一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法

本发明属于矿井工作面采空区的防火领域，特别涉及一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法。

背景技术：

近年来，矿井工作面采空区爆炸事故频繁发生，我国高瓦斯矿井约占矿井总数的17％，而且急倾斜煤层开采矿井分布广泛，大多以煤层群形式分布。由于倾角大，急倾斜煤层工作面顶板矿压显现规律复杂，开采难度更大，机械化程度较低，通风系统较为复杂，顶板及采空区管理难度大，易发生煤壁片帮，安全性差。老采空区内存在自然发火和瓦斯等危险源，如果发生自燃爆炸，会通过煤岩层中的裂隙波及到新采区，容易引发人员伤亡事故。因此，在水平和水平之间、采区和采区之间需留设隔离煤柱的基础上，通过合理设计煤柱的尺寸来防止煤层顶板上方裂隙带相互导通，可以避免事故的发生。

急倾斜和大倾角煤层由于地质条件比较特殊，采煤方法等均与近水平和缓倾斜煤层相差甚多，防火方面现有的研究和技术不多。针对部分通风困难且倾角较大的采空区防火，本发明通过合理留设水平隔离煤柱和区间隔离煤柱来彻底切断老采区和新采区之间的裂隙通道，从而防止煤层和岩层的裂隙中有毒有害可燃气体威胁工作面的安全。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法，避免新老采空区直接连通，并保证相邻采区同一煤层的裂隙带不相互连通，通过利用分析裂隙带发育范围，确保采区之间没有裂隙可以导通，隔离老采空区的有毒有害可燃气体，设计出能够彻底隔离采空区的合理煤柱尺寸，以达到防止火灾等事故的发生，保证特殊条件下矿井的安全高效生产，其具体的技术方案，包括如下步骤：

步骤1，确定留设煤柱参数

(1)煤层上覆岩层性质的确定：根据矿井实际情况计算覆岩岩性，选择采用计算加权平均值的方法，计算上覆岩层的平均单轴抗压强度值，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》中表1-1岩性与预测参数相关关系表，确定覆岩岩性，从而根据不同岩性选取裂隙带计算公式；

(2)裂隙带高度计算：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》中附表2-5急倾斜煤层导水裂隙带和垮落带高度计算公式，计算裂隙带高度；

(3)岩层移动角的确定：勘测矿井，获得覆岩的上山移动角γ，下山移动角β，走向移动角δ，作为煤柱留设的依据；

步骤2，水平隔离煤柱的留设

根据步骤1确定的煤柱留设参数，对煤层的煤柱留设进行设定，使煤层开采后裂隙带与各层老采空区裂隙带不连通：

(1)老采空区裂隙带下部边界的确定：依次画出各煤层在各剖面上的下部开采边界和按下山岩石移动角β确定的裂隙带倾斜下部边界；

(2)搜索三角形的绘制：利用公式求出的裂隙带高度值hli，以煤层顶板上的任意一条铅垂直线下部端点为起点画与水平线成上山移动角γ的直线，再以该垂线上部端点向采空区方向做水平线，交该直线于一点，形成一个直角三角形，即搜索三角形；

(3)新采空区裂隙带上部边界线的绘制：沿煤层顶板的各点画出等于裂隙带高度hli长度的铅垂直线，连接各直线的上部端点，形成煤层裂隙带发育范围的上部边界线；

(4)隔离煤柱下边界点的确定：沿煤层顶板向上平行移动搜索三角形，当其左上角与任一煤层的老采空区裂隙带下部边界线首次相交时，三角形下部顶点所在的煤层顶板位置即为该剖面的隔离煤柱下部边界点；

(5)隔离煤柱宽度的确定：老采空区煤层下部开采边界至所确定的煤柱下边界点之间的距离即为该剖面煤层隔离煤柱的宽度；

步骤3，区间隔离煤柱的留设

(1)隔离煤柱上部最小宽度的确定：首先按裂隙带高度hli画出相邻采区裂隙带上部边界线，以该线上的任意一点按岩层走向移动角δ分别向两侧下方画直线，交于煤层顶板于两点，两点之间的距离即为区间煤柱的上部最小宽度；

(2)隔离煤柱下部最小宽度的确定：从煤柱的上部两个端点向下部边界线预留一定角度做两条斜直线，并交于该煤层采区下部边界线的两点，两个交点之间的距离即为该隔离煤柱的下部宽度，从而形成上窄下宽的梯形倾斜采区隔离煤柱；

上述的一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法，其中：

所述的步骤1中，计算上覆岩层的平均单轴抗压强度值的计算公式为：

式中：pj—单轴抗压强度加权平均值，mpa；

pi—第i层单轴抗压强度，mpa；

hi—第i层厚度，m；

n—煤岩层数目；

所述的步骤1中，计算裂隙带高度的计算公式为：

本发明的一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法，与现有技术相比，有益效果为：

一、本发明采用几何法对急倾斜煤层的裂隙带的边缘进行了划定，利用相邻采区顶板裂隙带不导通的原则留设隔离煤柱将相邻工作面的采空区永久且彻底的隔离开，有效的确保新采区的生产安全。

二、本发明虽增加了煤的损失，但无需其他设备，降低了设备和人员的成本，并且隔离煤柱留设方法易于实施，方法实施后不需要后续操作，具有永久性、彻底性。

三、本发明根据顶板破坏规律确定了新老采空区导通的所有可能，从走向和倾向两个方向彻底的将新老采空区完全隔离。在矿井通风系统和倾角较小的煤层的情况下，有毒有害可燃气体并不会在顶板裂隙流通，但是如果矿井在地质条件、采煤方法、回采工艺、通风系统等情况较为特殊时，相对于其他技术，本发明可以做到简单易实施，无需后续操作的优点。

综上所述，本发明对于部分地质条件特殊、通风系统复杂的高瓦斯采区，遵循采空区之间裂隙不连通的原则，设计出能够彻底隔离采空区的合理煤柱尺寸，防止有毒有害可燃气体威胁工作面的生产安全，避免生产事故的发生，保证该矿井的安全高效生产。

附图说明

图1是本发明实施例的n1号煤层水平煤柱留设实例图：1-n1号煤层-400m水平采空区，2-下山移动角，3-裂隙带高度上部发育边界，4-上山移动角；

图2是本发明实施例的区间煤柱上部宽度计算的走向剖面示意图：1-裂隙带高度上部发育边界，2-岩层走向移动边界，3-区间隔离煤柱上部，4-煤层顶板，5-岩层走向移动角；

图3是本发明实施例的区间下部煤柱留设方法的平面示意图：1-区间隔离煤柱上部，2-区间隔离煤柱下部，3-煤层底板。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

以吉林江源矿为例，吉林江源矿主要可采煤层有n1号、n4号和n6号三个煤层，均为全区发育。井田位于向斜北翼，上部煤层倾角较大，在60°～70°之间，煤层厚度约为5m。

矿井属高瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量10.38m3/t，绝对涌出量为35.86m3/min；煤层自然发火期为5～7个月，自燃倾向性属ⅱ类，即自燃煤层；煤尘爆炸指数为54.56％，具有爆炸危险性。

开拓方式为立井、暗斜井多水平开拓，采煤方法为水采。矿井在以往的开采过程中，由于各开采水平和各采区之间的隔离煤柱留设不足，随着开采煤柱受到不同程度的破坏，使得-400m水平以上形成了大面积相互贯通的采空区。采空区内存在瓦斯爆炸、遗煤自燃和积水突水等事故隐患，严重威胁着下部水平各采区的安全生产。

为确保新采区的生产安全，江源煤业决定在不同水平的新老采空区之间留设水平隔离煤柱，并在各采区之间留设区间隔离煤柱，彻底切断各采区之间的联系。

一种急倾斜煤层采空区之间用于防火的隔离煤柱留设方法，具体包括如下步骤：

步骤1，确定留设煤柱参数

(1)煤层上覆岩层性质的确定：根据矿井实际情况计算覆岩岩性，选择采用计算加权平均值的方法，计算出上覆岩层的平均单轴抗压强度值为35.6mpa，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》中表1-1岩性与预测参数相关关系表，确定岩性为中硬；

(2)裂隙带高度计算：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》中附表2-5急倾斜煤层导水裂隙带和垮落带高度计算公式，计算出导水裂隙带高度约为60m；

(3)岩层移动角的确定：勘测矿井，获得覆岩的上山移动角70°，下山移动角59°，走向移动角70°，作为煤柱留设的依据；

步骤2，水平隔离煤柱的留设

根据步骤1确定的煤柱留设参数，按照n1号煤层开采后裂隙带与各层老采空区裂隙带不连通的原则，对n1号煤层的煤柱留设进行设定，如图1所示；

(1)老采空区裂隙带下部边界的确定：依次画出各煤层在n1号层各剖面上的下部开采边界和按下山移动角2确定的裂隙带倾斜下部边界；

(2)搜索三角形的绘制：以煤层顶板上的任意一条60m铅垂直线下部端点为起点画与水平线成70°(即上山移动角4)的直线，再以该垂线上部端点向采空区方向做水平线，交于70°直线于一点，形成一个直角三角形，即搜索三角形；

(3)新采空区(-400m水平)n1号层裂隙带上部边界线的绘制：沿n1号煤层5顶板的各点画出60m(裂隙带高度)长度的铅垂直线，连接各直线的上部端点，形成n1号煤层裂隙带发育范围的裂隙带高度上部发育边界3；

(4)隔离煤柱下边界点的确定：沿煤层顶板向上平行移动搜索三角形，当其左上角与任一煤层的n1号煤层-400m水平采空区1裂隙带下部边界线首次相交时，三角形下部顶点所在的n1号层顶板位置即为该剖面的隔离煤柱下部边界点；

(5)隔离煤柱宽度的确定：n1号煤层-400m水平采空区1下部开采边界至所确定的煤柱下边界点之间的距离即为该剖面n1号层隔离煤柱的宽度，经计算，宽度为50m；

步骤3，区间隔离煤柱的留设

n1号层隔离煤柱尺寸的确定：

(1)如图2所示，首先按裂隙带最大发育高度60m画出相邻采区的裂隙带高度上部发育边界1，以该线上的任意一点按70°(岩层走向移动角5)分别向两侧下方画岩层走向移动边界2，交于煤层顶板4于两点，两点之间的距离43m即为区间隔离煤柱上部3的最小宽度。为安全起见，区间隔离煤柱宽度取45m；

(2)由于煤层较厚、煤质较软、倾角和采深较大，为了保证隔离煤柱的稳定性，在采区平面图上，如图3所示，从区间隔离煤柱上部1的两个端点做与45m煤柱两侧直线成5°夹角的两条斜线，并交于煤层底板3的两点，两个交点之间的距离即为区间隔离煤柱下部2的宽度。从而形成上窄下宽的梯形倾斜采区隔离煤柱。