一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法技术

本发明专利技术提供一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，涉及煤矿地下安全评估和开采设计领域，包括：步骤一：根据推采时上方覆岩空间结构转移应力的分布特征及规律以及覆岩自重应力计算出停采工作面与煤层大巷之间的间隔煤柱任意位置处的支承应力p与停采工作面之间距离的关系；步骤二：将间隔煤柱视为“大煤柱”，具备典型的“大煤柱”特征，根据典型的“大煤柱”特征来求得间隔煤柱任意位置处的承载强度R与停采工作面和/或巷道煤壁之间距离的关系；步骤三：停采距离安全评估；本发明专利技术提供的方案能够定量评估不同停采距离条件下煤层大巷围岩稳定性，并据此确定相对合理的停采距离，能够指导工作面末采阶段停采设计工程。程。程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法


[0001]本专利技术涉及煤矿地下安全评估和开采设计领域，特别是涉及一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法。

技术介绍

[0002]我国煤炭资源绝大部分采用地下开采方式，煤矿生产企业为了实现煤炭资源的有效开采及持续产量，多采用“工作面+大巷”为主要核心的采区(或称盘区)布置方式，即提前在待采煤层周边布置用于行人、运输、通风等不同用途功能的采区大巷，然后在大巷周边设计回收煤炭的工作面，为了降低工作面采动对大巷围岩损伤甚至破坏，工作面与大巷之间需要通过设计一定宽度的停采距离来实现。一般情况下，采区大巷需要为某个采区、多个采区甚至整个矿井服务，其服役周期相对较长，是保证工作面安全生产和稳定出煤的前提，因此对其整体安全性、稳定性要求较高。然而，随着国家工业快速发展、居民生活提高，对煤炭资源的依赖程度并没有发生根本改变，同时由于浅部、易采煤炭资源的不断枯竭，煤矿生产企业为了实现快速投产和减小采掘工程，采用煤层大巷布置方式的比重不断增加。与岩层大巷布置相比较，煤层大巷的巷道掘进对象是煤层，由于煤层强度低，最大的优势是能够快速掘进，短期内能够实现采区和工作面生产出煤，最大的劣势是煤层巷道围岩稳定性较岩层巷道差，后期容易受到回采扰动影响从而发生变形、破坏，给工作面停采距离确定带来一定的难度。
[0003]目前，在国家和煤炭行业层面上，围绕“煤层大巷保护的工作面停采距离安全评估与定量确定”方面还没有形成较为完善的标准化、规范性方法，因此，煤矿井下工作面回采过程中遇到煤层大巷时，仍没有成熟的技术体系可供参考，而是主要依靠相似工程和本矿相邻工作面等类比法确定，导致结果具有一定的经验性，如参照的对象经验不足或匹配性不合理，可能造成2个方面的问题：停采距离过大，造成煤炭资源一定的损失；停采距离过小，造成煤层大巷持续变形或破坏。上述两种情况均可能对煤矿生产企业造成不利的后果。目前，学者对工作面尾采阶段的采场覆岩运动、应力转移规律、巷道围岩失稳与稳定性控制等方面开展了研究与实践，但是煤层大巷保护的工作面停采距离安全评估与定量确定方法还没有相关报道，这一问题受到了安全部门、生产单位和科研人员持续关注，对于冲击地压等特殊条件下的煤层大巷安全性评估和优化设计更是被明文要求。基于此，急需一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，以解决上述现有技术存在的问题，定量评估不同停采距离条件下煤层大巷围岩稳定性，并据此确定相对合理的停采距离，能够指导工作面末采阶段停采设计工程。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]本专利技术提供一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，包括：
[0007]步骤一：根据推采时上方覆岩空间结构转移应力的分布特征及规律以及覆岩自重应力计算出停采工作面与煤层大巷之间的间隔煤柱任意位置处的支承应力p与停采工作面之间距离的关系；
[0008]步骤二：将停采工作面与煤层大巷之间的间隔煤柱视为“大煤柱”，具备典型的“大煤柱”特征，根据典型的“大煤柱”特征来求得停采工作面与煤层大巷之间的间隔煤柱任意位置处的承载强度R与停采工作面和/或巷道煤壁之间距离的关系；
[0009]步骤三：停采距离安全评估；
[0010]求出煤层大巷围岩的弹性区
‑
原岩应力区分界位置处的工作面停采边界支承应力p以及煤层大巷承载强度R，对比p和R：
[0011]p大于R表征煤层大巷表示不安全；
[0012]p小于R表征煤层大巷安全；
[0013]p和R相等即表征煤层大巷处于不安全和安全的临界点。
[0014]优选的，步骤三中用系数ω＝R/p表征煤层大巷安全性的大小，ω越大则煤层大巷安全性越高，ω＞1.0表示安全、ω＜1.0表示不安全，煤层大巷安全或者不安全的临界条件是ω＝R/p＝1.0。
[0015]优选的，还包括步骤四：停采距离的定量确定；
[0016]根据煤层大巷安全或者不安全的临界条件ω＝R/p＝1.0，求得煤层大巷极限安全条件ω＝R
max
/p
x＝D
‑
a
‑
b
＝1.0情况下的停采距离，并根据实际求解情况，定量确定合理停采距离；
[0017]其中，p
x＝D
‑
a
‑
b
为弹性区
‑
原岩应力区分界位置处的支承应力。
[0018]优选的，步骤一中：以工作面推采方向为横坐标x，工作面高度方向为纵坐标y，停采工作面的底部边界为坐标原点o；求得煤层支承应力p与x之间的表达式为：
[0019][0020]根据p的曲线分布特征，得到支承应力p峰值
[0021]其中H为工作面平均开采深度，α、β分别为覆岩层移动角、覆岩触矸角，γ为覆岩平均容重；
[0022]以煤层大巷或停采工作面的底部边界为坐标原点o，以向“大煤柱”延伸的方向为横坐标x，煤层高度方向为纵坐标y，求得煤层任意位置处的承载强度R与x之间的表达式为：
[0023][0024]式中：[σ
c
]为煤体单轴抗压强度，用η近似表示煤层大巷不同区域的围压参数，η随围压状态变化而变化，在巷道煤壁η0＝0，弹性区
‑
塑性区分界位置η
min
＝1，弹性区
‑
原岩应力区分界位置η
max
＝N，N的取值与煤体单轴抗压强度有关，强度越大取值越小，一般取N＝3
～5，煤层大巷围岩破碎
‑
塑性区、弹性区宽度分别为t为巷道高度，δ为巷道煤壁侧压力系数，为煤体内摩擦角，c为煤体粘聚力，k为巷道围岩应力集中系数，为巷道顶底板与煤层间的摩擦系数，为巷道顶底板与煤层间的内摩擦角。
[0025]优选的，由于不同工况条件下，在弹性区
‑
原岩应力区分界位置的工作面停采边界支承应力p分布特征不同，煤层大巷承载强度R存在差异，导致表征煤层大巷安全性大小的系数ω＝R/p可能存在多种情况；
[0026]分类讨论停采距离定量确定方法及步骤如下：
[0027](1)如果D
‑
a
‑
b＞Hcotα，此时在弹性区
‑
原岩应力区分界位置工作面停采边界支承应力为γH；
[0028]1)若γH≥N[σ
c
]，则煤层大巷需要加固处理或者采取岩层大巷布置；
[0029]2)若γH＜N[σ
c
]，工作面停采距离D可以按照以下分析进一步缩小；
[0030](2)如果0.5Hcotα＜D
‑
a
‑
b≤Hcotα，此时工作面停采边界支承应力峰值
[0031]1)若表明煤层大巷最大承载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，其特征在于：包括：步骤一：根据推采时上方覆岩空间结构转移应力的分布特征及规律以及覆岩自重应力计算出停采工作面与煤层大巷之间的间隔煤柱任意位置处的支承应力p与停采工作面之间距离的关系；步骤二：将所述间隔煤柱视为“大煤柱”，具备典型的“大煤柱”特征，根据典型的“大煤柱”特征来求得所述间隔煤柱任意位置处的承载强度R与停采工作面和/或巷道煤壁之间距离的关系；步骤三：停采距离安全评估；求出煤层大巷围岩的弹性区
‑
原岩应力区分界位置处的工作面停采边界支承应力p以及煤层大巷承载强度R，对比p和R：p大于R表征煤层大巷表示不安全；p小于R表征煤层大巷安全；p和R相等即表征煤层大巷处于不安全和安全的临界点。2.根据权利要求1所述的基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，其特征在于：步骤三中用系数ω＝R/p表征煤层大巷安全性的大小，ω越大则煤层大巷安全性越高，ω＞1.0表示安全、ω＜1.0表示不安全，煤层大巷安全或者不安全的临界条件是ω＝R/p＝1.0。3.根据权利要求2所述的基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，其特征在于：还包括步骤四：停采距离的定量确定；根据煤层大巷安全或者不安全的临界条件ω＝R/p＝1.0，求得煤层大巷极限安全条件ω＝R
max
/p
x＝D
‑
a
‑
b
＝1.0情况下的停采距离，并根据实际求解情况，定量确定合理停采距离；其中，p
x＝D
‑
a
‑
b
为弹性区
‑
原岩应力区分界位置处的支承应力。4.根据权利要求3所述的基于煤层大巷保护的工作面停采距离评估与确定方法，其特征在于：步骤一中：以工作面推采方向为横坐标x，工作面高度方向为纵坐标y，停采工作面的底部边界为坐标原点o；求得煤层支承应力p与x之间的表达式为：根据p的曲线分布特征，得到支承应力p峰值其中H为工作面平均开采深度，α、β分别为覆岩层移动角、覆岩触矸角，γ为覆岩平均容重；以煤层大巷或停采工作面的底部边界为坐标原点o，以向“大煤柱”延伸的方向为横坐标x，煤层高度方向为纵坐标y，求得煤层任意位置处的承载强度R与x之间的表达式为：
式中：[σ
c
]为煤体单轴抗压强度，用η近似表示煤层大巷不同区域的围压参数，η随围压状态变化而变化，在巷道煤壁η0＝0，弹性区
‑
塑性区分界位置η
min
＝1，弹性区
‑
原岩应力区分界位置η
max
＝N，N的取值与煤体单轴抗压强度有关，强度越大取值越小，一般取N＝3～5，煤层大巷围岩破碎
‑
塑性区、弹性区宽度分别为t为巷道高度，δ为巷道煤壁侧压力系数，为煤体内摩擦角，c为煤体粘聚力，k为巷道围岩应力集中系数，为巷道顶底板与煤层间的摩擦系数，为巷道顶底板与煤层间的内摩擦角。5.根据权利要求4所述的基于煤层大巷保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德振，常春锋，曹建来，宋晓彪，孙亚鹏，郝杰，李艳杰，方程，郭梦园，巩宁，王涛，
申请(专利权)人：山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，
类型：发明
国别省市：