699DEST_PATH_IMAGE006
为所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 560234DEST_PATH_IMAGE008
为所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 911581DEST_PATH_IMAGE010
为所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 608272DEST_PATH_IMAGE012
为所述减小对邻层影响的安全条件下所述留设煤柱的最大尺寸，
Figure 816400DEST_PATH_IMAGE014
；l为所述煤层群开采矿井中塑性区域的宽度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
确定所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 316651DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 206110DEST_PATH_IMAGE018
为所述留设煤柱两侧工作面斜长；
Figure 255843DEST_PATH_IMAGE020
为所述煤层群开采矿井中的岩层移动角；
Figure 838134DEST_PATH_IMAGE022
为所述煤层群开采矿井中冒落带顶部到地表的距离；
Figure 28944DEST_PATH_IMAGE024
为所述煤层群开采矿井中上覆层岩的容重；
Figure 581148DEST_PATH_IMAGE026
为所述煤层群开采矿井中煤体的单轴抗压强度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE028AA
确定所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 721274DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 208887DEST_PATH_IMAGE030
为所述煤层群开采矿井中的煤层厚度；
Figure 214889DEST_PATH_IMAGE032
为所述煤层群开采矿井中隔离采空区中水头压力；
Figure 508467DEST_PATH_IMAGE034
为所述煤层群开采矿井中煤的抗拉强度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE036AA
确定所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 204896DEST_PATH_IMAGE010
。
2.根据权利要求1所述的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，其特征在于，所述确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱包括：
基于预设留设指标，根据所述煤层群开采矿井的地质条件以及开采条件，确定煤层群开采矿井采空区内是否需留设煤柱；
其中，所述地质条件包括：采空区内待留设煤柱区域的煤层厚度、煤层倾角、冲击地压发生的历史数据、冲击倾向性数据、所述煤层群开采矿井的开采深度、所述煤层群开采矿井内钻孔柱状图及其地质构造；所述开采条件包括：待留设煤柱区域的四邻煤层的开采数据、待留设煤柱两侧工作面宽度以及周边巷道的留底煤厚度；
所述预设留设指标包括：是否需要隔离采空区涌水、是否需要隔离采空区有毒有害气体、是否可以完全回采煤柱。
3.根据权利要求1-2任一所述的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，其特征在于，所述基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证，包括：
基于综合指数法，对所述留设煤柱影响下本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的可控性进行评估，以确定本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的危险等级。
4.根据权利要求3所述的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，其特征在于，按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
确定本煤层以及相邻煤层发生冲击地压的危险等级
Figure 535515DEST_PATH_IMAGE044
；
其中，
Figure 28813DEST_PATH_IMAGE046
为预先确定的采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，
Figure 798186DEST_PATH_IMAGE048
表示采矿地质因素的序号，
Figure 365433DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 568751DEST_PATH_IMAGE052
表示采矿地质因素的数量，
Figure 159132DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure 122409DEST_PATH_IMAGE056
为每一项采矿地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数的最大值；
Figure 278583DEST_PATH_IMAGE058
表示预先确定的采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，
Figure 278901DEST_PATH_IMAGE060
表示采矿技术因素的数量，
Figure 231944DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 671016DEST_PATH_IMAGE064
表示采矿技术因素的数量，
Figure 150539DEST_PATH_IMAGE066
。
5.根据权利要求4所述的煤层群开采矿井采空区内煤柱留设方法，其特征在于，所述采矿地质因素包括同一水平煤层冲击地压发生历史、开采深度、上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离、开采区域内构造应力集中程度、顶板岩层厚度特征参数、煤的单轴抗压强度、煤的弹性能指数；
所述采矿技术因素包括：保护层的卸压程度、工作面距上保护层开采遗留的煤柱的水平距离、工作面与临近采空区的关系、工作面长度、区段煤柱宽度、留底煤厚度、向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离、向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离、向落差大于3米的断层推进的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离、向煤层倾角距离变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与其之间的距离、向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的工作面或巷道，与煤层变化部分的距离。
6.一种煤层群开采矿井采空区内煤柱留设系统，其特征在于，包括：
判断单元，配置为确定煤层群开采矿井采空区内需留设煤柱；
煤柱尺寸确定单元，配置为基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸；其中，所述预设安全条件包括：防止煤柱失稳安全条件、防止煤柱发生冲击地压安全条件、隔离采空区安全条件以及减小对相邻煤层影响的安全条件；
安全论证单元，配置为基于所述留设煤柱的安全尺寸，对所述留设煤柱在本煤层以及相邻煤层进行安全论证；
其中，所述基于预设安全条件确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：将待留设煤柱区域从所述留设煤柱边缘至采空区深度方向，依次划分为破裂区域、塑性区域、弹性区域以及原岩应力区域；对预先建立的煤层群开采矿井模型进行开采数值模拟，得到所述煤层群开采矿井在工作面回采完成后采空区周围的应力分布，确定所述留设煤柱下方被原岩应力等值线包络的应力增大区域为煤柱应力扰动区；基于预设安全条件，根据划分的所述破裂区域、所述塑性区域、所述弹性区域、所述原岩应力区域以及所述煤柱应力扰动区，确定所述留设煤柱的安全尺寸；
所述确定所述留设煤柱的安全尺寸包括：按照
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
确定所述留设煤柱的安全尺寸
Figure 180812DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，
Figure 611965DEST_PATH_IMAGE006
为所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 651466DEST_PATH_IMAGE008
为所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 985495DEST_PATH_IMAGE010
为所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸；
Figure 468560DEST_PATH_IMAGE012
为所述减小对邻层影响的安全条件下所述留设煤柱的最大尺寸，
Figure 317567DEST_PATH_IMAGE014
；l为所述煤层群开采矿井中塑性区域的宽度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
确定所述防止煤柱失稳安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 832862DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 83715DEST_PATH_IMAGE018
为所述留设煤柱两侧工作面斜长；
Figure 970637DEST_PATH_IMAGE020
为所述煤层群开采矿井中的岩层移动角；
Figure 510203DEST_PATH_IMAGE022
为所述煤层群开采矿井中冒落带顶部到地表的距离；
Figure 829189DEST_PATH_IMAGE024
为所述煤层群开采矿井中上覆层岩的容重；
Figure 996865DEST_PATH_IMAGE026
为所述煤层群开采矿井中煤体的单轴抗压强度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAA
确定所述隔离采空区安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 759416DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 317436DEST_PATH_IMAGE030
为所述煤层群开采矿井中的煤层厚度；
Figure 502430DEST_PATH_IMAGE032
为所述煤层群开采矿井中隔离采空区中水头压力；
Figure 665558DEST_PATH_IMAGE034
为所述煤层群开采矿井中煤的抗拉强度；
按照：
Figure DEST_PATH_IMAGE036AAA
确定所述防止煤柱发生冲击地压安全条件下所述留设煤柱的最小尺寸
Figure 894283DEST_PATH_IMAGE010
。
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