一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法.pdf

本发明提出了一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，首先，收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；其次，根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；最终，根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定。本发明用于煤矿生产过程中近距离煤层重复开采时的顶板压架灾害防治实践，具有很高的可靠性和实用性。

1.  一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；
S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；
S3、根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定；若上下煤层间无关键层，则切眼距煤柱边界的距离需小于煤柱上方关键层的周期破断距，并处于煤柱边界应力峰值之外；若煤层间存在1层或多层关键层时，切眼可更深入煤柱内部布置，仅需保证煤层间最上位关键层初次破断结构前端铰接点的摩擦力及其下部支架阻力和煤柱上方关键层破断块体回转传递的载荷相对中间铰接点达到力矩平衡，或者使得该关键层初次破断块体在煤柱边界对应位置的下沉量达到煤柱上方关键层破断块体的回转量即可。

2.  如权利要求1所述的浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，其特征在于，在步骤S1中，所述钻孔柱状资料为矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。

3.  如权利要求1所述的浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，其特征在于，在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。

4.  如权利要求1所述的浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法， 其特征在于，所述确定方法进一步包括:
(1)上下煤层间无关键层时
切眼布置时应避免煤柱上方关键层发生悬臂式破断，同时还应保证切眼处于上覆煤柱边界应力峰值之外；即切眼位置d_m应满足如式(1)所示的条件：
D+Y<d_m<l₁                    (1)
式中，D为切眼宽度；l₁为煤柱上方关键层的周期破断步距，可根据上煤层开采时周期来压步距的实测值进行确定；Y为煤柱边界塑性区宽度，其中，M₁、H分别为煤柱厚度和埋深，C、分别为煤体的内聚力和内摩擦角，γ为岩层容重，K为应力集中系数，f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，ξ为三轴应力系数，
(2)上下煤层间存在1层关键层时
对于煤层间存在1层关键层的开采情形，其切眼的布置可更深入煤柱内部，仅需保证煤柱上方关键层破断块体的回转作用对工作面支架不产生影响即可；
按关键层破断块体回转量计算：根据压架机理的分析，工作面的压架实际是上支架活柱吸收了煤柱上方关键层破断块体G的回转量Δ₁；因此，若煤层间关键层2初次破断时的回转量较大而能吸收破断块体G的回转量时，那么工作面的支架将不会受到影响；所以，煤柱边界处对应关键层2破断块体的下沉量Δ_b应满足Δ_b≥Δ₁，其中，Δ₂为关键层2破断块体的回转空间；而
Δb=2(L2-dm)L2Δ2---(2)]]>
由此可化简得：
d_m≤(1-0.5Δ₁/Δ₂)L₂                 (3) 其中，Δ₁＝M₁+(1-K_p1)∑h_i1，Δ₂＝M₂+(1-K_p2)∑h_i2，M₂为下煤层采高，∑h_i1、K_p1为上煤层直接顶厚度及其碎胀系数，∑h_i2、K_p2为下煤层直接顶厚度及其碎胀系数；
按关键层破断结构稳定性计算：即应保证上覆载荷的作用使关键层2初次破断块体铰接结构不致发生滑落失稳，即应满足
FB(lb-L22)+L228q′≤RB′&CenterDot;L2-lk2+R0L22---(4)]]>
式中，F_B为煤柱上方关键层1悬臂式破断回转过程中传递给煤层间关键层2的载荷，其中，i₁、α分别为关键层1破断块体块度和回转角，i₁＝h₁/l₁，h₁为关键层1厚度，q为关键层1自重及其上覆载荷，k_b为系数，k_b＝l_b/d_m，l_b为F_B相对左侧铰接点的力矩，l_b＝d_m/2+L₂/4；L₂为关键层2的初次破断步距，可根据邻近工作面初次来压步距的实测结果取值；q′为关键层2自重及其与关键层1之间岩层的载荷；R_B′为工作面支架通过顶板岩层的支撑力，R_B′＝R_zj/L-l_kγ∑h_i2，R_zj、L、l_k分别为工作面支架的工作阻力、支架宽度及支架控顶距；R₀为块体铰接处的摩擦力，T、分别为关键层2破断岩块间的水平推力和摩擦系数，T＝δσ_c/2，δ=h22[1-tan(β2-θ2)cotβ2]-L22(1-cosθ2)tan(β2-θ2),]]>其中，δ为破断块体铰接处的接触面高度，h₂为关键层2的厚度，β₂、θ₂分别为关键层2破断块体的断裂角和回转角；σ_c为关键层2破断块体的单轴抗压强度；
实际计算时，分别按式(3)、式(4)进行计算，然后取其较大值作为最终的合理切眼位置；
当然，若上下煤层间存在2层或2层以上的多层关键层时，下煤层切眼位 置的确定则与上述煤层间存在1层关键层时类似，即使得煤层间最上面一层关键层的破断满足式(3)或式(4)即可。

一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法
技术领域
本发明属于煤矿井下开采技术领域，尤其涉及一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法。
背景技术
近距离煤层群开采过程中，由于切眼的断面较大、不易支护，下煤层工作面布置时通常会将其设置在上煤层开采的遗留煤柱区下；由此，工作面初采阶段将会经历由上覆煤柱区进入采空区下的开采过程，即出一侧采空煤柱的开采，如附图3所示，图中d_m为下煤层切眼距上覆一侧采空煤柱边界的距离。现场的开采实践与观测结果显示，多个工作面在此过程中发生了严重的压架现象，出现了支架活柱瞬时大幅下缩(超过500mm)、支架被压死或导致采煤机无法通过等剧烈的来压现象，给人员的安全和矿井的高效生产带来了极大的影响；且此类灾害在我国西北部的神东、伊泰等浅埋近距离煤层赋存矿区的开采过程中显得尤为普遍。如何确保类似工作面在推出上覆一侧采空煤柱开采时的安全，已成为上述矿区亟待解决的技术难题。
针对上述压架灾害，相关研究已结合神东矿区部分矿井采出上覆一侧采空煤柱的开采条件，从煤柱上方关键层破断运动的角度对其发生的内在机理进行了研究。结果表明，工作面出煤柱时，煤柱上方关键层破断块体与煤柱边界采 空区一侧已断块体始终无法形成稳定的承载结构，该结构的回转运动传递给煤层间岩层及支架的过大载荷是造成压架发生的根本原因。因此，如何保证煤柱上方关键层在出煤柱时不发生破断，或其破断回转传递的载荷不致引起煤层间岩层的切落，是防治压架的关键。而下煤层切眼在上覆一侧采空煤柱下布置位置的不同，将直接影响到煤柱上方关键层的破断运动型式及其传递载荷的大小。所以，合理确定下煤层切眼的布置位置是解决上述压架问题的有效途径。
目前，现场工程技术人员在对浅埋近距离下部煤层的切眼进行布置时，单纯以是否便于切眼的支护作为依据进行设计，而未能考虑后续工作面采出上覆一侧采空煤柱时的压架防治。因此，有必要设计一种专门用于浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，旨在结合各矿井具体煤层赋存条件及煤层上覆岩层岩性结构特征，统筹考虑煤层埋深、上下煤层间距、煤层间是否存在关键层、覆岩关键层破断步距等，据此确立浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的计算方法，指导解决矿井压架问题以及浅埋近距离煤层安全开采的研究，保障矿井安全生产及井下人员安全。
本发明是这样实现的，一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，包括以下步骤：
S1、收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；
S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；
S3、根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定。
优选地，在步骤S1中，所述钻孔柱状资料为矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。
优选地，在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。
优选地，在步骤S3中，所述切眼位置的确定方法包括以下具体过程：
(1)上下煤层间无关键层时
切眼布置时应避免煤柱上方关键层发生悬臂式破断，同时还应保证切眼处于上覆煤柱边界应力峰值之外；即切眼位置d_m应满足如式(1)所示的条件：
D+Y<d_m<l₁                 (1)
式中，D为切眼宽度；l₁为煤柱上方关键层的周期破断步距，可根据上煤层开采时周期来压步距的实测值进行确定；Y为煤柱边界塑性区宽度，其中，M₁、H分别为煤柱厚度和埋深，C、分别为煤体的内聚力和内摩擦角，γ为岩层容重，K为应力集中系数(一般取值2～5)，f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，ξ为三轴应力系数，
(2)上下煤层间存在1层关键层时
对于煤层间存在1层关键层的开采情形，其切眼的布置可更深入煤柱内部，仅需保证煤柱上方关键层破断块体的回转作用对工作面支架不产生影响即可，依此可建立如附图4所示的力学模型。可按照关键层破断块体回转量及关键层破断结构稳定性这2个方面进行切眼位置的确定。
按关键层破断块体回转量计算：根据压架机理的分析，工作面的压架实际是上支架活柱吸收了煤柱上方关键层破断块体G的回转量Δ₁。因此，若煤层间关键层2初次破断时的回转量较大而能吸收破断块体G的回转量时，那么工作面的支架将不会受到影响。所以，煤柱边界处对应关键层2破断块体的下沉量Δ_b应满足Δ_b≥Δ₁，其中，Δ₂为关键层2破断块体的回转空间。而
Δb=2(L2-dm)L2Δ2---(2)]]>
由此可化简得：
d_m≤(1-0.5Δ₁/Δ₂)L₂             (3)
其中，Δ₁＝M₁+(1-K_p1)∑h_i1，Δ₂＝M₂+(1-K_p2)∑h_i2，M₂为下煤层采高，∑h_i1、K_p1为上煤层直接顶厚度及其碎胀系数，∑h_i2、K_p2为下煤层直接顶厚度及其碎胀系数。
按关键层破断结构稳定性计算：即应保证上覆载荷的作用使关键层2初次破断块体铰接结构不致发生滑落失稳，即应满足
FB(lb-L22)+L228q′≤RB′&CenterDot;L2-lk2+R0L22---(4)]]>
式中，F_B为煤柱上方关键层1悬臂式破断回转过程中传递给煤层间关键层2的载荷，其中，i₁、α分别为关键层1破断块体块度和回转角，i₁＝h₁/l₁，h₁为关键层1厚度，q为关键层1自重及其上覆载荷，k_b为系数，k_b＝l_b/d_m，l_b为F_B相对左侧铰接点的力矩，l_b＝d_m/2+L₂/4；L₂为关键层2的初次破断步距，可根据邻近工作面初次来压步距的实测结果取值；q′为关键层2自重及其与关键层1之间岩层的载荷；R_B′为工作面支架通过顶板岩层的支撑力，R_B′＝R_zj/L-l_kγ∑h_i2，R_zj、L、l_k分别为工作面支架的工作阻力、支架 宽度及支架控顶距；R₀为块体铰接处的摩擦力，T、分别为关键层2破断岩块间的水平推力和摩擦系数，T＝δσ_c/2，δ=h22[1-tan(β2-θ2)cotβ2]-L22(1-cosθ2)tan(β2-θ2),]]>其中，δ为破断块体铰接处的接触面高度，h₂为关键层2的厚度，β₂、θ₂分别为关键层2破断块体的断裂角(即断裂面与岩层层面的夹角)和回转角；σ_c为关键层2破断块体的单轴抗压强度。
实际计算时，分别按式(3)、式(4)进行计算，然后取其较大值作为最终的合理切眼位置。
当然，若上下煤层间存在2层或2层以上的多层关键层时，下煤层切眼位置的确定则与上述煤层间存在1层关键层时类似，即使得煤层间最上面一层关键层的破断满足式(3)或式(4)即可。
本发明克服现有技术的不足，提供一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，根据具体开采条件下采场上覆岩层结构特征，通过收集所要判别工作面的地面钻孔柱状资料，首先，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位；其次，根据上下煤层间是否存在关键层按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定。若煤层间无关键层，切眼距煤柱边界的距离需小于煤柱上方关键层的周期破断距，并处于煤柱边界应力峰值之外；若煤层间存在1层或多层关键层时，切眼可更深入煤柱内部布置，仅需保证煤层间最上位关键层初次破断结构前端铰接点的摩擦力及其下部支架阻力和煤柱上方关键层破断块体回转传递的载荷相对中间铰接点达到力矩平衡，或者使得该关键层初次破断块体在煤柱边界对应位置的下沉量达到煤柱上方关键层破断块体的回转量即 可。
本发明不但考虑了上覆一侧采空煤柱边界应力峰值对切眼掘进和支护的影响，而且还考虑了下煤层工作面在采出上覆一侧采空煤柱时煤柱上方关键层破断运动对工作面矿压显现及压架灾害发生的影响，其可靠性得到了工程实测的验证。本发明将能够适应不同开采条件下一侧采空煤柱下方切眼位置的确定，可为浅埋近距离煤层重复开采时的安全高效生产提供保障，其计算结果可靠，实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例中浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置确定方法的步骤流程图；
图2是本发明浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法；
图3是浅埋近距离下煤层工作面采出上覆一侧采空煤柱开采的示意图；
图4是浅埋近距离上下煤层间存在1层关键层时，该关键层初次破断块体结构的力学模型；
图5是本发明实际应用过程中对石圪台煤矿12102工作面上覆一侧采空煤柱附近K34钻孔柱状及关键层位置判别结果；
图6是本发明实际应用过程中对石圪台煤矿12104工作面上覆一侧采空煤柱附近K33钻孔柱状及关键层位置判别结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
S1、收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；
在步骤S1中，所收集的钻孔柱状资料主要为工作面周边在矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。
S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；
在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。在利用关键层判别软件KSPB对覆岩关键层位置进行判别的时候，需要根据地面钻孔全柱状输入一系列参数，如：岩层的厚度，弹性模量，抗拉强度，容重，岩层破断角和松散层载荷传递系数。其中，岩性参数与岩层厚度可以通过矿区地面钻孔柱状图获得；容重、抗拉强度、弹性模量可以通过制作标准岩样进行岩石物理力学参数测试获得。
S3、根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定。
在步骤S3中，确定下煤层切眼在上覆一侧采空煤柱下方的布置位置。如果上下煤层间不存在关键层，则切眼距煤柱边界的距离d_m需小于煤柱上方关键层的周期破断距l₁，并处于煤柱边界应力峰值之外，即应满足公式(1)所示的条件。而如果上下煤层间存在1层或多层关键层时，切眼可更深入煤柱内部布置，仅需保证煤层间最上位关键层初次破断结构前端铰接点的摩擦力R₀及其下部 支架阻力R_zj和煤柱上方关键层破断块体回转传递的载荷F_B相对中间铰接点达到力矩平衡，或者使得该关键层初次破断块体在煤柱边界对应位置的下沉量Δ_b达到煤柱上方关键层破断块体的回转量Δ₁即可，即应满足公式(3)和公式(4)所示的条件。
本发明在石圪台煤矿12102工作面切眼布置的实际应用过程中，如图5所示为上覆一侧采空煤柱附近K34钻孔柱状的关键层位置判别结果，从柱状的关键层位置判别结果可以看出，12102工作面所处的1^-2煤与上覆1^-2上煤间无关键层存在，因此，应按照公式(1)进行切眼位置的确定。上覆1^-2上煤厚度M₁＝2.18m，埋深H＝58.08m，应力集中系数K＝4，煤体的黏聚力C＝1.5Mpa，内摩擦角煤层与顶底板接触面的摩擦因数f＝0.25，则可计算出上覆1^-2上煤一侧采空煤柱边界塑性区宽度Y＝0.4m。因切眼宽度D＝7.5m，上覆1^-2上煤开采时的实测周期来压步距为l₁＝9～13m因此，切眼的合理布置位置应为7.9<d_m<(9～13)。
或者，本发明在石圪台煤矿12104工作面切眼布置的实际应用过程中，如图6所示为上覆一侧采空煤柱附近K33钻孔柱状的关键层位置判别结果，从柱状的关键层位置判别结果可以看出，12104工作面所处的1^-2煤与上覆1^-2上煤间仅存在1层关键层，因此，应按照公式(3)或公式(4)进行切眼位置的确定。首先根据公式(3)，由K33钻孔柱状可知上覆1^-2上煤厚度M₁＝2m，下部1-2煤厚度M₂＝2.08m，上下煤层直接顶厚度∑h_i1、∑h_i2分别为4.49m和7.49m，取上下煤层直接顶碎胀系数K_p1＝K_p2＝1.2，则可计算得Δ₁＝1.102m，Δ₂＝0.582m；因Δ₁>Δ₂，不满足煤层间关键层初次破断时的回转量能吸收煤柱上方破断块体回转量的要求，因此，无法按照公式(3)进行计算，只能按照公式(4)计算。
根据12104工作面邻近工作面初次来压步距实测值取L₂＝43.0m，煤柱上方 关键层破断长度按上煤层开采实测周期来压步距取l₁＝13m，破断块体的块度i₁＝0.671，回转角α＝8°，关键层1自重及其上覆载荷根据K33钻孔柱状可得q＝0.319MPa，煤层间关键层自重及其与煤柱上方关键层之间岩层的载荷q′＝0.322MPa，按工作面所用支架的工作阻力R_zj＝8824kN，控顶距l_k＝5.5m，支架宽度L＝1.75m，岩石容重γ＝25kN/m³，煤层间关键层的单轴抗压强度σ_c＝39.9MPa，β₂、α₂分别取值85°和8°，取0.3。由此根据公式(4)可计算得切眼的合理布置位置应为d_m≤35.7m。
在本发明实施例中，不但考虑了上覆一侧采空煤柱边界应力峰值对切眼掘进和支护的影响，而且还考虑了下煤层工作面在采出上覆一侧采空煤柱时煤柱上方关键层破断运动对工作面矿压显现及压架灾害发生的影响，其可靠性得到了工程实测的验证。本发明能够适应不同开采条件下一侧采空煤柱下方切眼位置的确定，可为浅埋近距离煤层重复开采时的安全高效生产提供保障，其计算结果可靠，实用性强。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)不但考虑了上覆一侧采空煤柱边界应力峰值对切眼掘进和支护的影响，而且还考虑了下煤层工作面在采出上覆一侧采空煤柱时煤柱上方关键层破断运动对工作面矿压显现及压架灾害发生的影响，其可靠性得到了工程实测的验证。
(2)本发明能够适应不同开采条件下一侧采空煤柱下方切眼位置的确定，可为浅埋近距离煤层重复开采时的安全高效生产提供保障，其计算结果可靠，实用性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。