一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法

摘要

本发明公开一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法，包括：根据岩层指标，判定煤层上覆关键层；从预先判定的关键层中，确定一个或多个井下压裂目标层以及确定一个或多个地面压裂目标层；在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层，并压裂所述井下压裂目标层；在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层；计算停采线煤柱留设宽度设置条件，并根据所述停采线煤柱留设宽度设置条件设置停采线煤柱。本发明通过在停采线处预裂关键层，确保预裂效果良好，使各关键层控制的覆岩载荷有效转移至采空区，减小停采线煤柱受力，从而减小停采线煤柱留设尺寸，延长矿井服务年限，提高煤炭资源回采率。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿相关技术领域，特别是一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法。

背景技术

随着采煤机械设备的不断优化升级，现有部分矿区矿井开采高度集中分布在4.0ˉ8.8m之间，完成了由大采高一次采全厚向特大采高一次采全厚的历史性过渡。随着采高的增大，受采动影响的覆岩运移范围扩大，煤体所受超前采动支承压力的影响范围和峰值逐步增大，为保持大巷的稳定使用，本着大巷布置应避开超前采动支承压力影响范围的原则，停采线煤柱的留设宽度随之同步增大，从采高4m停采线煤柱留宽60m左右增大到如今的采高8.8m停采线煤柱留宽160m。停采线煤柱留宽增大，造成了煤炭资源的极大浪费。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术停采线煤柱留宽过大的技术问题，提供一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法。

本发明提供一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法，包括：

根据岩层指标，判定煤层上覆关键层；

从预先判定的关键层中，确定一个或多个井下压裂目标层以及确定一个或多个地面压裂目标层；

在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层，并压裂所述井下压裂目标层；

在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层；

计算停采线煤柱留设宽度设置条件，并根据所述停采线煤柱留设宽度设置条件设置停采线煤柱。

进一步地，所述关键层包括主关键层和亚关键层，所述确定一个或多个井下压裂目标层，具体包括：

选取距煤层高度在预设采高范围内的亚关键层作为井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定井下压裂目标层的压裂钻孔。

更进一步地，所述井下压裂目标层包括第一井下压裂目标层和第二井下压裂目标层，所述选取距煤层高度在预设采高范围内的亚关键层作为井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定井下压裂目标层的压裂钻孔，具体包括：

选取距煤层高度在第一高度范围内的亚关键层作为第一井下压裂目标层；

选取距煤层高度在第二高度范围内的亚关键层作为第二井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定第二井下压裂目标层的第二井下压裂钻孔，所述第二高度范围大于所述第一高度范围。

更进一步地，所述在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层，并压裂所述井下压裂目标层，具体包括：

在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层的压裂钻孔，并从所述井下压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述井下压裂目标层。

再进一步地，所述地面压裂目标层包括第一地面压裂目标层，所述确定一个或多个地面压裂目标层，具体包括：

选取主关键层作为第一地面压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定第一地面压裂目标层的第一地面压裂钻孔。

再进一步地，所述第一地面压裂钻孔与所述第二井下压裂目标层呈外错布置。

再进一步地，所述在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层，具体包括：。

在工作面推进至停采线位置后布置所述第一地面压裂钻孔，并从所述第一地面压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述第一地面压裂目标层。

再进一步地，所述在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层，具体还包括：

选取第二井下压裂目标层与第一地面压裂目标层之间的亚关键层作为第二地面压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内布置所述第二地面压裂目标层的第二地面压裂钻孔；

从所述第二地面压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述第二地面压裂目标层。

进一步地，所述计算停采线煤柱留设宽度设置条件，具体包括：

根据停采线煤柱参数、停采线煤层参数、覆岩参数、回撤通道参数、采区参数、煤块参数，确定停采线煤柱留设宽度设置条件。

更进一步地，所述停采线煤柱留设宽度设置条件为：

式中：L

本发明通过在停采线处预裂关键层，确保预裂效果良好，使各关键层控制的覆岩载荷有效转移至采空区，减小停采线煤柱受力，从而减小停采线煤柱留设尺寸，延长矿井服务年限，提高煤炭资源回采率。

附图说明

图1为本发明一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法的工作流程图；

图2为本发明一实施例中一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法的工作流程图；

图3为本发明一实施例压裂目标层位置示意图；

图4为本发明一实施例预先压裂第一井下压裂目标层和第二井下压裂目标层示意图；

图5为本发明一实施例压裂第一地面压裂目标层示意图；

图6为本发明一实施例压裂效果示意图。

1-第一井下压裂目标层；2-第二井下压裂目标层；3-第一地面压裂目标层；4-特大采高工作面；5-回撤通道；6-停采线煤柱；7-第一井下压裂钻孔；8-第二井下压裂钻孔；9-采空区；10-第一地面压裂钻孔；11-地面；12-停采线处断裂迹线；13-开切眼处断裂迹线；14-采区准备巷道。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示为本发明一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法的工作流程图，包括：

步骤S101，根据岩层指标，判定煤层上覆关键层；

步骤S102，从预先判定的关键层中，确定一个或多个井下压裂目标层以及确定一个或多个地面压裂目标层；

步骤S103，在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层，并压裂所述井下压裂目标层；

步骤S104，在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层；

步骤S105，计算停采线煤柱留设宽度设置条件，并根据所述停采线煤柱留设宽度设置条件设置停采线煤柱。

具体来说，一般来说，采高高于6米为特大采高。影响停采线煤柱留设尺寸的因素主要有采动超前支承压力分布、采高、埋深、煤体强度等，其中，采高、埋深、煤体强度受煤层赋存条件的限制难以改变，通过预裂关键层可以改变停采线煤柱采动超前支承压力的分布形态，缩小影响范围和支承压力峰值，为减小停采线煤柱留设宽度创造有利条件。基于此，本发明提出了一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法。主要原理为：在停采线处预裂低位亚关键层、高位主关键层，以及低位亚关键层至高位主关键层间的若干层亚关键层，确保预裂效果良好，使各关键层控制的覆岩载荷有效转移至采空区，减小停采线煤柱受力。

首先执行步骤S101，自地面垂直向下打钻孔至工作面开采煤层，对各岩层取芯并测试其力学性能，依据各岩层的厚度、容重、弹性模量、抗拉强度等岩层指标判定煤层上覆各关键层的位置。

然后执行步骤S102，从预先判定的关键层中，确定一个或多个井下压裂目标层以及确定一个或多个地面压裂目标层。然后在工作面推进至停采线位置前，执行步骤S103，先压裂井下压裂目标层。压裂井下压裂目标层一方面可以有效防止撤架时面临的压架威胁，另一方面为主关键层及其控制的覆岩垮落运移提供了充足的离层空间。然后在工作面推进至停采线位置后，执行步骤S104，压裂地面压裂目标层。地面压裂主关键层，破坏停采线煤柱上方悬顶铰接结构，从根本上调整停采线煤柱受力状态，达到减小煤柱受力的效果。通过以上方法在减小停采线煤柱留设宽度的同时有效保障了停采线煤柱的长期稳定。

最后，执行步骤S105计算停采线煤柱留设宽度设置条件，并根据所述停采线煤柱留设宽度设置条件设置停采线煤柱。

本发明通过在停采线处预裂关键层，确保预裂效果良好，使各关键层控制的覆岩载荷有效转移至采空区，减小停采线煤柱受力，从而减小停采线煤柱留设尺寸，延长矿井服务年限，提高煤炭资源回采率。

如图2所示为本发明一实施例中一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法的工作流程图，包括：

步骤S201，根据岩层指标，判定煤层上覆关键层，所述关键层包括主关键层和亚关键层；

步骤S202，从预先选定的亚关键层中，选取距煤层高度在预设采高范围内的亚关键层作为井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定井下压裂目标层的压裂钻孔。

在其中一个实施例中，所述井下压裂目标层包括第一井下压裂目标层和第二井下压裂目标层，所述选取距煤层高度在预设采高范围内的亚关键层作为井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定井下压裂目标层的压裂钻孔，具体包括：

选取距煤层高度在第一高度范围内的亚关键层作为第一井下压裂目标层；

选取距煤层高度在第二高度范围内的亚关键层作为第二井下压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定第二井下压裂目标层的第二井下压裂钻孔，所述第二高度范围大于所述第一高度范围。

优选地：

所述第一高度范围为2ˉ3倍采高范围，所述第二高度范围为6ˉ8倍采高范围；

所述第一井下压裂钻孔与水平方向的夹角为85°ˉ87°，所述第二井下压裂钻孔与水平方向的夹角为82°ˉ84°。

步骤S203，所述地面压裂目标层包括第一地面压裂目标层，选取主关键层作为第一地面压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内选定第一地面压裂目标层的第一地面压裂钻孔。

在其中一个实施例中，所述第一地面压裂钻孔与所述第二井下压裂目标层呈外错布置。

优选地，所述第一地面压裂钻孔与水平方向的夹角为82°ˉ84°。

步骤S204，在工作面推进至停采线位置前布置所述井下压裂目标层的压裂钻孔，并从所述井下压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述井下压裂目标层。

步骤S205，在工作面推进至停采线位置后布置所述第一地面压裂钻孔，并从所述第一地面压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述第一地面压裂目标层。

在其中一个实施例中，所述在工作面推进至停采线位置后布置所述地面压裂目标层，并压裂所述地面压裂目标层，具体还包括：

选取第二井下压裂目标层与第一地面压裂目标层之间的亚关键层作为第二地面压裂目标层，在工作面回撤通道预设范围内布置所述第二地面压裂目标层的第二地面压裂钻孔；

从所述第二地面压裂目标层的压裂钻孔注水压裂所述第二地面压裂目标层。

步骤S206，根据停采线煤柱参数、停采线煤层参数、覆岩参数、回撤通道参数、采区参数、煤块参数，确定停采线煤柱留设宽度设置条件。

在其中一个实施例中，所述停采线煤柱留设宽度设置条件为：

式中：L

步骤S207，根据所述停采线煤柱留设宽度设置条件设置停采线煤柱。

具体来说，留设停采线煤柱的目的：一方面是隔离采空区，另一方面是保护大巷。一个采区布置若干个工作面，若不留设停采线煤柱将导致通风、运输等系统受到破坏，无法继续回采其他工作面。考虑到目前停采线煤柱留设宽度普遍过大，造成煤炭资源的巨大浪费，因此本实施例提出一种减小特大采高工作面停采线煤柱留设宽度的方法。

如图3至图6所示。首先执行步骤S201，自地面11垂直向下打钻孔至特大采高工作面4开采煤层，对各岩层取芯并测试其力学性能，依据各岩层的厚度、容重、弹性模量、抗拉强度等指标判定煤层上覆各关键层的位置。将对岩体局部或直至地表的全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层称为关键层，其中，对岩体局部的运动起控制作用的坚硬岩层称称为亚关键层，对直至地表的全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层称为称为主关键层。因此，在综采工作面回采后，临近采场的某一厚硬岩层破断下沉后会引起其上控制的若干层软弱岩层同步破断下沉，这一厚硬岩层即为亚关键层，由于地面至回采煤层由n层岩层组成，因此亚关键层不止一层；工作面回采过程中，当某一厚硬岩层破断下沉后引起地表同步下沉运移，地表产生明显裂缝，该厚硬岩层即为主关键层。由此可见，地层中有若干层亚关键层，但主关键层只有一层。关键层的判别主要根据各岩层的厚度、容重、弹性模量、抗拉强度等参数，通过计算各岩层承受的载荷、破断步距进行确定，关键层和亚关键层的具体判断方式可以采用现有的判断方式实现。例如可参考文献“许家林,钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报,2000(05):21-25.”。

然后执行步骤S202，在工作面回撤通道5附近布置压裂钻孔，选取距煤层高度在2-3倍采高范围内的亚关键层作为第一井下压裂目标层1，压裂钻孔与水平方向的夹角取85-87°。

选取距煤层高度在6-8倍采高范围内的亚关键层作为第二井下压裂目标层2，压裂钻孔与水平方向的夹角取82-84°。

然后执行步骤S203，选取主关键层作为第一地面压裂目标层3，第一地面压裂钻孔10滞后第二井下压裂目标层2呈外错布置，与水平方向的夹角取82-84°。

然后在工作面推进至停采线位置前，例如停采线煤柱6位置前，执行步骤S204，预先布置第一井下压裂钻孔7和第二井下压裂钻孔8，通过注水压裂第一井下压裂目标层1和第二井下压裂目标层2。待工作面推进至停采线位置后，例如停采线煤柱6位置后，执行步骤S205，布置第一地面压裂目标层的第一地面压裂钻孔10，注水压裂。

根据需要可选取第二井下压裂目标层2与第一地面压裂目标层3之间的亚关键层作为第二地面压裂目标层，布置第二地面压裂目标层的第二地面压裂钻孔。通过注水压裂第二地面压裂目标层，保证第一地面压裂目标层能够充分破断运移至采空区9，使最终停采线处断裂迹线12与水平线所夹锐角θ

选取第二地面压裂目标层的前提是该厚硬岩层位于井下第二压裂目标层和主关键层之间，第二地面压裂目标层压裂后能够给下伏岩层(第一井下压裂目标层、第二井下压裂目标层控制的软弱岩层)施加载荷，保证其垮落运移充分，形成充足的离层空间，防止主关键层压裂后因运移空间受限而形成铰接结构，为主关键层压裂后的垮落运移创造良好的条件。达到转移覆岩载荷，减小停采线煤柱受力的目的。

采用上述方法，通过预先压裂井下目标层一方面可以有效防止撤架时面临的压架威胁，另一方面为主关键层及其控制的覆岩垮落运移提供了充足的离层空间。而压裂地面的主关键层，破坏停采线煤柱上方悬顶铰接结构，则从根本上调整停采线煤柱受力状态，达到减小煤柱受力的效果。从而可以有效缩小停采线煤柱留设宽度。

最后，执行步骤S206，确定停采线煤柱留设宽度设置条件计算公式如下：

式中：L

其中，k

当f≥5时，n＝1.4，当f<5时，n＝1。

本实施例减小停采线煤柱留设尺寸，有效避免资源浪费，提高采区回采率，延长矿井服务年限。通过预先压裂井下目标层，一方面可以有效防止撤架时面临的压架威胁，另一方面为主关键层及其控制的覆岩垮落运移提供了充足的离层空间。同时，在地面压裂主关键层，破坏停采线煤柱上方悬顶铰接结构，从根本上调整停采线煤柱受力状态，达到减小煤柱受力的效果。本实施例的方法，在减小停采线煤柱留设宽度的同时有效保障了停采线煤柱的长期稳定。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。