一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，采用室内试验、理论计算、数值模拟和现场测试等手段，提出了“锚杆+金属网+喷射混凝土+中空注浆锚索补强加固煤柱”的强力约束煤柱加固方案，确定了煤柱的合理留设宽度，保证了煤柱和回采巷道的长期稳定性。采用本发明专利技术的方法一方面可大幅度减少巷道后期维护工程量及维护费用，另一方面保证了工作面的安全高效回采。因此，本发明专利技术提出的一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法具有重要的理论意义和工程实践价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿开采领域，具体涉及一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法。
技术介绍
目前，我国大部分煤矿开采仍然采用留设保护煤柱的方法，要在保证安全开采的同时，尽量减少煤炭资源损失，就要设置合理的保护煤柱。大量研究证明,对于综放沿空掘巷而言,小煤柱尺寸在很大程度上决定着该类巷道的稳定性,许多巷道存在因煤柱尺寸留设不合理而造成垮冒及严重变形而影响安全生产。若留宽过大，煤柱将长期处于侧向支承压力影响区，不利于煤柱稳定；留宽过小则不能有效地密闭采空区。合理的煤柱尺寸不仅可以减小巷道的变形，减小巷道维护工程量，而且还可以减少煤炭资源损失。我国大部分煤矿仍然依靠经验来确定煤柱宽度，缺乏科学理论指导，往往造成煤炭资源的浪费，出现巷道回采及掘进中难以维护现象。沿空掘巷是上世纪70年代发展起来的新型巷道布置方式，在淮南、平顶山、神华等矿区均成功运用。在保护煤柱尺寸设计时，避开采动支承压力峰值作用范围和时间是煤柱尺寸留设和沿空巷道掘进时空关系选择的主要理论依据。通过对目前国内保护煤柱留设方法的现状分析可以看出，根据岩层与地表移动规律，利用变形预计法留设保护煤柱更合理、更科学、更有利于矿区的可持续发展。变形预计法和其他方法计算结果相互比较和分析，可以使设计出的保护煤柱更合理，既达到安全开采的目的，又能解放出更多的煤炭资源，提高矿山的资源回收率，延长矿井的服务年限。现有的煤柱留设方法和技术存在：回采煤巷围岩稳定性控制和评价体系研究成果主要依靠现场实践和经验的总结；有关控制和评价理论、评价因素和指标、评价方法和应用模型、评价与支护对策等一系列方面的问题尚没有系统的认识；实践过程中存在较大的盲目性；煤柱留设方法与回采巷道围岩稳定性控制与评价缺乏科学性和实用性等缺陷。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，通过室内试验、理论计算、数值模拟和现场测试等手段，确定了煤柱的合理留设宽度，保证了煤柱和回采巷道的长期稳定性。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，包括以下步骤：步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。其中步骤二中护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：S=L1+2M+L2式中：L1—采空区侧塑性区宽度；L2—巷道侧塑性区宽度，L1=L2；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高。对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理。在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：x1=mAln[(kγH+C0/tanφ)/(C0/tanφ+P0/A)]/2tanφ式中：m—上区段平巷高度；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ—煤体内摩擦角；C0—煤体粘聚力；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa时，k＝2.5；H—巷道埋藏深度；γ—岩层平均体积力；P0—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P0＝0。本专利技术的有益技术成果：采用本专利技术的方法一方面在保证安全开采的同时，煤柱宽度降低40%～50%，提高了煤炭资源的回采率；另一方面可大幅度减少巷道后期维护工程量及维护费用，此外，提出的“锚杆+金属网+喷射混凝土+中空注浆锚索补强加固煤柱”的强力约束煤柱加固方案保证了工作面的安全高效回采。因此，本专利技术提出的一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法具有重要的理论意义和工程实践价值。附图说明图12621工作面平面图22621工作面断面图32621工作面煤柱综合柱状图图4煤柱宽度20m时塑性区分布图5煤柱宽度25m时塑性区分布图6煤柱宽度30m时塑性区分布图7煤柱宽度35m时塑性区分布图8不同煤柱宽度时巷道表面围岩收敛数值计算结果图9不同煤柱宽度时煤柱应力数值计算结果图10煤柱应力测试结果图11锚杆（索）测试结果具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本专利技术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专利技术,并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，包括如下步骤：步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。其中步骤二中护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：S=L1+2M+L2式中：L1—采空区侧塑性区宽度；L2—巷道侧塑性区宽度，L1=L2；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高。对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理。在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：x1=mAln[(kγH+C0/tanφ)/(C0/tanφ+P0/A)]/2tanφ式中：m—上区段平巷高度；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，为泊松比；φ—煤体内摩擦角；C0—煤体粘聚力；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa时，＝2.5；H—巷道埋藏深度；γ—岩层平均体积力；P0—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P0＝0。实施例1工程概况某煤矿埋深300m，其2621工作面东西部为地表采煤沉陷区，东部为已开采的2521工作面；西部为原南一1421、1422工作面采空区、南三6121工作面采空区，北段上方为1511、1611、1711工作面采空区，2621工作面成为孤岛型的开采区。2621工作面在井下位置如附图1和附图2所示。工作面煤层工程地质柱状图如附图3所示。回采巷道工作面为矩形断面，尺寸为宽×高=4.7m×3.5m，采用中空注浆锚索+锚网喷联合支护设计。支护参数为：锚杆为φ20mm的螺纹钢锚杆，顶部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。

【技术特征摘要】
1.一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。2.一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，步骤一中煤岩物理力学参数测试包括：单轴抗压强度σc、单轴抗拉拉强...

【专利技术属性】
技术研发人员：张向东，于昊荻，刘家顺，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21