一种复合残采区中部残煤开采可行性的判别方法

摘要

本发明公开了一种复合残采区中部残煤开采可行性的判别方法，属于煤矿开采技术领域。该方法包括：①结合矿区地质柱状图明确复合残采区上下煤层之间的岩层组成情况；②然后结合煤层的具体赋存状况和已有的矿井资料，获取相关参数；③结合弹塑性基础理论推导出上部煤层开采对其下方层间岩层的最大破坏深度和下部煤层开采对其上覆岩层造成的损伤范围；④基于上下煤层开采对中部残煤造成的多重采动影响，判断中部残煤的可采性。本发明易于工程人员掌握应用，在保证安全开采的前提下，合理有效的利用了不可再生的资源，可以创造巨大的市场经济效益，延长矿井服务年限。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合残采区中部残煤开采可行性的判别方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

随着煤炭产量的增加，中国煤炭的储量正在迅速减少，煤炭资源的有限性和需求的无限性是面临的一道重要难题，很多遗留的残采区弃煤需要开采。当前单一残采区弃煤开采技术渐趋成熟，而复合残采区弃煤开采国内外尚无系统的研究。已有的关于残采区弃煤开采判定方法包括单一残采区上行开采的判定方法和单一残采区下行开采的判定方法。

单一残采区上行开采判定方法主要是基于经验性质得出的结论，即“三带”判别法、比值判别法、围岩平衡法。对于“三带”判别法，单一残采区上行开采即首先开采下部煤层，待其上覆岩层稳定后，再开采上部煤层，当下部煤层开采过后，其上覆岩层受采动影响形成“三带”即垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，已有研究认为当上下煤层的层间距小于下煤层开采垮落带的高度时，上煤层结构将遭到严重破坏，无法进行上行开采；当上下煤层间距小于裂隙带高度时，上煤层结构只发生中等程度的破坏，采取一定安全措施后，可正常进行上行开采；当上下煤层间距大于下煤层的裂隙带高度时，上层煤的完整性和连续性并未遭到破坏，可正常进行上行开采。对于比值判别法，已有研究认为是否能正常上行开采主要取决于两层煤层间距与下部所采煤层的厚度之比，当下部煤层开采后，上行开采的可行性可用比值K的大小判别，即：式中：H-上下煤层之间的垂距，m；M-下部煤层采高，m。我国煤矿开采的生产实践及研究证明，当下部煤层开采后，比值K>7.5时，先采下部煤层可以不影响在上煤层内进行正常准备和回采。对于围岩平衡法，开采下部煤层后在垂直方向上其上覆岩体形成了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，从围岩平衡的观点，可以分为非平衡带(即冒落带)、部分平衡带(相当于裂隙带下位岩层)、平衡带(相当于裂隙带的下位岩层之上的岩层)。在回采过程中，能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构的岩层称为平衡岩层，设从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度叫围岩平衡高度，则其上行开采的基本准则是：当上覆岩层中有坚硬岩层时，上煤层位于距下煤层最近的平衡岩层之上；当采场上覆岩层均为软岩时，上煤层应位于裂隙带内，上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层稳定之后进行。上行开采必要的层间距H为：式中：M—下煤层的采高，m；K—岩石碎胀系数，h—平衡岩层本身高度，m。中国专利CN101109283B“一种蹬空开采可行性的定量判定方法”，公布了一种蹬空开采可行性的定量判定方法，但是该方法也是基于单一残采区判断蹬空开采的可行性。

单一残采区下行开采包括煤层间距大和煤层间距小两种情况。当相邻煤层间距较大，上部煤层开采对下部煤层的影响可以忽略，即按照正常开采方法布置工作面进行开采；当相邻煤层间距较小，其开采技术措施主要集中于下部煤层巷道合理位置的确定，近距离煤层回采巷道布置主要有重叠式布置、内错式布置和外错式布置三种形式。已有研究认为在煤柱或煤体下方的一侧为增压区，在采空区下方一侧为卸压区，为了提高巷道稳定性，使下部煤层巷道处于低应力区，往往内错一定距离布置下部煤层巷道，内错距离常用的计算公式为：式中：α-煤层倾角；β-煤体影响角，其值可变化25～55°之间，z-巷道与上部煤层之间的垂直距离；θ为β的余角，θ＝90°-β。目前上述公式在实际生产中被普遍运用，成为选择下部煤层巷道位置及巷道围岩控制的主要依据。

已有研究中单一残采区残煤可采性判别手段与开采技术条件研究都已经渐趋成熟，但是关于复合残采区残煤可采性评价尚无系统报道，基于此，寻求一种适用于复合残采区残煤可采性的判别方法具有可行性和必要性。

发明内容

本发明旨在提供一种复合残采区中部残煤开采可行性的判别方法，在单一残采区残煤可采性判别的基础上进一步探索。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合残采区中部残煤开采可行性的判别方法，包括以下步骤：

第一步：结合矿区地质柱状图进行钻孔取芯，明确复合残采区上下煤层之间的岩层组成情况，并进行统一标号，结合给出的上/下位层间岩层概念，计算得出上位层间岩层厚度和下位层间岩层厚度；

第二步：下部煤层采用长壁垮落法开采，上部煤层采用刀柱法开采，结合煤层的具体赋存状况和已有的矿井资料，获取相关参数：上部煤层埋藏深度H₁、下部煤层埋藏深度H₂、煤层倾角α、层间岩层平均容重γ、下部煤层采高M、开采冒落过程中顶板下沉值W、岩体碎胀系数K，上覆岩体平均抗压强度R_c，以及上部煤层刀柱开采煤柱宽度L_a，刀柱采空区宽度L_b，采场的开采宽度L；

第三步：结合弹塑性基础理论推导出上部煤层开采对其下方层间岩层的最大破坏深度和下部煤层开采对其上覆岩层造成的损伤范围；

$\left(\begin{array}{c}{h}_{1\max }=\frac{1.57{\gamma }^2{H_1}^2(L_b+L_a)}{2{\mathrm{\pi R}}_c^2}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}\\ h_{2\max }=\frac{1.57{\gamma }^2{[H_2-M-\frac{M-W}{(K-1)cos\alpha }]}^{2}L}{4{\beta }^2{R}_c^2}+\frac{M-W}{(K-1)\cos \alpha }\end{array}\right)$

式中：h_1max为上部煤层开采对其下方层间岩层的最大破坏深度，h_2max为下部煤层开采对其上覆岩层造成的损伤范围，L_a为煤柱宽度；L_b为刀柱采空区宽度；γ为层间岩层平均容重，R_c为上覆岩体平均抗压强度，L为采场的开采宽度，其值即为工作面的开采宽度，工作面现场经过测量即可得到；β为岩体节理裂隙影响系数，通过测量在受到一定地质作用和采动影响的作用下岩体节理裂隙参数并与原岩状态的岩体节理裂隙参数作比值，通常参考已有的经验值，针对不同的岩层组成取相对应的岩体节理裂隙影响系数值，其值一般为0.3～0.4；

第四步：基于上下煤层开采对中部残煤造成的多重采动影响，判断中部残煤的可采性：

①若下部煤层开采造成的损伤破坏范围小于下位层间岩层厚度，且上部煤层开采造成的最大破坏深度小于上位层间岩层厚度，则可以进行安全回采；

②若下部煤层开采造成的损伤破坏范围小于下位层间岩层厚度，上部煤层开采造成的最大破坏深度大于上位层间岩层厚度，此时上部煤层的采动影响并未破坏中部残煤的完整性，可通过对中部残煤顶板进行合理的加固措施，然后进行回采；

③若下部煤层开采造成的损伤破坏范围大于下位层间岩层厚度，则中部煤层可能发生台阶错动，造成煤层的不连续，则不可以进行回采。

上述方法中，所述复合残采区为上刀柱-下垮落式采空区。

上述方法中，所述下位层间岩层厚度、上位层间岩层厚度，结合具体的煤矿岩层柱状图，可计算得出。

本发明的有益效果：

在现有的单一残采区残煤可采性判别方法上，提出了一种复合残采区残煤可采性判别的方法，是当前复合残采区残煤开采领域的一种探索，易于工程人员掌握应用，在保证安全开采的前提下，合理有效的利用了不可再生的资源，可以创造巨大的市场经济效益，延长矿井服务年限。

附图说明

图1为“上刀柱-下垮落”复合残采区中部残煤分布特征。

图2为采场边缘岩体破坏区形态。

图3为长壁工作面采场围岩应力计算模型。

图4为刀柱工作面边缘应力计算模型。

图中：1为上覆岩层及表土层，2为上部柱式采空区，3为上位层间岩层，4为中部整层弃煤，5为下位层间岩层，6为下部垮落式采空区，7-垂直应力，8-水平应力，r/r₀-不同角度采场边缘破坏区深度与最大破坏深度比值。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

在早期煤炭回收过程中，由于地质条件和开采设备的限制，采用了很多垮落法和刀柱法等开采方法，因此形成了大量的“上刀柱-下垮落”复合残采区，复合残采区中部残煤能否安全开采主要取决于煤层层间距与上下煤层开采造成的损伤破坏范围。具体步骤如下：

第一步：结合矿区地质柱状图进行钻孔取芯，明确复合残采区上下煤层之间的岩层组成情况，并进行统一标号，一般情况下，不同层位的岩层均以自然层面作为分层的界线。

第二步：结合弹塑性基础理论推导出上部煤层开采对其下方层间岩层的最大破坏深度和下部煤层开采对上覆岩层造成的损伤范围。

第三步：下部煤层采用长壁垮落法开采，上部煤层采用刀柱法开采，结合矿区资料得到上下煤层开采的数据，包括下部煤层埋藏深度H₂、煤层倾角α、层间岩层平均容重γ，、下部煤层采高M及开采冒落过程中顶板下沉值W、岩体碎胀系数K、并结合经验确定岩体节理裂隙影响系数β以及上部煤层埋藏深度H₁、煤柱宽度L_a、刀柱采空区宽度L_b、上覆岩体平均抗压强度R_c，其中通过对实验室岩块进行单轴抗压强度实验，考虑尺度效应，上覆岩体平均抗压强度R_c取实验室岩体单轴抗压强度的15％。确定上述相关数据然后代入第二步中得到的公式中，确定上下部煤层开采对层间岩层造成的损伤范围。

第四步：基于上下煤层开采对中部残煤造成的多重采动影响，判断中部残煤的可采性：

①若下部煤层开采造成的损伤破坏范围小于下位层间岩层厚度，且上部煤层开采造成的最大破坏深度小于上位层间岩层厚度，则可以进行安全回采；

②若下部煤层开采造成的损伤破坏范围小于下位层间岩层厚度，上部煤层开采造成的最大破坏深度大于上位层间岩层厚度，此时上部煤层的采动影响并未破坏中部残煤的完整性，可通过对中部残煤顶板进行合理的加固措施，然后进行回采；

③若下部煤层开采造成的损伤破坏范围大于下位层间岩层厚度，则中部煤层可能发生台阶错动，造成煤层的不连续，则不可以进行回采。

山西焦煤西山煤电集团白家庄矿于20世纪90年代越过6^#煤层和7^#煤层开采了8^#煤层，并于21世纪除对6^#煤层进行了回采，形成了大量的“上刀柱-下垮落”复合残采区，通过本发明方法判断目前中部7^#煤层可采的可行性。

(1)明确复合残采区上下煤层之间的岩层组成情况，上位层间岩层厚度h₁＝5.4m，下位层间岩层厚度h₂＝21.7m。

(2)首先求下部煤层开采对上覆岩层造成的损伤范围，长壁工作面顶板充分垮落的开采形成的采空区在推进方向上的横断面为矩形，开采高度远远小于开采宽度，因此可以将采场简化为图3所示的平面力学模型，同时结合弹性理论，可求得平面应力状态下采场边缘的主应力：

${\delta }_1=\frac{{\mathrm{\gamma H}}_2}{2}\sqrt{\frac{L_x}{r}}cos\frac{\theta }{2}(1+\sin \frac{\theta }{2})$

${\delta }_2=\frac{{\mathrm{\gamma H}}_2}{2}\sqrt{\frac{L_x}{r}}\cos \frac{\theta }{2}(1-\sin \frac{\theta }{2})$

δ₃＝0

将上式带入Mohr-Coulomb准则，可得长壁垮落式边缘破坏区的边界方程为：

$r=\frac{{\gamma }^2{H_2}^2{L}_x}{4R_c^2}{\cos }^2\frac{\theta }{2}{(1+\sin \frac{\theta }{2})}^2$

通过采场边缘岩体破坏区形态可求得在垂直方向上对上覆岩体造成的损伤破坏范围：

$h_2=r\sin \theta =\frac{{\gamma }^2{H_2}^2{L}_x}{4R_c^2}{\cos }^2\frac{\theta }{2}{(1+\sin \frac{\theta }{2})}^2\sin \theta$

平面应力状态下上覆岩体的最大损伤范围即求上式的最大值，令同时考虑岩体节理裂隙的影响和采空区竖向尺度，采空区竖向尺度应包括下部煤层采高M和下位岩层垮落带高度H_x，综合分析各因素可得到：

$h_{2\max }=\frac{1.57{\gamma }^2[H_2-M-\frac{M-W}{(K-1)\cos \alpha }]L}{4{\beta }^2{R}_c^2}+\frac{M-W}{(K-1)\cos \alpha }$

式中：γ为采场上覆岩层的平均容重；H₂为下部煤层埋深；M为下部煤层采高；W为冒落过程中顶板的下沉值；K为碎胀系数；α为煤层倾角；L为采场的开采宽度；β为岩体节理裂隙影响系数；R_c为上覆岩体平均抗压强度，因尺度效应取实验室岩块单轴抗压强度的15％。然后求上部煤层开采对下部层间岩层的最大破坏深度，刀柱工作面采场岩层在原始垂直应力和水平应力的作用下，由于开采厚度远小于开采宽度，其边缘应力场可以简化为图4所示的计算模型，结合弹塑性理论，可得平面应力状态下的边缘主应力为：

${\delta }_1=\frac{{\mathrm{\gamma H}}_1}{2}\sqrt{\frac{2(L_b+L_a)}{\pi r}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}}cos\frac{\theta }{2}(1+\sin \frac{\theta }{2})$

${\delta }_2=\frac{{\mathrm{\gamma H}}_1}{2}\sqrt{\frac{2(L_b+L_a)}{\pi r}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}}cos\frac{\theta }{2}(1-\sin \frac{\theta }{2})$

δ₃＝0

式中：L_a为煤柱宽度；L_b为刀柱采空区宽度；H₁为上部煤层埋藏深度；γ为层间岩层平均容重。将上式带入Mohr-Coulomb准则，可得刀柱工作面采场破坏区边界方程：

$r=\frac{{\gamma }^2{H_1}^2(L_b+L_a)}{2{\mathrm{\pi R}}_c^2}\tan \frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}{\cos }^2\frac{\theta }{2}{(1+\sin \frac{\theta }{2})}^2$

进一步可求得采场下方底板岩体破坏深度：

$h_1=r\sin \theta =\frac{{\gamma }^2{H_1}^2(L_b+L_a)}{2{\mathrm{\pi R}}_c^2}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}{\cos }^2\frac{\theta }{2}{(1+\sin \frac{\theta }{2})}^2\sin \theta$

刀柱工作面采场岩层的最大破坏深度即上式的最大值，令可得：

$h_{1\max }=\frac{1.57{\gamma }^2{H_1}^2(L_b+L_a)}{2{\mathrm{\pi R}}_c^2}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}$

式中：R_c为上覆岩体平均抗压强度，因尺度效应取实验室岩块单轴抗压强度的15％。

综上所述，可得到中部残煤采场岩层的损伤破坏范围：

$\left(\begin{array}{c}{h}_{1\max }=\frac{1.57{\gamma }^2{H_1}^2(L_b+L_a)}{2{\mathrm{\pi R}}_c^2}tan\frac{{\mathrm{\pi L}}_b}{2(L_b+L_a)}\\ h_{2\max }=\frac{1.57{\gamma }^2{[H_2-M-\frac{M-W}{(K-1)cos\alpha }]}^{2}L}{4{\beta }^2{R}_c^2}+\frac{M-W}{(K-1)\cos \alpha }\end{array}\right)$

(3)根据白家庄煤矿煤层的具体赋存状况和已有的矿井资料，获取所需的物理力学参数，其中上部煤层刀柱式采空区煤柱群宽度L_a为5～15m，采空区群宽度L_b为15～40m，根据矿井已有资料，刀柱残采区煤柱宽度取15m，采空区宽度取40m；上部煤层埋藏深度H₁为136.72m，下部煤层埋藏深度H₂为164.22m；煤层倾角α为1°～6°，平均取3.5°；上覆岩层平均容重γ取28KN/M³；上覆岩体平均抗压强度R_c取0.8～11.2Mpa，由于上位层间岩层中岩层厚度较薄，节理发育且岩性较软弱，故平均抗压强度取0.8Mpa，而下位层间岩层中岩层坚硬且有化石，其厚度较大故平均抗压强度取11.0Mpa；下部煤层采高M为3.8m；碎胀系数K为1.3～1.5，取其均值1.4；采场的开采宽度L取20～25m，取其均值22m；冒落过程中顶板的下沉值取0.8～1.2m，取其均值1.0m。把相应的物理力学参数代入上式中，可得到：与第一步确定的上下位层间岩层厚度作比较，可得到：这表明下部煤层开采造成的损伤破坏范围小于下位层间岩层厚度，而上部煤层开采造成的最大破坏深度大于上位层间岩层厚度，此时上部煤层的开采对中部残煤顶板造成了损伤破坏，而下部煤层的采动影响范围并未延伸到中部残煤，并未破坏中部残煤的完整性，可通过对中部残煤顶板进行合理的加固措施，然后进行回采。