一种近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法与流程

本发明涉及一种区段煤柱留设方法，具体适用于一种煤矿井下使用的近距离煤层上下逐替协同开采条件下的区段煤柱留设方法。

背景技术：

近距离煤层是新疆等西北地区煤炭赋存的特征之一，随着我国煤炭资源开采逐渐向西部和深部战略转移，近距离煤层(群)安全高效开采成为煤炭行业的热点问题。目的，我国大部分矿井采用上行开采或下行开采技术开采近距离煤层。上行开采通常上行开采要求采动影响倍数大于7.5，安全风险较大，不利于实现安全开采；下行开采不破坏下部煤层的完整性和连续性，但有一定局限性。

近距离煤层上下逐替协同开采技术根据不同煤层和工作面的空间布置情况将下行开采与上行开采科学结合，在不同煤层相叠工作面间采用“下行开采”方式，在不同煤层相错工作面间采用“上行开采”方式，上下煤层工作面逐面交替开采，既发挥上行开采与下行开采在技术、经济方面的优点，同时考虑市场对不同煤种的实时需求，使矿井开采兼具安全性和经济性。

近距离煤层上下逐替协同开采条件下，合理留设区段煤柱是实现近距离煤层安全开采、提高资源回收率和增加矿井经济效益的重要保障。当前，我国大部分矿井采用留设区段煤柱的方式维护回采巷道的稳定性，对于区段煤柱留设宽度的研究多集中于近距离煤层上行开采或下行开采矿井，而对于近距离煤层协同开采多次采动影响下区段煤柱的合理留设问题还需要深入研究，因此研究一种适用于近距离煤层近距离煤层上下逐替协同开采条件下的区段煤柱留设方法具有重要意思。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，，提供一种近步骤简单，使用效果好，有效提高矿井煤炭资源采出率和经济效益的近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法。

为实现上述技术目的，本发明的近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法，其特征在于包括以下步骤：

首先在施工区域设定上煤层和下煤层，通过理论计算和数值模拟方法确定上煤层区段煤柱合理留设宽度xu，应用理论计算和数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l，应用理论计算和数值模拟方法确定下煤层区段煤柱合理留设宽度xs，应用物理相似模拟方法验证上煤层区段煤柱合理留设宽度xu、近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l、下煤层区段煤柱合理留设宽度xs取值的合理性。

应用理论计算和数值模拟方法确定上煤层区段煤柱合理留设宽度xu，包括：

a.分别获取上煤层中区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x1，区段煤柱巷道侧的塑性区宽度y1，煤柱弹性区宽度z1，利用公式：wu＝x1+y1+z1获得上煤层区段煤柱理论留设宽度wu；

b.确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu：取上煤层区段煤柱理论留设宽度wu±6m为上煤层煤柱数值模拟宽度范围，应用有限差分数值模拟软件对上煤层区段煤柱宽度进行数值模拟计算，对比分析不同宽度煤柱的数值模拟结果确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu；

c.利用公式：xu≥min{wu,wu}，结合上煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定合理的上煤层区段煤柱留设宽度xu。

应用理论计算和数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l，包括：

a.利用公式：计算近距离煤层上下区段煤柱理论错距l1，式中：l1为近距离煤层上下区段煤柱理论错距，单位为m；h为上下煤层层间距，单位是m；单位为m；h1为上煤层厚度，单位为m；为应力传播影响角，单位为°；

b.应用数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2：取近距离煤层上下区段煤柱理论错距l1±10m为数值模拟错距l2，使用有限差分数值模拟软件对近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距进行数值模拟计算，确定合理近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2。

c.利用公式：l≥min{l1,l2}，结合理论计算和数值模拟计算宽度结果，从而确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l。

应用理论计算和数值模拟方法确定下煤层区段煤柱合理留设宽度xs步骤为：

a.分别获取下煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x2，区段煤柱巷道侧的塑性区宽度y2，煤柱弹性区宽度z2，利用公式：ws＝x2+y2+z2计算下煤层区段煤柱理论留设宽度ws；

b.确定下煤层区段煤柱数值模拟宽度ws：取下煤层区段煤柱理论留设宽度ws±6m为下煤层煤柱数值模拟宽度，使用有限差分数值模拟软件对下煤层区段煤柱宽度进行数值模拟计算，对比分析不同宽度煤柱的数值模拟结果确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度ws；

c.利用公司：xs≥min{ws,ws}，结合下煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定合理的下煤层区段煤柱留设宽度xs。

所述上煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x1和下煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x2利用公式：计算；式中：m为煤层开采高度，单位是m；β为侧压系数，β＝μ/(1-μ)，μ为泊松比；为煤层内摩擦角，单位为°；σym为支承应力峰值，单位是mpa，σym＝kγh，k为应力集中系数，h为埋深，单位是m，γ为上覆岩层平均体积力，单位是kn/m³；c0为煤层内聚力，单位是mpa；pt为上区段巷道煤帮支护阻力，单位是mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

所述上煤层区段煤柱巷道一侧的塑性区宽度y1和下煤层区段煤柱巷道一侧的塑性区宽度y2利用公式：计算；式中：r0为顺槽等效半径，b是1/2矩形巷道宽度，a是矩形巷道高度，单位都为m；p0是原岩应力，单位为mpa；pi是锚杆主动支护约束，单位为mpa；为煤层内摩擦角，单位是°；c0为煤层内聚力，单位是mpa；p0是原岩应力，单位为mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

所述上煤层区段煤柱弹性区宽度z1和下煤层区段煤柱弹性区宽度z2的利用公式：zi＝k(xi+yi)计算；式中k是弹性区宽度系统，取0.2～0.5；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

有益效果：本发明针对我国西北等地区近距离煤层上下逐替协同开采矿井，构建了一种近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法。该煤柱留设方法能够适应于近距离煤层上下逐替协同开采矿井，既能保证区段煤柱及回采巷道稳定性，同时能够增加煤炭资源采出率，有利于矿井实现安全、经济开采。

附图说明

图1为本发明的近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法设计流程示意图

图2为本发明的近距离煤层煤柱布置空间示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明的的近距离煤层上下逐替协同开采区段煤柱留设方法，包括以下步骤：

步骤1、首先在施工区域设定上煤层和下煤层，通过理论计算和数值模拟方法确定上煤层区段煤柱合理留设宽度xu，具体包括：

a.分别获取上煤层中区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x1，区段煤柱巷道侧的塑性区宽度y1，煤柱弹性区宽度z1，利用公式：wu＝x1+y1+z1获得上煤层区段煤柱理论留设宽度wu；

b.确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu：取上煤层区段煤柱理论留设宽度wu±6m为上煤层煤柱数值模拟宽度范围，应用有限差分数值模拟软件对上煤层区段煤柱宽度进行数值模拟计算，对比分析不同宽度煤柱的数值模拟结果确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu；

c.利用公式：xu≥min{wu,wu}，结合上煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定合理的上煤层区段煤柱留设宽度xu；

步骤2、应用理论计算和数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l，具体包括：

a.利用公式：计算近距离煤层上下区段煤柱理论错距l1，式中：l1为近距离煤层上下区段煤柱理论错距，单位为m；h为上下煤层层间距，单位是m；单位为m；h1为上煤层厚度，单位为m；为应力传播影响角，单位为°；

b.应用数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2：取近距离煤层上下区段煤柱理论错距l1±10m为数值模拟错距l2，使用有限差分数值模拟软件对近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距进行数值模拟计算，确定合理近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2；

c.利用公式：l≥min{l1,l2}，结合理论计算和数值模拟计算宽度结果，从而确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l；

应用理论计算和数值模拟方法确定下煤层区段煤柱合理留设宽度xs，具体为：

a.分别获取下煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x2，区段煤柱巷道侧的塑性区宽度y2，煤柱弹性区宽度z2，利用公式：ws＝x2+y2+z2计算下煤层区段煤柱理论留设宽度ws；

b.确定下煤层区段煤柱数值模拟宽度ws：取下煤层区段煤柱理论留设宽度ws±6m为下煤层煤柱数值模拟宽度，使用有限差分数值模拟软件对下煤层区段煤柱宽度进行数值模拟计算，对比分析不同宽度煤柱的数值模拟结果确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度ws；

c.利用公司：xs≥min{ws,ws}，结合下煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定合理的下煤层区段煤柱留设宽度xs；

所述上煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x1和下煤层区段煤柱采空区侧的塑性区宽度x2利用公式：计算；式中：m为煤层开采高度，单位是m；β为侧压系数，β＝μ/(1-μ)，μ为泊松比；为煤层内摩擦角，单位为°；σym为支承应力峰值，单位是mpa，σym＝kγh，k为应力集中系数，h为埋深，单位是m，γ为上覆岩层平均体积力，单位是kn/m³；c0为煤层内聚力，单位是mpa；pt为上区段巷道煤帮支护阻力，单位是mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数；

所述上煤层区段煤柱巷道一侧的塑性区宽度y1和下煤层区段煤柱巷道一侧的塑性区宽度y2利用公式：计算；式中：r0为顺槽等效半径，b是1/2矩形巷道宽度，a是矩形巷道高度，单位都为m；p0是原岩应力，单位为mpa；pi是锚杆主动支护约束，单位为mpa；为煤层内摩擦角，单位是°；c0为煤层内聚力，单位是mpa；p0是原岩应力，单位为mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数；

所述上煤层区段煤柱弹性区宽度z1和下煤层区段煤柱弹性区宽度z2的利用公式：zi＝k(xi+yi)计算；式中k是弹性区宽度系统，取0.2～0.5；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数；

应用物理相似模拟方法验证上煤层区段煤柱合理留设宽度xu、近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l、下煤层区段煤柱合理留设宽度xs取值的合理性。

实施例：

新疆某矿赋存6层可采煤层，目前设计开采a5、a3煤层。其中a5煤层为45号气煤，属于配焦煤，销量高，但是价格低、利润低；a3煤层为硅煤，可作为一种碳质还原剂，是生产冶炼工业硅的主要原料，属于优质的动力、民用和炼焦配煤，价格高、利润高，但是市场需求小、销量低。a5煤层平均厚度5.4m，a3煤层平均厚度4.8m，a3煤层距上部a5煤层层间距为22m，属近距离煤层。

为满足市场对不同煤种的需求和提高矿井经济效益，该矿设计采用上下逐替协同开采方法开采a5、a3煤层，设计工作面开采顺序依次为a501工作面、a301工作面、a502工作面、a302工作面。龟兹矿近距离煤层协同开采条件下，合理的区段煤柱留设宽度是实现近距离煤层安全开采、提高资源回收率和增加矿井经济效益的重要保障，其区段煤柱留设方法如下：

第1步：应用理论计算和数值模拟方法确定上煤层区段煤柱合理留设宽度xu，包括以下步骤：

a.确定上煤层区段煤柱理论留设宽度wu，煤柱理论留设宽度wu的具体数值由公式(1)至公式(4)计算得出。

wu＝x1+y1+z1(1)

式(1)中，wu为区段煤柱宽度，单位是m；x1为采空区侧的塑性区宽度，单位是m；y1为采巷道一侧的塑性区宽度，单位是m；z1为煤柱弹性区宽度，单位是m。

式(2)中：m为煤层开采高度，单位是m；β为侧压系数，β＝μ/(1-μ)，μ为泊松比；为煤层内摩擦角，单位是(°)；σym为支承应力峰值，单位是mpa，σym＝kγh，k为应力集中系数，h为埋深，单位是m，γ为上覆岩层平均体积力，单位是kn/m³；c0为煤层内聚力，单位是mpa；pt为上区段巷道煤帮支护阻力，单位是mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

根据该矿具体工程地质条件，a5煤层开采厚度5.4m；实测煤体泊松比为0.29，侧压系数0.41；a5煤层内摩擦角取28°；应力集中系数为3，煤层埋深150m，上覆岩层平均体积力25kn/m³，支承应力峰值11.25mpa；内聚力取1.6mpa；上区段巷道煤帮支护阻力0.2mpa，经计算得出采空区侧塑性区宽度x1＝2.9m。

式(3)中：r0为顺槽等效半径，b是1/2矩形巷道宽度，a是矩形巷道高度，单位为m；p0是原岩应力，单位为mpa；pi是锚杆主动支护约束，单位为mpa；为煤层内摩擦角，单位是(°)；c0为煤层内聚力，单位是mpa；p0是原岩应力，单位为mpa；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

将该矿a5煤层相关数据代入式(3)，其中b＝2.1m，a＝2.8m，r0＝2.01m；c0＝1.6mpa，pi＝0.2mpa，p0＝11.25mpa，从而得出a501煤柱巷道侧塑性区宽度y1＝3.2m。

zi＝k(xi+yi)(4)

式(4)中：k是弹性区宽度系统，取0.2～0.5；i＝{1，2}，当i＝1时，式中参数取上煤层参数，当i＝2时，式中参数取下煤层参数。

将式(2)和式(3)煤柱塑性区计算结果代入式(4)，求得煤柱弹性区宽度z1＝1.22m～3.05m。

将式(2)至式(4)计算结果代入式(1)，求得该矿上煤层a5区段煤柱理论留设宽度wu＝7.3m～9.1m。

b.确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu：根据上煤层区段煤柱理论留设宽度wu确定区段煤柱数值模拟宽度，根据实际工程情况选取煤柱留设宽度为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m时分别进行模拟计算，对比分析不同宽度区段煤柱的应力分布、变形规律及塑性区发育规律，确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度wu≥7m。

c.结合上煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定该矿合理的上煤层区段煤柱留设宽度xu＝8m。

第2步：应用理论计算和数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l，包括以下步骤：

a.应用理论计算方法确定近距离煤层上下区段煤柱理论错距l1，l1的的具体数值由公式(5)计算得出。

式(5)中：l1为近距离煤层上下区段煤柱理论错距，单位是m；h为上下煤层层间距，单位是m；h1为上煤层厚度，单位是m；为应力传播影响角，单位是(°)。

根据龟兹矿煤岩层实际情况，取煤层间距h为22m，下煤层a3煤层厚度h1为4.8m，应力传播影响角取25°。经计算，上下区段煤柱理论错距l1＝12.5m。

b.应用数值模拟方法确定近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2：根据上下区段煤柱理论错距l1确定上下区段煤柱数值模拟错距，根据实际工程情况选取上下区段煤柱数值模拟错距为-20m、-16m、-12m、-8m、-4m、0m、4m、8m、12m、16m、20m时分别进行模拟计算，对比分析不同错距下a5区段煤柱的应力分布、变形规律及塑性区发育规律，确定近距离煤层上下区段煤柱数值模拟错距l2≥16m。

c.结合理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l＝16m。

第3步：应用理论计算和数值模拟方法确定下煤层区段煤柱合理留设宽度xs，包括以下步骤：

a.确定下煤层区段煤柱理论留设宽度ws，煤柱理论留设宽度ws的具体数值由公式(6)计算得出，公式(6)中x2、y2、z2的具体数值由公式(2)、公式(3)、公式(4)计算得出。

ws＝x2+y2+z2(6)

根据该矿具体工程地质条件，a3下煤层开采厚度4.8m；侧压系数0.41；a3煤层内摩擦角取28°；煤层埋深177.4m，支承应力峰值13.31mpa；内聚力取1.6mpa；上区段巷道煤帮支护阻力0.2mpa，经计算得出采空区侧塑性区宽度x2＝2.9m，巷道侧塑性区宽度y2＝3.5m，煤柱弹性区宽度z3＝1.3m～3.2m，即该矿a3下煤层区段煤柱理论留设宽度ws＝7.7m～9.6m。

b.确定下煤层区段煤柱数值模拟宽度ws：根据上煤层区段煤柱理论留设宽度ws确定区段煤柱数值模拟宽度，根据实际工程情况选取煤柱留设宽度为5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m时分别进行模拟计算，对比分析不同宽度区段煤柱的应力分布、变形规律及塑性区发育规律，确定上煤层区段煤柱数值模拟宽度ws≥9m

c.结合上煤层区段煤柱的理论计算和数值模拟计算宽度结果，确定该矿合理的上煤层区段煤柱留设宽度xs＝9m。

第4步：根据该矿采矿地质条件和上述计算结果进行物理相似实验，实验结果表明上煤层区段煤柱合理留设宽度xu、近距离煤层上下区段煤柱合理空间错距l、下煤层区段煤柱合理留设宽度xs取值的合理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。