一种基于地表变形指标的煤矿“充-留”尺寸和充填率的确定方法技术

本发明专利技术公开一种基于地表变形指标的煤矿“充

【技术实现步骤摘要】
一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法


[0001]本专利技术涉及采空区填充
具体地说是一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法。

技术介绍

[0002]作为我国主体能源，煤炭分布范围广，需求量大。煤炭工业的现代化，极大促进了煤炭采出量，但同时也伴随着各种技术和环境问题。中国煤炭主产区特别是东部矿区，随着煤炭资源的逐渐枯竭，“三下”压煤问题愈加突出，特别是厚煤层(煤厚大于3.5m)条件开采地表移动变形较大，建(构)筑物易发生损坏，如何保障资源开发与人居和生态环境保护的协调发展成为煤矿企业亟需解决的重要技术难题。
[0003]目前，我国三下采煤实践主要采用条带开采和充填开采。条带开采作为部分开采的一种，通过采一条留一条，使得留下来的煤柱足以支撑上覆岩层，控制地表移动变形，但存在资源采出率低的缺点。充填开采通过将充填体充填至采空区，达到置换煤柱和减小采动空间的效果，但成本较高、可靠性有待提升。而“充
‑
留”开采综合了条带开采和充填开采的技术优势，通过合理布置煤柱和充填工作面，改善了煤柱受力环境，提高了煤柱整体支撑强度，可实现安全、高效、高采出率开采，该技术既保障了地下资源采出率，又能实现地表人居和生态环境保护目标。
[0004]专利文献CN113688462A公开了一种条带式采空区控制充填关键参数设计方法，该方法充分发挥了遗留煤柱的承载性能，通过综合分析矿井实际地质开采条件和煤柱力学实验测试结果，确定煤柱保持长期稳定所匹配的最优的充填治理方式和充填参数。但该技术方案属于遗煤老采空区的事后治理，以煤柱受力状态和稳定性为条件确定充填参数，未考虑对地表的控制程度。专利文献CN102011611A公开了一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，该方法以关键层理论为基础，计算关键层的极限跨度和安全跨度，然后确定充填参数；关键层作为上覆岩层和地表移动变形的控制层，该技术方法核心就在于保证关键层不破断，来确定条带式充填最经济的充填宽度和充填率，从而实现生产效益最大化。但该技术方案的条带式充填方法，主要是通过控制关键层来减缓覆岩和地表移动变形，但具体的控制程度无法定量化表达，难以达到地表控制和井下工程设计的最优匹配。
[0005]“充
‑
留”开采参数的科学合理确定是保障井下煤柱稳定性以及地表良好控制效果的关键。但目前参数确定方法多是从关键层理论或煤柱和充填体本身承载特性出发，较少的兼顾地下到地表这一整体，实现目标控制和工程设计的协调统一。因此，有必要设计一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，通过协调地表控制目标和井下工程设计这一整体，实现“充
‑
留”关键参数的确定，保障采动影响区地表建(构)筑物的使用安全。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，包括如下步骤：
[0009]步骤(1)：根据受护对象自身结构特点和保护要求，确定地表临界变形指标；
[0010]步骤(2)：根据地表临界变形指标与煤层赋存参数，计算采空区最大允许采厚；
[0011]步骤(3)：基于Wi l son两区约束理论和地表非充分采动原理，分别测算充填面宽度和煤柱留设宽度；
[0012]步骤(4)：根据充填体侧护作用，调整充填面宽度和煤柱留设宽度，确定充填面最终设计宽度和煤柱留设最终宽度；
[0013]步骤(5)：根据采空区允许最大采厚、煤柱和充填面宽度，确定“充
‑
留”开采的最小充填率。
[0014]上述基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，步骤(1)中：
[0015]①
对于高耸建筑物：选择损坏等级Ⅱ级的倾斜变形值i
m
作为地表临界变形指标；
[0016]②
对于连片的大跨度厂房：选择损坏等级Ⅲ级的曲率变形值k
m
作为地表临界变形指标；
[0017]③
对于普通民房：选择损坏等级Ⅱ级的拉伸变形值ε
m
作为地表临界变形指标。目前，矿区房屋的结构类型较以往(砖木/砖混结构)变化较大，在选取地表临界变形指标时，也可通过房屋损坏模拟实验获得。
[0018]上述基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，步骤(2)中：
[0019]①
对于高耸建筑物：采空区最大允许采厚的计算公式为
[0020][0021]②
对于连片的大跨度厂房：采空区最大允许采厚的计算公式为
[0022][0023]③
对于普通民房：采空区最大允许采厚的计算公式为
[0024][0025]上述公式中，r为主要影响半径，n1为工作面沿走向的采动程度系数，n3为工作面沿倾向的采动程度系数；α为煤层倾角，q为工作面充分采动时地表下沉系数；b为水平移动系数。采空区最大允许采厚也可通过数值模拟或目标矿区总结的经验模型公式计算得到。
[0026]上述基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，i
m
、k
m
、ε
m
和r的计算公式分别为：
[0027][0028]其中，
[0029]上述公式中，H为采深，M为采厚，θ为主要影响角，η为工作面非充分开采时地表下
沉率；n1和n3的取值范围为[0,1],若计算结果大于1则取1；D1为工作面倾向长度，D3为工作面走向长度，当多个工作面相邻开采时D1和D3则分别为该方向上的累计长度；f为覆岩岩性系数：软岩取0.9，中硬岩取0.8，硬岩取0.7。
[0030]上述基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，步骤(3)中，煤柱留设宽度a1的计算公式为：
[0031][0032]公式中，ρ
r
为煤柱保持稳定的核区率，取值范围为[0.65,1)；μ为煤柱安全系数，取值为1.5～2.0；
[0033]充填面宽度b1的计算公式为：b1＝λH；公式中，λ为非充分开采工作面的宽深比，取值为0.1～0.3。
[0034]上述基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，步骤(4)中，充填面宽度和煤柱留设宽度的调整值Δ的计算公式为：
[0035][0036]公式中，ρ为充填体密度；σ为煤柱单轴抗压强度，σ＇为煤柱三轴抗压强度；φ1为煤柱内摩擦角，φ2为充填体内摩擦角；
[0037]则充填面最终设计宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：根据受护对象自身结构特点和保护要求，确定地表临界变形指标；步骤(2)：根据地表临界变形指标与煤层赋存参数，计算采空区最大允许采厚；步骤(3)：基于Wilson两区约束理论和地表非充分采动原理，分别测算充填面宽度和煤柱留设宽度；步骤(4)：根据充填体侧护作用，调整充填面宽度和煤柱留设宽度，确定充填面最终设计宽度和煤柱留设最终宽度；步骤(5)：根据采空区允许最大采厚、煤柱和充填面宽度，确定“充
‑
留”开采的最小充填率。2.根据权利要求1所述的基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，其特征在于，步骤(1)中：
①
对于高耸建筑物：选择损坏等级Ⅱ级的倾斜变形值i
m
作为地表临界变形指标；
②
对于连片的大跨度厂房：选择损坏等级Ⅲ级的曲率变形值k
m
作为地表临界变形指标；
③
对于普通民房：选择损坏等级Ⅱ级的拉伸变形值ε
m
作为地表临界变形指标。3.根据权利要求2所述的基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，其特征在于，步骤(2)中：
①
对于高耸建筑物：采空区最大允许采厚的计算公式为
②
对于连片的大跨度厂房：采空区最大允许采厚的计算公式为
③
对于普通民房：采空区最大允许采厚的计算公式为上述公式中，r为主要影响半径，n1为工作面沿走向的采动程度系数，n3为工作面沿倾向的采动程度系数；α为煤层倾角，q为工作面充分采动时地表下沉系数；b为水平移动系数。4.根据权利要求3所述的基于地表变形指标的煤矿“充
‑
留”尺寸和充填率的确定方法，其特征在于，i
m
、k
m
、ε
m
和r的计算公式分别为：其中，W
m

【专利技术属性】
技术研发人员：阎跃观，朱元昊，张琰君，滕永佳，刘泽祺，戴旭东，王君瑶，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：