一种煤层开采中近全岩上保护层开采设计方法
【专利摘要】一种近全岩上保护层开采设计方法，属于煤层开采中上保护层开采设计方法。以保护层开采矿井工程地质条件信息与煤岩体试样的物理力学参数为基础，采用数值分析的方法，确定被保护层膨胀变形率保护层底板塑性区破坏深度K、煤层瓦斯压力P满足《防治煤与瓦斯突出规定》的保护层开采厚度M、保护层与被保护层层间距H，然后依据近全岩上保护层中岩石层开采厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺以及双排三花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采工艺。此方法可为无常规保护层可采的低渗透性高瓦斯煤层的安全回采提供理论依据，同时进一步丰富保护层开采设计方法，该方法经济效益显著、安全高效，具有广泛的实用性。
【专利说明】
一种煤层开采中近全岩上保护层开采设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及煤层开采中上保护层开采设计方法，特别是一种煤层开采中近全岩上 保护层开采设计方法。
【背景技术】
[0002] 在高瓦斯煤层的开采技术中，一般采用先采保护层进行瓦斯卸压抽采，再采被保 护层。通过对上保护层开采，在上覆岩层移动以及通过钻孔对被保护层进行瓦斯抽采的作 用，有效地对被保护层煤层进行瓦斯卸压。目前由于存在上保护层不具有传统的可采保护 层煤层，对于高含矸率近全岩上保护层开采还没有一种准确的设计方法，而保护层开采工 艺是影响近全岩上保护层开采的关键因素，因此，研究近全岩上保护层开采厚度及保护层 与被保护层层间距，从而通过近全岩上保护层开采中岩层开采厚度所占百分比，在传统综 采工艺、单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺以及三花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全 岩保护层开采工艺，对实现高瓦斯煤层的安全开采具有重要意义。
【发明内容】
[0003] 技术问题:本发明的目的是要提供一种经济效益显著、安全可靠的煤层开采中近 全岩上保护层开采设计方法，解决现有无常规保护层可采的低渗透性高瓦斯煤层开采的问 题，
[0004] 技术方案:本发明的煤炭开采中近全岩上保护层开采设计方法，以保护层开采矿 井工程地质条件信息与煤岩体试样的物理力学参数为基础，采用数值分析的方法，确定被 保护层膨胀变形率匕保护层底板塑性区破坏深度K、煤层瓦斯压力P满足《防治煤与瓦斯突 出规定》的保护层开采厚度M、保护层与被保护层层间距H，然后依据近全岩上保护层中岩石 层开采厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺以及双排三 花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采工艺;其具体步骤如下：
[0005] (1)收集保护层开采矿井工程地质条件信息，并进行煤岩体取样；
[0006] (2)将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石力学实验，获取煤岩体的物理力 学参数；
[0007] (3)根据保护层开采矿井工程地质条件信息与煤岩体的物理力学参数，采用有限 元分析软件立近全岩上保护层采煤数值模型；
[0008] (4)分别模拟计算与分析保护层与被保护层层间距Η不变、保护层开采厚度Μ变化 及保护层开采厚度Μ不变、保护层与被保护层层间距Η变化的条件下被保护层膨胀变形率少、 保护层底板塑性区破坏深度Κ、煤层瓦斯压力Ρ的变化；
[0009] (5)以模拟计算的结果为基础，确定符合要求的保护层开采厚度Μ和保护层与被保 护层层间距Η;
[0010] (6)依据近全岩上保护层中岩石层开采厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔 爆破预裂辅助传统综采工艺以及三花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采 工艺。
[0011] 所述的近全岩上保护层为位于被保护层上方且保护层在开采厚度为1.5~3.0m 时，保护层含矸率达到80%。
[0012] 有益效果:本发明的一种近全岩上保护层开采设计方法，在实际运用时只需要确 定上保护层开采厚度和保护层与被保护层层间距，便可根据近全岩保护层开采中岩层开采 厚度所占百分比，确定近全岩保护层开采工艺，此方法为上保护层开采设计提供参考，为高 瓦斯煤层突出矿井的安全开采提供理论基础。此方法经济效益显著、安全高效，具有广泛的 实用性。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明近全岩上保护层开采设计方法流程图。
[0014]图2为本发明近全岩上保护层开采数值计算模型。
[0015]图3为本发明被保护层膨胀变形变化曲线图。
[0016]图4为本发明保护层底板塑性区破坏深度变化曲线图。
[0017]图5为本发明煤层瓦斯压力变化柱状图。
[0018]图6为本发明单排孔炮孔布置方式图。
[0019]图7为本发明双排三花孔炮孔布置方式图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0021] 本发明的近全岩上保护层开采设计方法，以保护层开采矿井工程地质条件信息与 煤岩体试样的物理力学参数为基础，采用数值模拟计算与分析的方法，得到满足要求的保 护层开采厚度M、保护层与被保护层层间距H，然后依据近全岩上保护层开采中岩层开采厚 度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺以及双排三花孔爆破 辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采工艺，具体步骤如下：
[0022] (1)收集保护层开采矿井工程地质条件信息，并进行煤岩体取样；
[0023] (2)将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石力学实验，获取煤岩体的物理力 学参数；
[0024] (3)根据保护层开采矿井工程地质条件信息与煤岩体的物理力学参数，采用有限 元分析软件立近全岩上保护层采煤数值模型；
[0025] (4)分别模拟计算与分析保护层与被保护层层间距Η不变、保护层开采厚度Μ变化 及保护层开采厚度Μ不变、保护层与被保护层层间距Η变化的条件下被保护层膨胀变形率识、 保护层底板塑性区破坏深度Κ、煤层瓦斯压力Ρ的变化；
[0026] (5)以模拟计算的结果为基础，确定符合要求的保护层开采厚度Μ和保护层与被保 护层层间距Η;
[0027] (6)依据近全岩上保护层中岩石层开采厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔 爆破预裂辅助传统综采工艺以及三花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采 工艺。
[0028] 实施例1、以某煤矿为例，具体实施步骤如下：
[0029] (1)对该煤矿保护层开采矿井进行现场调研，收集工程地质条件信息，并进行煤岩 体取样；
[0030] (2)将取样得到的煤岩体制成标准试样，通过岩石力学试验，获得煤岩体的物理力 学参数，见表1;
[0031] 表 1
[0032]
[0033] (3)根据保护层开采矿井工程地质条件与煤岩体的物理力学参数，采用FLAC3D数值 模拟软件建立近全岩上保护层采煤流固耦合数值模型，如图2所示；
[0034] 模型长X宽X高为300m X 250m X 100m;四周约束水平方向位移，底部约束水平方 向位移及垂直方向位移;本构关系采用摩尔-库伦模型。
[0035] (4)分别模拟计算与分析保护层与被保护层层间距Η不变、保护层开采厚度Μ变化 及保护层开采厚度Μ不变、保护层与被保护层层间距Η变化的条件下被保护层膨胀变形率L 保护层底板塑性区破坏深度Κ、煤层瓦斯压力Ρ的变化，具体模拟方案见表2,模拟结果如图 3、4、5所示；
[0036] 表2
[0038] (5)以模拟结果为基础，在该矿实际工程地质条件的综合分析后，确定的保护层开 采厚度为2.0m，保护层与被保护层层间距为12m;
[0039] (6)由确定的保护层开采厚度及保护层与被保护层层间距，根据该矿近全岩上保 护层岩层所占百分比，当工作面岩层厚度在0.6m以下时，采用综采工艺直接破岩，当工作面 岩层厚度在0.6~0.8m时，采用单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺，当工作面岩层厚度在 0.8m以上时采用双排三花孔爆破辅助传统综采工艺，单排孔炮孔布置方式及三花孔布置方 式如图6、7所示。
【主权项】
1. 一种煤层开采中近全岩上保护层开采设计方法，其特征是：以保护层开采矿井工程 地质条件信息与煤岩体试样的物理力学参数为基础，采用数值分析的方法，确定被保护层 膨胀变形率保护层底板塑性区破坏深度K、煤层瓦斯压力p满足《防治煤与瓦斯突出规定》 的保护层开采厚度M、保护层与被保护层层间距H，然后依据近全岩上保护层中岩石层开采 厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔爆破预裂辅助传统综采工艺以及双排三花孔爆 破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采工艺;其具体步骤如下： (1) 收集保护层开采矿井工程地质条件信息，并进行煤岩体取样； (2) 将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石力学实验，获取煤岩体的物理力学参 数； (3) 根据保护层开采矿井工程地质条件信息与煤岩体的物理力学参数，采用有限元分 析软件立近全岩上保护层采煤数值模型； (4) 分别模拟计算与分析保护层与被保护层层间距Η不变、保护层开采厚度Μ变化及保 护层开采厚度Μ不变、保护层与被保护层层间距Η变化的条件下被保护层膨胀变形率心保护 层底板塑性区破坏深度Κ、煤层瓦斯压力Ρ的变化； (5) 以模拟计算的结果为基础，确定符合要求的保护层开采厚度Μ和保护层与被保护层 层间距Η; (6) 依据近全岩上保护层中岩石层开采厚度所占百分比，在传统综采工艺、单排孔爆破 预裂辅助传统综采工艺以及双排三花孔爆破辅助传统综采工艺中确定近全岩保护层开采 工艺。2. 根据权利要求1所述的一种煤炭开采中近全岩上保护层开采设计方法，其特征在于： 所述的近全岩上保护层为位于被保护层上方且保护层在开采厚度为1.5~3.0m时，保护层 含矸率达到80 %。
【文档编号】E21B49/00GK105927217SQ201610278563
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张吉雄, 张强, 孙强, 梅贤丞
【申请人】中国矿业大学