浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法

摘要

本发明公开浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法，包括以下步骤：S1.基于FLAC3D数值计算，获取顶部房柱式采空区煤柱稳定性；S2.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性，对房柱式采空区下相邻工作面不同相向距离进行同时开采和单工作面开采，获得侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性；S3.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性、侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性，获取相邻工作面相向开采时序规划及方法。本发明能够制定安全的相邻工作面相向开采时序规划，给出安全可靠的相邻工作面相向开采方法。

说明书

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，特别涉及浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法。

背景技术

陕北侏罗纪煤田大部分煤层赋存在300m以内的浅部，顶部煤层距离地表一般100m左右，称为浅埋煤层，主采煤层一般3～5层，煤层间距一般6～40m，以中厚煤层为主，属于浅埋近距离煤层群，上世纪90年代初期，部分矿井采用房柱式开采顶部煤层，形成了大量的房柱式采空区，后期逐步推广壁式开采方法，形成大量壁式采空区，为下部煤层开采带来潜在安全隐患。目前，该煤田大部分矿井顶部煤层已经基本采完，逐步开始下部煤层开采，属于“浅埋近距离煤层群采空区下开采”，由于煤层间距小，下部煤层开采受上部煤层采空区、遗留煤柱、间隔岩层结构影响较大，特别是在房柱式采空区下进行开采，易引发房柱式采空区大面积垮塌，造成强矿压灾害和有毒有害气体超限，是浅埋近距房柱式采空区下开采面临的普遍技术难题；同时，由于开采历史原因，部分相邻矿井在房柱式采空区下开采下部煤层过程中，由于相邻矿井各自生产系统互相独立，面临相邻矿井相邻工作面相向开采特殊技术难题。

相邻矿井相邻工作面相向开采过程中，两工作面超前支承压力有可能叠加，工作面侧向支承压力对面间煤柱影响较单煤层开采强烈，极易导致两工作面相向开采过程中上方房柱式采空区突然垮塌、面间煤柱失稳等灾害，造成下部煤层两工作面支架压死、房柱式采空区有害气体涌入工作面等安全事故，因此，制定合理的浅埋近距房柱式采空区下相邻矿井相邻工作面相向开采时序规划，保证两工作面相向安全开采十分必要。

并且现有技术对浅埋近距采空区下单工作面开采回采巷道煤柱稳定性、单工作面超前支承压力分布规律等进行了大量研究，取得许多有益成果，但未涉及相邻工作面相向开采过程的面间煤柱稳定性分析、上方房柱式采空区稳定性预判和两工作面相向开采围岩支承压力叠加效应，在相邻工作面相向安全开采技术方面，尚处于技术空白。

发明内容

针对上述问题，本发明提出浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够制定安全的相邻工作面相向开采时序规划，给出安全可靠的相邻工作面相向开采方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法，包括以下步骤：

S1.基于FLAC

S2.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性，对房柱式采空区下相邻工作面不同相向距离进行同时开采和单工作面开采，获得侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性；

S3.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性、侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性，获取相邻工作面相向开采时序规划及方法。

优选地，所述S1顶部房柱式采空区煤柱稳定性的具体计算步骤包括：

S1.1、基于所述FLAC

S1.2、构建房柱式采空区煤柱载荷计算模型；

S1.3、基于所述房柱式采空区煤柱载荷计算模型，获得房柱式采空区煤柱上的平均应力、煤柱极限强度；

S1.4、基于所述房柱式踩空区煤柱上的平均应力、煤柱极限强度，根据所述房柱式采空区煤柱垂直应力分布规律，获得房柱式采空区煤柱安全系数，即顶部房柱式采空区煤柱稳定性；

S1.5、基于所述房柱式采空区煤柱安全系数，构建物理相似材料模型，所述物理相似材料模型用于展示房柱式采空区煤柱状况，并对所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性计算进行准确性验证。

优选地，所述房柱式采空区煤柱上的平均应力P具体为：

式中，γ为上覆岩层平均容重，H为埋深，L为长度，a为煤柱宽度，b为煤房宽度。

优选地，所述煤柱极限强度σ

式中，σ

优选地，所述房柱式采空区煤柱安全系数k

式中，p为房柱式采空区煤柱上的平均应力，σ

优选地，所述S2的具体步骤为：

S2.1、基于所述S1的FLAC

S2.2、基于所述相邻工作面不同相向距离同时开采和单工作面开采侧向支承压力分布特征及面间煤柱应力演化规律，构建面间煤柱载荷计算模型；

S2.3、基于所述面间煤柱载荷计算模型，获得煤柱顶部的平均应力、面间煤柱安全系数；所述煤柱顶部的平均应力、面间煤柱安全系数分别用于表示所述侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性。

优选地，所述煤柱顶部的平均应力P

式中，a为煤柱宽度，H

优选地，所述面间煤柱安全系数k

式中，σ

本发明公开了以下技术效果：

本发明能够根据FLAC

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的房柱式采空区煤柱承受载荷计算模型；

图3为本发明的煤柱荷载计算模型；

图4为本发明实施例所述的两工作面开采平面位置关系；

图5为本发明实施例所述的2206工作面中部走向剖面；

图6为本发明实施例所述的2201工作面中部走向剖面；

图7为本发明实施例所述的两工作面相互影响段倾向剖面；

图8为本发明实施例所述的2

图9为本发明实施例所述的房柱式采空区煤柱稳定性物理模拟结果；

图10为本发明实施例所述的两工作面相向距离60m超前支承压力开始叠加；

图11(a)为本发明实施例所述的相向距离60m下同时开采面间煤柱应力示意图；

图11(b)为本发明实施例所述的相向距离34m下同时开采面间煤柱应力示意图；

图11(c)为本发明实施例所述的相向同时推进距离28m下开采面间煤柱应力示意图；

图11(d)为本发明实施例所述的相向同时推进工作面并肩的面间煤柱应力示意图；

图11(e)为本发明实施例所述的相向同时推进工作面交错10m下开采面间煤柱应力示意图；

图11(f)为本发明实施例所述的仅2206工作面推进工作面并肩的面间煤柱应力示意图；

图11(g)为本发明实施例所述的仅2206工作面推进交错10m下开采面间煤柱应力示意图，

图11(h)为本发明实施例所述的仅2206工作面推进交错20m下开采面间煤柱应力示意图；

图12为本发明实施例所述的两工作面同时相向开采和仅2206工作面开采面间煤柱最大垂直应力；

图13为本发明实施例所述的面间煤柱宽度30m时最大垂直应力；

图14为本发明实施例所述的两工作面相向开采面间煤柱30m状况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3所示，本发明提供浅埋近距房柱式采空区下相邻工作面相向安全开采方法，包括以下步骤：

S1.基于FLAC

S1.1、基于所述FLAC

S1.2、构建房柱式采空区煤柱载荷计算模型，假设房柱式采空区煤柱支撑的顶板完好未产生冒落，上覆岩层的全部重量作用在煤柱上，则房柱式采空区煤柱载荷计算模型如图2所示。

S1.3、基于所述房柱式采空区煤柱载荷计算模型，获得房柱式采空区煤柱上的平均应力、煤柱极限强度；

房柱式采空区煤柱上的平均应力具体为：

式中，p为房柱式采空区煤柱上的平均应力，MPa；γ为上覆岩层平均容重，kN/m

煤柱稳定性与煤体本身的强度和煤柱尺寸有关，煤柱极限强度通常采用Bieniawski公式计算：

式中，σ

S1.4、基于所述房柱式踩空区煤柱上的平均应力、煤柱极限强度，根据所述房柱式采空区煤柱垂直应力分布规律，获得房柱式采空区煤柱安全系数，即顶部房柱式采空区煤柱稳定性；

根据极限强度理论，当煤柱所承受的应力峰值超过煤柱的极限强度时，煤柱不稳定，容易破坏，当煤柱所承受的应力峰值小于煤柱的极限强度，煤柱稳定，煤柱稳定性由安全系数来衡量安全系数为煤柱极限强度和承受的垂直应力比值。根据大量实践经验，当煤柱安全系数大于2时，煤柱较稳定，进而通过房柱式踩空区煤柱上的平均应力、煤柱极限强度的计算公式，能过得出房柱式采空区煤柱安全系数计算公式为：

式中，k

S1.5、基于所述房柱式采空区煤柱安全系数，构建物理相似材料模型，所述物理相似材料模型采用房柱式开采顶部煤层，用于直观展示房柱式采空区煤柱状况，验证数值计算和理论分析的可靠性，并对所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性计算进行准确性验证。

S2.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性，对房柱式采空区下相邻工作面不同相向距离进行同时开采和单工作面开采，获得侧向支承压力分布特征及面间煤柱应力演化规律、侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性。

在S1顶部房柱式采空区煤柱大部分稳定的前提下，下部煤层相邻工作面相向安全开采的制约因素又转化为两工作面间煤柱的稳定性，而影响其稳定与否的主要因素是相邻工作面相向开采过程中，两工作面侧向支承压力叠加效应对面间煤柱的影响。

所述侧向支承压力分布特征及面间煤柱应力演化规律、侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性的具体计算过程为：

S2.1、基于所述S1的FLAC

第一、相邻工作面相向同时开采：随着相向距离减小至一定距离时，两工作面超前支承压力和面间煤柱最大垂直应力叠加效应明显。随着两工作面相向距离减小至并肩位置，应力叠加效应不断增强。两工作面并肩后交错一定距离，面间煤柱最大垂直应力进一步上升，但上升幅度明显减小。之后随着交错距离的增大，面间煤柱最大垂直应力基本保持不变。

第二、相邻工作面相向单工作面开采：自两工作面相向同时开采超前支承压力和面间煤柱最大垂直应力开始叠加时，其中一个工作面暂停开采，另一个工作面快速推进。随着相向距离减小至并肩位置，应力叠加效应较两工作面相向同时开采明显减弱。并肩后，继续保持一停一采，随着交错距离不断增大，面间煤柱最大垂直应力增大到一定值后不再上升。

根据上述演化规律可知，通过FLAC3D数值计算，能够发现下部煤层相邻工作面相向同时开采和单工作面开采时，两工作面并肩前后，面间煤柱最大垂直应力达到峰值。因此，如果两工作面并肩位置面间煤柱稳定，则可保证相邻工作面相向开采互相影响段的安全。

S2.2、基于所述相邻工作面不同相向距离同时开采和单工作面开采侧向支承压力分布特征及面间煤柱应力演化规律，构建面间煤柱载荷计算模型，如图3所示；

S2.3、基于所述面间煤柱载荷计算模型，获得煤柱顶部的平均应力、面间煤柱安全系数；所述煤柱顶部的平均应力、面间煤柱安全系数分别用于表示所述侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性。

煤柱顶部的平均应力P

式中，p

面间煤柱安全系数具体为：

式中，σ

S3.基于所述顶部房柱式采空区煤柱稳定性、侧向支承压力叠加效应、面间煤柱稳定性，获取相邻工作面相向开采时序规划及方法。

掌握了房柱式采空区煤柱稳定性后，通过数值计算、理论分析和物理模拟。揭示了房柱式采空区下相邻工作面不同相向距离同时开采和单工作面开采侧向支承压力分布特征及面间煤柱应力演化规律，提出了确定面间煤柱稳定性的判据。

根据以上研究，制定基于安全的相邻工作面相向开采时序规划，给出安全可靠的相邻工作面相向开采方法：相邻工作面相向开采过程中，随着相向距离的减小，面间煤柱最大垂直应力出现明显上升拐点，此时，应该使其中一个工作面暂时停采，另一工作面继续加速推进，尽量缩短叠加应力影响时间。随着持续推进工作面与暂时停采工作面交错距离增大，当面间煤柱最大垂直应力不再增大，基本保持稳定时，停采工作面恢复开采，两个工作面同时交错加快推进，尽快脱离相互影响区域，确保两工作面交错后的安全性。

参照图4-14所示，本实施例以神木市某两个相邻矿井的开采情况为例，2206工作面和2201工作面分别属于不同矿井，两工作面为相邻相向开采工作面。

2206工作面和2201工作面均开采2-2煤层，煤层厚度6.41～7.96，采高6.5m，埋深平均120m左右，采用长壁综合机械化采煤方法；2

2201工作面上部5～8m处为2

2020年6月19日，2206工作面已经推进至710m，2201工作面已经推进至220m，两工作面开采位置相距360m。两工作面开采平面位置关系如图4所示，2206工作面走向剖面如图5所示，2201工作面走向剖面如图6所示，两工作面相互影响段倾向剖面如图7所示。

应用本项发明技术方案制定2206工作面和2201工作面相向开采时序规划，确保两工作面相遇前后安全开采。

1、分析2

(1)房柱式采空区煤柱应力分布规律数值计算：

FLAC

(2)房柱式采空区煤柱稳定性理论分析：

根据2

通过计算得出房柱式采空区煤柱上平均应力为7.6MPa，与数值计算结果一致(7MPa)，为原岩应力的4倍。

房柱式采空区煤柱的宽高比约为1.9，n＝1，煤层单轴抗压强度平均19.5MPa。将以上参数带入计算可得，煤柱极限强为25.82MPa。

通过计算可得房柱式采空区煤柱安全系数为3.4，大于2，因此，2

(3)房柱式采空区煤柱稳定性物理模拟：

物理模拟得出，2

2、揭示2206工作面和2201工作面不同相向距离同时开采和仅2206工作面开采侧向支承压力叠加效应，分析面间煤柱稳定性。

(1)FLAC

通过数值计算得出，当两工作面相向距离为60m左右时，两工作面超前支承压力开始叠加，如图10所示，但侧向支承压力对面间煤柱影响较小；当两工作面相向距离为28m时，侧向支承压力对面间煤柱影响较大，面间煤柱最大垂直应力出现明显上升拐点。且两工作面同时开采和仅2206工作面开采而2201工作面暂时停采两种开采方式，面间煤柱最大垂直应力区别较大，如图11所示。

对比仅2206工作面开采和两工作面同时相向开采两种模拟结果，面间煤柱最大垂直应力变化规律如图12所示，可知：

两工作面相距30m时2201工作面停采后，面间煤柱最大垂直应力减小约4％；

仅2206工作面推进，当两工作面交错14m时，面间煤柱应力达到最大，为9.12MPa；交错距离大于20m后，面间煤柱最大垂直应力不再上升。此刻，两个工作面相距为2个周期来压步距，顶板活动基本稳定。

FLAC

(2)2206和2201工作面相向开采并肩前后面间煤柱稳定性理论分析。

2206工作面和2201工作面开采并肩前后，面间煤柱宽度为30m左右，采用理论分析此时的煤柱稳定性，对制定两工作面相向安全开采时序规划十分重要。

根据两工作面开采参数和地质条件，工作面间的基岩破断角α

将以上参数分分别代入煤柱极限强度计算公式和煤柱顶部的平均应力计算公式，得到：

两工作面间煤柱的平均应力为5.85MPa，煤柱极限强度为43.4MPa。受上部2

(3)物理模拟验证两工作面面间煤柱30m的稳定性。

物理模拟得出，两工作面面间煤柱为30m时，煤柱垂直应力分布规律如图13所示。煤柱垂直应力峰值为8.6MPa，远小于煤层单轴抗压强度，煤柱稳定较好，如图14所示，与数值计算和理论分析结果相符。

3、制定合理的2206工作面和2201工作面相向开采时序规划，给出安全可靠的开采方法。

根据数值模拟得出的煤柱最大应力规律，2206工作面与2201工作面相向推进至相距28m时，工作面间煤柱最大垂直应力出现拐点，继续推进应力明显增大。

为了确保安全开采，两工作面相向距离为30m时，2201工作面暂时停采，可减小煤柱的集中应力约4-5％，同时避免上部房柱采空区局部垮塌危险。

当2206工作面推进至交错距离大于20m后，工作面间煤柱的最大垂直应力趋于稳定，脱离显著影响区后，2201工作面可恢复开采，两工作面应当同时加快推进速度。

根据数值模拟、理论分析和物理模拟，两工作面相互影响阶段面间煤柱宽度为30m左右时，上述时序规划条件下依然能够保持稳定，两工作面能够实现安全开采。

4、工程实践验证

2206工作面和2201工作面采用本项发明技术方案，经过地表移动监测、两工作面矿压实测和面间煤柱监测，两工作面地表未出现大面积塌陷、工作面支架载荷和气体成分未出现异常变化，工作面超前房柱式采空区煤柱稳定。目前，两工作面已经安全开采完毕，实现了浅埋近距房柱采空区下相邻长壁工作面相向安全开采，避免了工作面搬家和长时间停产，取得了显著的经济效益，验证了本项发明技术方案的可靠性。

本发明公开了以下技术效果：

本发明能够根据FLAC

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。