CN116241326B - 保护层充填开采关键参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护层充填开采关键参数设计方法，适用于近距离煤层群瓦斯卸压问题，包括步骤一，根据近距离煤层群中各煤层厚度、层间距和瓦斯含量，初步选择保护层及被保护层层位，所述保护层为上保护层；步骤二，基于所选保护层与被保护层实际地质条件及煤岩参数，求以层间距为底板岩体最大塑性破坏深度h_max时所对应的煤层屈服区长度χ₀，确定等价采厚h_d，计算充填体最终高度h_c，形成保护层充填开采关键参数计算模型；步骤三，利用数值模拟软件，对保护层开采底板裂隙破坏深度、被保护层应力变化及被保护层膨胀率等指标进行监测核算，验证被保护层卸压效果。能避免瓦斯大量涌入上保护层采空区，实现被保护层高效卸压，为煤层安全开采提供保障。

Description

保护层充填开采关键参数设计方法

技术领域

本发明涉及解决近距离煤层群瓦斯卸压问题的保护层充填开采关键参数设计方法。

背景技术

保护层开采作为解决煤层群开采中瓦斯突出防治的最优措施，得到广泛应用。但当保护层开采应用于近距离煤层群卸压时，常出现保护层采空区瓦斯大量泄漏，被保护层卸压效果不佳等问题。

为此，保护层充填开采应运而生，通过对开采后保护层进行部分回填，控制其顶底板裂隙带发育深度，达到最佳贯通卸压效果。目前，如何设计一套科学有效，适合不同近距离煤层群地质条件的保护层充填开采关键参数设计方法，成为诸多矿井所面临的难题。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种避免瓦斯大量涌入上保护层采空区、实现被保护层高效卸压、为煤层安全开采提供保障、完整的适用于近距离煤层群瓦斯卸压问题的保护层充填开采关键参数设计方法。

为了实现这一目的，本发明采用的技术方案是：一种保护层充填开采关键参数设计方法，具体步骤如下：

步骤一，根据近距离煤层群中各煤层厚度、层间距和瓦斯含量，初步选择保护层及被保护层层位，为防止保护层开采破坏被保护层开采条件，本发明仅考虑上保护层开采；

步骤二，基于所选保护层与被保护层实际地质条件及煤岩参数，求以层间距为底板岩体最大塑性破坏深度h_max时所对应的煤层屈服区长度χ₀，确定等价采厚h_d，计算充填体最终高度h_c，形成保护层充填开采关键参数计算模型；

步骤三，利用数值模拟软件，对保护层开采底板裂隙破坏深度、被保护层应力变化及被保护层膨胀率等指标进行监测核算，验证被保护层卸压效果。

优选地，所述保护层充填开采方式为对开采后的保护层进行部分回填，控制其顶底板裂隙发育深度。使其达到最佳贯通卸压效果，形成了一套完整的适用于近距离煤层群瓦斯卸压问题的保护层充填开采关键参数设计方法，避免瓦斯大量涌入上保护层采空区，实现被保护层高效卸压，为煤层安全开采提供保障。

优选地，所述煤层屈服区长度χ₀由下式(1)得出：

式中：

χ₀——开采煤层屈服区长度，m；

h_max——底板岩体最大塑性破坏深度，m；

——底板岩体内摩擦角，°。

优选地，所述煤层保护层等价采厚h_d由下式(2)得出：

式中：

h_d——保护层等价采厚，m；

χ₀——开采煤层屈服区长度，m；

K_m——煤层参数， 为煤层内摩擦角；

γ——岩石容重，kN/m³；

H——保护层埋深，m。

优选地，所述充填体最终高度h_c由下式(3)得出：

h_c＝h-h_d (3)

式中：

h_c——充填体最终高度，m；

h——保护层实际采厚，m。

h_d——保护层等价采厚，m；

优选地，所述保护层开采底板裂隙破坏深度通过软件数值模拟结果直观分析得出，被保护层应力变化与膨胀率通过对保护层开采前后，所述被保护层沿法线方向上所标记两测点间的距离和应力变化量来表征，当被保护层膨胀变形率大于0.3％，则保护层开采有效。

本发明保护层充填开采关键参数设计方法的有益效果是，本发明形成了一套完整的适用于近距离煤层群瓦斯卸压问题的保护层充填开采关键参数设计方法，本方法优化保护层充填开采参数，可避免保护层开采过程中，被保护层瓦斯大量涌入上保护层采空区，实现被保护层高效卸压，为煤层安全开采提供保障。

附图说明

图1为本发明保护层充填开采关键参数设计方法的流程图。

图2为本发明中所选保护层及被保护层层位示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图2所示，本实施例的一种保护层充填开采关键参数设计方法，以某矿近距离煤层群保护层充填开采关键参数设计为例，地质勘探结果汇总显示该矿从上至下有C₂、C₃、C₇₊₈等多组近距离可采煤层。

其中，C₂、C₃和C₇₊₈煤层采厚分别为1.68m、1.48m和3.07m，C₂煤层与C₃煤层平均间距16.37m，C₃煤层与C₇₊₈煤层平均间距29.59m。C₂煤层埋深445m，煤层内摩擦角20°，底板岩石容重25.6kN/m³，底板岩体内摩擦角40°。

设计过程依次包含选择保护层及被保护层层位、确定保护层充填关键参数、验证被保护层卸压效果三个阶段，具体步骤设计如下：

步骤一，综合考虑该矿的实际地质条件(所研究近距离煤层群中各煤层厚度、层间距和瓦斯含量等因素)，初步选择保护层及被保护层层位，所述保护层为上保护层，之所以考虑上保护层开采，是为防止保护层开采破坏被保护层开采条件。

步骤二，基于所选保护层C₂与被保护层C₃实际地质条件及煤岩参数，求以层间距(16.37m)为底板岩体最大塑性破坏深度h_max时所对应的煤层屈服区长度χ₀＝8.1m，煤层屈服区长度χ₀计算见下式(1)。

式中：χ₀——开采煤层屈服区长度，m；

h_max——底板岩体最大塑性破坏深度，16.37m；

——底板岩体内摩擦角，40°。

确定等价采厚h_d＝1.36m，煤层保护层等价采厚h_d由下式(2)得出：

式中：

h_d——保护层等价采厚，m；

χ₀——开采煤层屈服区长度，8.1m；

K_m——煤层参数， 为煤层内摩擦角20°；

γ——岩石容重，25.6kN/m³；

H——保护层埋深，455m。

计算充填体最终高度h_c＝0.32m，充填体最终高度h_c由下式(3)得出：

h_c＝h-h_d (3)

式中：

h_c——充填体最终高度，m；

h——保护层实际采厚，1.68m；

h_d——保护层等价采厚，1.36m。

最终形成一套完整的保护层充填开采关键参数计算模型。

步骤三，通过数值模拟软件对计算模型所生成的该矿保护层充填开采的系列参数进行验证并监测核算，验证被保护层卸压效果。本实施例中的系列参数为：对保护层开采底板裂隙破坏深度、被保护层应力变化及被保护层膨胀率等指标。

结果显示，保护层开采底板裂隙破坏深度基本稳定在17.5m左右，保护层工作面持续推进，被保护层应力得到充分释放，被保护层轴向膨胀变形率不断加大，达到0.3％，说明保护层开采有效，验证本发明结果的合理性。

本实施例中的所述保护层充填开采方式为对开采后的保护层进行部分回填，控制其顶底板裂隙发育深度。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种保护层充填开采关键参数设计方法，具体步骤如下：

步骤一，根据近距离煤层群中各煤层厚度、层间距和瓦斯含量，初步选择保护层及被保护层层位，所述保护层为上保护层；

步骤二，基于所选保护层与被保护层实际地质条件及煤岩参数，求以层间距为底板岩体最大塑性破坏深度h_max时所对应的煤层屈服区长度χ₀，确定等价采厚h_d，计算充填体最终高度h_c，形成保护层充填开采关键参数计算模型；

步骤三，利用数值模拟软件，对保护层开采底板裂隙破坏深度、被保护层应力变化及被保护层膨胀率指标进行监测核算，验证被保护层卸压效果；

所述煤层屈服区长度χ₀由下式(1)得出：

式中：

χ₀——开采煤层屈服区长度，m；

h_max——底板岩体最大塑性破坏深度，m；

——底板岩体内摩擦角，°；

所述煤层保护层等价采厚h_d由下式(2)得出：

式中：

h_d——保护层等价采厚，m；

χ₀——开采煤层屈服区长度，m；

K_m——煤层参数， 为煤层内摩擦角；

γ——岩石容重，kN/m³；

H——保护层埋深，m；

所述充填体最终高度h_c由下式(3)得出：

h_c＝h-h_d (3)

式中：

h_c——充填体最终高度，m；

h——保护层实际采厚，m；

h_d——保护层等价采厚，m。

2.根据权利要求1所述的一种保护层充填开采关键参数设计方法，其特征在于：所述保护层充填开采方式为对开采后的保护层进行部分回填，控制其顶底板裂隙发育深度。

3.根据权利要求1所述的一种保护层充填开采关键参数设计方法，其特征在于：所述保护层开采底板裂隙破坏深度通过软件数值模拟结果直观分析得出，被保护层应力变化与膨胀率通过对保护层开采前后，所述被保护层沿法线方向上所标记两测点间的距离和应力变化量来表征，当被保护层膨胀变形率大于0.3％，则保护层开采有效。