一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法及采矿方法技术

本申请涉及一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法及采矿方法，其中，所述防冲煤柱设计方法，在上山两侧采空区为充分采动状态下，基于煤柱上方承受的最大载荷P与防冲煤柱宽度B的比值与发生冲击地压的临界应力σ

【技术实现步骤摘要】
一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法及采矿方法


[0001]本申请属于安全采矿
，涉及一种冲击地压煤矿采区上山防冲煤柱设计方法，具体而言涉及一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法及采矿方法。

技术介绍

[0002]冲击地压是一种典型的矿山动力现象，具有极大的危害性。这种动力现象瞬间将聚积在煤岩体中的大量弹性变形能以急剧、猛烈的形式释放，造成煤岩体破坏并产生强烈震动，动力将破碎煤岩抛向井巷采掘空间，发出强烈声响，造成设备损坏、井巷破坏以及人员伤亡等。
[0003]随着煤矿地质条件恶化、应力集中程度加剧，可以预计将有越来越多的煤矿会出现工作面回采与开拓/准备巷道维护的矛盾、巷道破坏甚至冲击地压显现问题。上山巷道的防冲要求日益增高，尤其是深部矿井，采用留煤柱护巷的上山准备巷道，留有足够宽度煤柱（工作面距离上山很远时）依然有发生冲击的可能。受采动影响以及煤柱冲击的影响，采区上山巷道的安全、维护和工作面的回采形成了相互制约的局面，影响了工作面的安全生产。同时，如果护巷煤柱留设过小，还会造成采区上山巷道的大变形，因此，合理有效的采区上山防冲煤柱设计方法对冲击地压矿井的安全高效开采具有重要意义。
[0004]针对防冲而言，煤柱尺寸一般建议采用大煤柱或者小煤柱。对于开拓或者准备巷道而言，如果护巷煤柱留设过小，会造成开拓或准备巷道的维护困难，增大生产成本；若采用大煤柱护巷，则会造成煤炭资源的损失。因此，好的煤柱设计不仅要能保证巷道内支护质量和人员设备安全，能够保持长期稳定性，在具有冲击危险的矿井，还要能够降低冲击危险性，不能出现煤柱型冲击。
[0005]目前上山防冲煤柱的留设方法主要为工程类比法与实验模拟法。此类方法根据工程经验，基于现场矿压显现数据监测与分析，以相邻采区上山煤柱留设宽度为依据，进而为新采区上山保护煤柱/防冲煤柱留设提供依据。然而，这种工程类比法未考虑工程间的差异以及工程的特殊条件，并且随着采深的加大，为了提高安全系数，煤柱留设往往越来越大，即便满足了防冲要求，但是煤炭资源损失量巨大，并不科学合理。因此，面对冲击地压的严重趋势与资源高效开发，有必要探索和研发更为科学与合理的上山防冲煤柱留设方法。此外，受采动影响的大巷防冲与护巷方法，传统技术手段主要为加强巷道支护并进行及时扩刷、巷修或者进行两帮与底板的爆破/钻孔卸压，但是这些方法中并没有充分考虑护巷与防冲双重需要，多属于被动的卸压解危，卸压保护带范围小，同时巷道修护的工程量较大，有时需要反复多次进行，对生产影响大，综合成本高。

技术实现思路

[0006]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法及采矿方法，用以解决现有采区上山防冲煤柱留设不合理、资源浪费与安全矛盾、主要依据经验类比进行设计导致煤柱预留不合理的问题。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：一方面，提供一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，包括如下步骤：在上山两侧采空区为充分采动状态下，基于煤柱上方承受的最大载荷P与防冲煤柱宽度B的比值与发生冲击地压的临界应力σ
bmin
的大小关系，得到不发生冲击地压的防冲煤柱宽度判别公式：；基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围。
[0008]进一步地，基于主关键层破断步距L
Z
与采空区尺寸D的关系判断上山两侧采空区是否为充分采动状态；当D≥L
Z
时，上山两侧采空区为充分采动状态；式中，D为采空区尺寸，m；L
Z
为主关键层破断步距，m。
[0009]进一步地，主关键层破断步距L
Z
的计算公式为：，式中：h
ks
：主关键层的厚度，m；σ
ks
：主关键层的抗拉强度，MPa；q：主关键承受的载荷，MPa。
[0010]进一步地，根据冲击地压发生的应力条件与单轴抗压强度R
C
，确定发生冲击地压的临界应力σ
bmin
：当R
C
＞20MPa时：σ
bmin
=50 MPa；当R
C
＜16MPa时：σ
bmin
=70MPa；当16≤R
C
≤20MPa时：50＜σ
bmin
＜70 MPa。
[0011]进一步地，按照以下第一公式计算煤柱上方承受的最大载荷P：；基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围为：；式中：B为防冲煤柱宽度，m；γ为煤层上覆岩层的容重，KN/m3；H为煤柱埋深，m；σ
bmin
为发生冲击地压的临界应力，MPa。
[0012]进一步地，按照以下第二公式计算煤柱上方承受的最大载荷P：；
基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围为：；式中：B为防冲煤柱宽度，m；γ为煤层上覆岩层的容重，KN/m3；H为煤柱埋深，m；L
b
为老顶周期来压步距，m；β为煤壁支撑影响角，60
°
≤β≤80
°
。
[0013]进一步地，根据上山巷道使用年限确定巷道不采取加强支护或卸压处理的安全系数k1，得到防冲煤柱的第一修正宽度B
j
，B
j
的计算公式为：B
j
= k1×
B；当上山巷道服务年限≤5年，则k1=1.5；当上山巷道服务年限＞5年，则k1≥2.0。
[0014]进一步地，基于巷道的支护措施类型，确定支护强化系数，得到防冲煤柱的第二修正宽度，的计算公式为：；式中：k2为支护强化系数，k2≥1。
[0015]进一步地，若支护措施采用注浆、锚注加强支护，则k2=1.15；若支护措施采用加密锚索支护，则，式中，S2为加强支护后的锚索支护密度，根/平米； S1为原支护密度，根/平米；若支护措施采用门式支架、可缩性O型棚、巷道液压支架或巷道单元支架的中的一者或多者，则k2=1.25~1.5。
[0016]进一步地，若实施顶板深孔预裂切顶，计算切顶后防冲煤柱宽度B'；基于切顶后防冲煤柱宽度B'得到防冲煤柱的第三修正宽度B
SZ
，B
SZ
的计算公式为：，式中：k1为安全系数，k2为支护强化系数。
[0017]进一步地，利用第一公式计算煤柱上方承受的最大载荷P，基于所述判别公式，得到切顶后防冲煤柱宽度B'；当一侧切顶时，则；
当两侧切顶时，则；或者，利用第二公式计算煤柱上方承受的最大载荷P，基于所述判别公式，得到切顶后防冲煤柱宽度B'；当一侧切顶时，则；当两侧切顶时，则；上式中：L
q1
、L
q2
分别为上山两侧的切顶距离，m；若无切顶措施，则L
q1
= L
q2
=0；若只一侧切顶，则L
q2
=0、L
q1
≠0；若两侧切顶，则L
q1
≠0且L
q2
≠0；将第一公式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，包括如下步骤：在上山两侧采空区为充分采动状态下，基于煤柱上方承受的最大载荷P与防冲煤柱宽度B的比值与发生冲击地压的临界应力σ
bmin
的大小关系，得到不发生冲击地压的防冲煤柱宽度判别公式：；基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围。2.根据权利要求1所述的两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，其特征在于，根据冲击地压发生的应力条件与单轴抗压强度R
C
，确定发生冲击地压的临界应力σ
bmin
：当R
C
＞20MPa时：σ
bmin
=50 MPa；当R
C
＜16MPa时：σ
bmin
=70MPa；当16≤R
C
≤20MPa时：50＜σ
bmin
＜70 MPa。3.根据权利要求2所述的两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，其特征在于，按照以下第一公式计算煤柱上方承受的最大载荷：；基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围为：；式中：B为防冲煤柱宽度，m；γ为煤层上覆岩层的容重，KN/m3；H为煤柱埋深，m；σ
bmin
为发生冲击地压的临界应力，MPa。4.根据权利要求2所述的两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，其特征在于，按照以下第二公式计算煤柱上方承受的最大载荷：；基于所述判别公式，得到防冲煤柱宽度B的取值范围为：；式中：B为防冲煤柱宽度，m；γ为煤层上覆岩层的容重，KN/m3；H为煤柱埋深，m；L
b
为老顶周期来压步距，m；β为煤壁支撑影响角，60
°
≤β≤80
°
。5.根据权利要求4所述的两侧充分采动采区上山防冲煤柱设计方法，其特征在于，根据上山巷道使用年限确定巷道不采取加强支护或卸压处理的安全系数k1，得到防冲煤柱的第一修正宽度B
j
，B
j
的计算公式为：
B
j
= k1×
B；当上...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺虎，岳晓明，张雷，李兵，徐大连，牟宗龙，蔡武，窦林名，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：