一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，具体步骤包括收集待评价工作面相关资料；确定待评价工作面采煤垮落带的发育高度；确定工作面采后应力恢复区段长度；开展垮落带碎裂岩块的侧限抗压试验；确定该工作面顶板裂隙等效宽度较松散层

【技术实现步骤摘要】
一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法


[0001]本专利技术涉及煤炭开采领域，具体涉及一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法
。

技术介绍

[0002]根据规范，留设防砂安全煤
(
岩
)
柱允许导水裂缝带波及松散弱含水层或者已疏干的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部
。
防砂安全煤
(
岩
)
柱垂高
(HS)
应当大于或者等于垮落带的最大高度
(Hk)
加上保护层厚度
(Hb)
，原理如图1所示
。
垮落带的最大高度可通过经验公式计算
、
现场实测
、
数值分析等方法获得，保护层厚度可根据
《“三下”开采规范
》
中提供的方法获得，但针对深部高地压
、
高水压等的特殊开采条件，
《“三下”开采规范
》
第七十五条还规定：需专门进行地质构造
、
大采深
、
大采高和高水压等特殊条件对安全煤
(
岩
)
柱影响的论证
。
说明
《“三下”开采规范
》
所给出了安全煤
(
岩
)
柱留设厚度的计算公式不适用于深部开采的条件，由于垮落带厚度可通过实测获取精确数据，则说明安全煤
(
岩
)
柱保护层厚度确定不适用于深部开采条件
。
[0003]防砂安全煤
(
岩
)
柱的保护层实际上处于导水裂缝带之内，导水裂缝带起到阻水阻砂的作用
。
水砂裂隙渗流能力取决于裂隙的性态特征，比如开度
、
粗糙度
、
迂回度等，其中开度起控制性作用
。
为此，针对深部高地压
、
高水压模式下防砂煤柱的留设，实际上可研究导水裂缝带开度随着采深增加的变化规律，进而推测采深对防砂煤柱保护层厚度的影响
。
[0004]《“三下”开采规范
》
第七十五条中所述大采深
、
高水压条件其实就是指示深部开采条件，虽要求大采深
、
高水压等特殊条件需要专门工作，但并未规定何种界限为大采深，及何为深部开采的界限
。
以开采上限
、
防砂煤岩柱等检索词，统计发现当前防砂煤柱应用主要为松散层厚度小于
250m
的范围，极少数松散层厚度超过
250m
，为此确定以松散层厚度
250m
作为深部开采的界限，松散层厚度超过
250m
则进入深部开采，即呈现大采深环境
。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，其基于经典的力学理论推导，能够适用于松散层厚度超过
250m
的深部开采条件，可为深部开采安全煤
(
岩
)
柱保护层厚度的确定提供依据
。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，包括以下步骤：
[0008]S1、
收集待评价工作面采煤的厚度
、
顶板覆岩结构
、
岩性，煤层埋深
、
基岩厚度
、
松散层厚度
、
开采工作面的规格
、
采煤工艺的资料；
[0009]S2、
确定待评价工作面采煤垮落带的发育高度；
[0010]S3、
确定工作面采后应力恢复区段长度；
[0011]S4、
开展垮落带碎裂岩块的侧限抗压试验；
[0012]S5、
确定该工作面顶板裂隙等效宽度较松散层
250m
厚度时的变化量；
[0013]S6、
确定深部开采安全煤柱保护层的厚度
。
[0014]优选地，步骤
S2
中，采用现场实测
、
矿区经验公式
、
数值仿真的方法确定待评价工作面采煤垮落带的发育高度
。
[0015]优选地，步骤
S3
中，根据公式
(2)
确定应力恢复区段长度；
[0016][0017]式中：
L
zh
为应力恢复区走向长度，
m
；
[0018]l
为工作面长度，
m
；
[0019]H
为工作面基岩厚度，
m
；
[0020]β
为煤岩体支承扩展角，取
30
‑
50
°
。
[0021]优选地，步骤
S4
中，通过工作面钻孔，采集煤层顶板垮落带范围内的岩芯，然后按照各岩层的厚度比例制备岩石碎块并混合，开展碎裂岩块的侧限单轴抗压试验，试验前先对碎裂岩块进行预压，使其的孔隙率
a
达到
h/(h+H)
，其中
A
为采煤厚度，
H
为垮落带高度；
[0022]然后在进行单轴抗压试验，获得碎裂岩块在侧限条件下轴向应力等于
250m
厚度的松散层与基岩的总压力下的应变量
ε1，以及在轴向应力等于待评价工作面实际厚度的松散层与基岩的总压力下的应变量
ε2。
[0023]优选地，步骤
S5
中，
b
250
为工作面应力恢复区段内松散层厚度为
250m
时顶板等效裂隙宽度，计算方式见式
(3)
，
b
为待评价工作面应力恢复区段内计算获得的顶板等效裂隙宽度，计算方式见式
(4)
，则待评价工作面顶板裂隙等效宽度较松散层
250m
厚度时的增加量为
△
b
＝
b
‑
b
250
；
[0024][0025][0026]△
b
＝
b
‑
b
250
。
[0027]优选地，步骤
S6
中，砂在裂隙中流动阻力与裂隙宽度成
3/2
次方，与裂隙长度呈线性关系，由于深部开采造成裂隙宽度增加，则需加长裂隙的长度来使得裂隙达到同等的流动阻力；相对于松散层
250m
深时裂隙等效宽度
b
250
，待评价工作面裂隙等效宽度增加的比例为<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
收集待评价工作面采煤的厚度
、
顶板覆岩结构
、
岩性，煤层埋深
、
基岩厚度
、
松散层厚度
、
开采工作面的规格
、
采煤工艺的资料；
S2、
确定待评价工作面采煤垮落带的发育高度；
S3、
确定工作面采后应力恢复区段长度；
S4、
开展垮落带碎裂岩块的侧限抗压试验；
S5、
确定该工作面顶板裂隙等效宽度较松散层
250m
厚度时的变化量；
S6、
确定深部开采安全煤柱保护层的厚度
。2.
如权利要求1所述的一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，其特征在于，步骤
S2
中，采用现场实测
、
矿区经验公式
、
数值仿真的方法确定待评价工作面采煤垮落带的发育高度
。3.
如权利要求1所述的一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，其特征在于，步骤
S3
中，根据如下公式
(2)
确定应力恢复区段长度；式中：
L
zh
为应力恢复区走向长度，
m
；
l
为工作面长度，
m
；
H
为工作面基岩厚度，
m
；
β
为煤岩体支承扩展角，取
30
‑
50
°
。4.
如权利要求1所述的一种确定深部开采安全煤柱保护层厚度的方法，其特征在于，步骤
S4
中，通过工作面钻孔，采集煤层顶板垮落带范围内的岩芯，然后按照各岩层的厚度比例制备岩石碎块并混合，开展碎裂岩块的侧限单轴抗压试验，试验前先对碎裂岩块进行预压，使其的孔隙率
a
达到
h/(h+H)
，其中
A
为采煤厚度，
H
为垮落带高度；然后在...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱自卫，胡东祥，靳文举，陈优阔，吕文茂，孟凡贞，郑浩博，杜华，郑健，范宝江，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：