一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法与流程

本发明属于华北型煤田防治水技术领域，更具体地说，是涉及一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法。

背景技术：

目前国内华北型煤田浅部资源已基本枯竭，大多转入深部，煤矿开采深部煤层时，面临着“高地应力、高地温、高水压和底板采动破坏扰动大”的极复杂开采条件。在煤矿井下打钻实施煤层底板注浆改造，由于水压大，不能保证作业人员安全，因此在地面利用定向钻探技术对威胁煤层安全开采的底板奥灰岩溶含水层进行区域注浆改造治理，为安全生产创造条件。地面区域治理的主要目的是从奥灰含水层根源上封堵隐伏陷落柱和断层等垂向导水构造，工作面最小安全治理范围应考虑其外围存在垂向导水构造的情况下，工作面侧向与垂向导水构造之间应留有足够的安全距离。目前国内尚未有关于华北型煤田水害地面区域治理工作面安全范围的确定方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法，旨在为华北型煤田水害地面区域治理工作面安全范围的确定提供指导依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法，包括：

获取开采煤层的解析数据；

获取防水煤柱宽度计算公式；

根据所述解析数据和所述防水煤柱宽度计算公式，得到防水煤柱宽度；

获取界限；根据所述防水煤柱宽度，获取奥灰顶面上的上顺槽第一界限，获取下顺槽第一界限，获取切眼第一界限，并获取边眼第一界限；若工作面的上顺槽外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的上顺槽第二界限；若工作面的下顺槽外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的下顺槽第二界限；若工作面的切眼外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的切眼第二界限；若工作面的边眼外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的边眼第二界限；

获取治理工作面安全范围；若工作面的上顺槽外不具有断层构造的情况，则以所述上顺槽第一界限为上顺槽外界限，若工作面的上顺槽外具有断层构造的情况，则以所述上顺槽第一界限和所述上顺槽第二界限中远离上顺槽者为上顺槽外界限；若工作面的下顺槽外不具有断层构造的情况，则以所述下顺槽第一界限为下顺槽外界限，若工作面的下顺槽外具有断层构造的情况，则以所述下顺槽第一界限和所述下顺槽第二界限中远离下顺槽者为下顺槽外界限；若工作面的切眼外不具有断层构造的情况，则以所述切眼第一界限为切眼外界限，若工作面的切眼外具有断层构造的情况，则以所述切眼第一界限和所述切眼第二界限中远离切眼者为切眼外界限；若工作面的边眼外不具有断层构造的情况，则以所述边眼第一界限为边眼外界限，若工作面的边眼外具有断层构造的情况，则以所述边眼第一界限和所述边眼第二界限中远离边眼者为边眼外界限；所述治理工作面安全范围为所述上顺槽外界限、所述下顺槽外界限、所述切眼外界限和所述边眼外界限所围合形成的范围。

进一步地，所述获取开采煤层的解析数据包括：

获取煤层底板最低标高承受的水压、煤层厚度、煤层采高、煤的抗拉强度以及临界突水系数。

进一步地，所述防水煤柱宽度计算公式为：

其中，l为防水煤柱宽度，k为安全系数，m为煤层厚度和煤层采高中的较大值，p为煤层底板最低标高承受的水压，kp为煤的抗拉强度，ts为临界突水系数。

进一步地，所述安全系数的取值为5。

进一步地，所述临界突水系数的取值为0.06mpa/m。

进一步地，所述获取奥灰顶面上的上顺槽第一界限，包括：以上顺槽的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层倾向方向向外平移所述防水煤柱宽度的距离后并沿岩层法线方向获得交到奥灰顶面的交线，以该交线为所述上顺槽第一界限。

进一步地，所述获取奥灰顶面上的下顺槽第一界限，包括：以下顺槽的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层倾向方向向外平移所述防水煤柱宽度的距离后再沿铅垂方向投影获得在奥灰顶面的投影线，以该投影线为所述下顺槽第一界限；

所述获取奥灰顶面上的切眼第一界限，包括：以切眼的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层走向方向向外平移所述防水煤柱宽度的距离后再沿铅垂方向投影获得在奥灰顶面的投影线，以该投影线为所述切眼第一界限；

所述获取奥灰顶面上的边眼第一界限，包括：以边眼的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层走向方向向外平移所述防水煤柱宽度的距离后再沿铅垂方向投影获得在奥灰顶面的投影线，以该投影线为所述边眼第一界限。

进一步地，所述若工作面的上顺槽外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的上顺槽第二界限，包括：以断层面与奥灰顶面相交的外侧交线作铅垂面，所述上顺槽第二界限为将所述铅垂面向外再水平移动第一预设长度后与奥灰顶面相交的交线；

所述若工作面的下顺槽外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的下顺槽第二界限，包括：以断层面与奥灰顶面相交的外侧交线作铅垂面，所述下顺槽第二界限为将所述铅垂面向外再水平移动第二预设长度后与奥灰顶面相交的交线；

所述若工作面的切眼外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的切眼第二界限，包括：以断层面与奥灰顶面相交的外侧交线作铅垂面，所述切眼第二界限为将所述铅垂面向外再水平移动第三预设长度后与奥灰顶面相交的交线；

所述若工作面的边眼外具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的边眼第二界限，包括：以断层面与奥灰顶面相交的外侧交线作铅垂面，所述边眼第二界限为将所述铅垂面向外再水平移动第四预设长度后与奥灰顶面相交的交线。

进一步地，所述第一预设长度大于等于50m，所述第二预设长度大于等于50m，所述第三预设长度大于等于50m，所述第四预设长度大于等于50m。

本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的有益效果在于：与现有技术相比，能够依据开采煤层的解析数据、防水煤柱宽度计算公式以及相关工作面是否具有断层构造的情况，来获取界限并最终确定治理工作面安全范围，为华北型煤田底板岩溶水害地面区域的治理工作提供了指导依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法应用在无断层构造时确定治理工作面安全范围时的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法应用在有断层构造时确定治理工作面安全范围时的示意图之一；

图4为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法应用在有断层构造时确定治理工作面安全范围时的示意图之二；

图5为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法应用在有断层构造时确定治理工作面安全范围时的示意图之三；

图6为本发明实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法应用在有断层构造时确定治理工作面安全范围时的示意图之四。

图中：1、开采煤层；2、下顺槽；3、上顺槽；4、奥灰层；5、奥灰顶面；6、上顺槽第一界限；7、下顺槽第一界限；8、上顺槽第二界限；9、下顺槽第二界限；l、防水煤柱宽度。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1至图6，现对本发明提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法进行说明。所述的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法适用于华北型煤田。煤田采煤工作面是指由上顺槽3、下顺槽2、切眼和边眼所围合的矩形区域，其中切眼也叫作主切眼，边眼也叫作辅助切眼。

图1示出了本发明的一个实施例提供的一种底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的实现流程，其过程详述如下：

在步骤s100中，获取开采煤层1的解析数据。开采煤层1的解析数据，是已知量或者煤田中的试验可获得量。

在步骤s200中，获取防水煤柱宽度计算公式，该防水煤柱宽度计算公式可以经自创模型获得或者已知模型获得，再或者可以由现有模型或公式推导获得。

在步骤s300中，根据解析数据和防水煤柱宽度计算公式，得到防水煤柱宽度l。防水煤柱宽度l是在开采煤层1上沿着煤层倾向上延伸的宽度。

在步骤s400中，获取界限。具体是：步骤s410，根据防水煤柱宽度，分别在奥灰顶面上获取相应的上顺槽第一界限6、下顺槽第一界限7、切眼第一界限和边眼第一界限。

步骤s420，若工作面的上顺槽3外(也就是上顺槽3远离下顺槽2的一侧)具有断层构造的情况，那么就要在奥灰顶面上获取上顺槽第二界限8；若工作面的下顺槽2外(也就是下顺槽2远离上顺槽3的一侧)具有断层构造的情况，那么就要在奥灰顶面上获取下顺槽第二界限9；若工作面的切眼外(也就是切眼远离边眼的一侧)具有断层构造的情况，则要奥灰顶面上获取切眼第二界限；若工作面的边眼外(也就是边眼远离切眼的一侧)具有断层构造的情况，则要奥灰顶面上获取边眼第二界限。

总的来说第一界限都是与防水煤柱宽度有关，第二界限则与断层构造有关。

在步骤s500中，获取治理工作面安全范围。本领域的技术人员知晓的是工作面对应的奥灰层范围必然属于治理工作面安全范围，本发明的目的是进一步找出相应的上顺槽外工作面治理范围、下顺槽外工作面治理范围、切眼外工作面治理范围和边眼外工作面治理范围。

具体是：若工作面的上顺槽3外不具有断层构造的情况，则以上顺槽第一界限6为上顺槽外界限。若工作面的上顺槽3外具有断层构造的情况，则以上顺槽第一界限6和上顺槽第二界限8中相对远离上顺槽3者为最终的上顺槽外界限，这句话还可以这么理解，上顺槽第一界限6确定后会获得一个上顺槽外工作面治理范围a，上顺槽第二界限8确定后会获得一个上顺槽外工作面治理范围b，那么上顺槽外工作面治理范围a和上顺槽外工作面治理范围b中治理范围较大者就是最终的上顺槽外工作面治理范围。

为了便于理解，图3和图4分别为工作面上顺槽3外侧存在正断层时获取奥灰顶面上的上顺槽外界限的两种实施例。请参见图3，工作面上顺槽3外侧存在正断层且工作面位于上盘。此时，在获取上顺槽治理范围时，可以确定一个上顺槽第一界限6和上顺槽第二界限8。如果上顺槽第二界限8比上顺槽第一界限6更远离上顺槽3，那么上顺槽外界限就是上顺槽第二界限8；如果上顺槽第二界限8比上顺槽第一界限6更接近上顺槽3，那么上顺槽外界限就是上顺槽第一界限6。请参见图4，工作面上顺槽3外侧存在正断层且工作面位于下盘。此时，在获取上顺槽治理范围时，可以确定一个上顺槽第一界限6和上顺槽第二界限8。如果上顺槽第二界限8比上顺槽第一界限6更远离上顺槽3，那么上顺槽外界限就是上顺槽第二界限8；如果上顺槽第二界限8比上顺槽第一界限6更接近上顺槽3，那么上顺槽外界限就是上顺槽第一界限6。

若工作面的下顺槽2外不具有断层构造的情况，则以下顺槽第一界限7为下顺槽外界限。若工作面的下顺槽2外具有断层构造的情况，则以下顺槽第一界限7和下顺槽第二界限9中相对远离下顺槽2者为最终的下顺槽外界限，这句话还可以这么理解，下顺槽第一界限7确定后会获得一个下顺槽外工作面治理范围a，下顺槽第二界限9确定后会获得一个下顺槽外工作面治理范围b，那么下顺槽外工作面治理范围a和下顺槽外工作面治理范围b中治理范围较大者就是最终的下顺槽外工作面治理范围。

为了便于理解，图5和图6分别为工作面下顺槽2外侧存在正断层时获取奥灰顶面上的上顺槽外界限的两种实施例。请参见图5，工作面下顺槽2外侧存在正断层且工作面位于下盘。此时，在获取下顺槽治理范围时，可以确定一个下顺槽第一界限7和下顺槽第二界限9。如果下顺槽第二界限9比下顺槽第一界限7更远离下顺槽2，那么下顺槽外界限就是下顺槽第二界限9；如果下顺槽第二界限9比下顺槽第一界限7更接近下顺槽2，那么下顺槽外界限就是下顺槽第一界限7。请参见图6，工作面下顺槽2外侧存在正断层且工作面位于上盘。此时，在获取下顺槽治理范围时，可以确定一个下顺槽第一界限7和下顺槽第二界限9。如果下顺槽第二界限9比下顺槽第一界限7更远离下顺槽2，那么下顺槽外界限就是下顺槽第二界限9；如果下顺槽第二界限9比下顺槽第一界限7更接近下顺槽2，那么下顺槽外界限就是下顺槽第一界限7。

若工作面的切眼外不具有断层构造的情况，则以切眼第一界限为切眼外界限。若工作面的切眼外具有断层构造的情况，则以切眼第一界限和切眼第二界限中相对远离切眼者为最终的切眼外界限，这句话还可以这么理解，切眼第一界限确定后会获得一个切眼外工作面治理范围a，切眼第二界限确定后会获得一个切眼外工作面治理范围b，那么切眼外工作面治理范围a和切眼外工作面治理范围b中治理范围较大者就是最终的切眼外工作面治理范围。

若工作面的边眼外不具有断层构造的情况，则以边眼第一界限为边眼外界限。若工作面的边眼外具有断层构造的情况，则以边眼第一界限和边眼第二界限中相对远离边眼者为最终的边眼外界限，这句话还可以这么理解，边眼第一界限确定后会获得一个边眼外工作面治理范围a，边眼第二界限确定后会获得一个边眼外工作面治理范围b，那么边眼外工作面治理范围a和边眼外工作面治理范围b中治理范围较大者就是最终的边眼外工作面治理范围。

最终，上顺槽外界限、下顺槽外界限、切眼外界限和边眼外界限所围合形成的范围就是治理工作面安全范围；也就是说上顺槽外工作面治理范围、下顺槽外工作面治理范围、切外工作面治理范围、边眼外工作面治理范围再加上原本工作面对应的奥灰层范围就是治理工作面安全范围。

从上述实施例可知，本发明实施例提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法，能够依据开采煤层的解析数据、防水煤柱宽度计算公式以及相关工作面是否具有断层构造的情况，来获取界限并最终确定治理工作面安全范围，为华北型煤田底板岩溶水害地面区域的治理工作提供了指导依据。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，步骤s100获取开采煤层1的解析数据包括：获取煤层底板最低标高承受的水压、煤层厚度、煤层采高、煤的抗拉强度以及临界突水系数等数据。其中，煤层底板最低标高承受的水压，是以突水系数法按奥灰顶面计算水压，水位标高按近3年奥灰含水层最高水位。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，防水煤柱宽度计算公式为：

其中，l为防水煤柱宽度，k为安全系数，m为煤层厚度和煤层采高中的较大值，p为煤层底板最低标高承受的水压，kp为煤的抗拉强度，ts为临界突水系数。l的单位为m，m的单位为m，kp和p的单位均为mpa，ts的单位为mpa/m。k为无单位系数，其可以根据经验获得，一般取值在为4-7之间。

这里需要指出的是因为上顺槽、下顺槽、切眼和边眼处的煤层底板最低标高承受的水压等参数可能取值不同，所以上顺槽、下顺槽、切眼和边眼的防水煤柱宽度也可能不同。

防水煤柱宽度计算公式的公式源于《煤矿防治水细则》中的两个公式，这两个公式分为《煤矿防治水细则》附录六之二公式：

以及煤矿防治水细则》附录五之二突水系数法公式：

其中，l’为第一估算防水煤柱宽度，l”为第二估算防水煤柱宽度。

第一估算防水煤柱宽度和第二估算防水煤柱宽度分别为利用不同模型获得的估算防水煤柱宽度，防水煤柱宽度则最终为第一估算防水煤柱宽度和第二估算防水煤柱宽度中的较大的一个取值，已获得更安全的宽度。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，安全系数的取值为5。经过多次验证，安全系数取5更为合适，可获得较为安全且不至于范围过大的治理工作面安全范围。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，根据经验，临界突水系数的取值为0.06mpa/m。

请参见图2至图6，作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，步骤s400中获取奥灰顶面上的上顺槽第一界限6，包括：以上顺槽3的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层倾向方向向外(即沿煤层倾向方向向上)平移防水煤柱宽度l的距离后并沿岩层法线方向获得交到奥灰顶面5的交线，以该交线为上顺槽第一界限6。

请参见图2至图6，作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，步骤s400中获取奥灰顶面上的下顺槽第一界限7，包括：以下顺槽2的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层倾向方向向外(即沿煤层倾向方向向下)平移防水煤柱宽度l的距离后再沿铅垂方向向奥灰顶面5投影，获得此时在奥灰顶面的投影线，以该投影线为下顺槽第一界限7。这样可以获得更安全、更可靠的下顺槽第一界限7。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，步骤s400中获取奥灰顶面上的切眼第一界限，包括：以切眼的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层走向方向向外(即沿煤层走向朝着远离边眼的方向)平移防水煤柱宽度l的距离后再沿铅垂方向向奥灰顶面5投影，获得此时在奥灰顶面的投影线，以该投影线为切眼第一界限。这样可以获得更安全、更可靠的切眼第一界限。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，步骤s400中获取奥灰顶面上的边眼第一界限，包括：以边眼的煤层底板最低标高处为起点，沿煤层走向方向向外(即沿煤层走向朝着远离切眼的方向)平移防水煤柱宽度l的距离后再沿铅垂方向向奥灰顶面5投影，获得此时在奥灰顶面的投影线，以该投影线为边眼第一界限。这样可以获得更安全、更可靠的边眼第一界限。

请参见图3至图4，作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，在步骤s500中，若工作面的上顺槽3外(即上顺槽3远离下顺槽2的一侧方向)具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的上顺槽第二界限8，具体包括：

以断层面与奥灰顶面5相交的外侧交线(断层面与奥灰顶面5具有两条交线，外侧交线就是远离上顺槽3的那条交线)作铅垂面，上顺槽第二界限8为将上述的铅垂面再向外(即上顺槽3远离下顺槽2的一侧方向)水平移动第一预设长度后与奥灰顶面5相交的交线。

请参见图5至图6，作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，在步骤s500中，若工作面的下顺槽2外(即下顺槽2远离上顺槽3的一侧方向)具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的下顺槽第二界限9，具体包括：

以断层面与奥灰顶面5相交的外侧交线(断层面与奥灰顶面5具有两条交线，外侧交线就是远离下顺槽2的那条交线)作铅垂面，下顺槽第二界限9为将上述的铅垂面再向外(即下顺槽2远离上顺槽3的一侧方向)水平移动第二预设长度后与奥灰顶面5相交的交线。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，在步骤s500中，若工作面的切眼外(即切眼远离边眼的一侧方向)具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的切眼第二界限，具体包括：

以断层面与奥灰顶面5相交的外侧交线(断层面与奥灰顶面5具有两条交线，外侧交线就是远离切眼的那条交线)作铅垂面，切眼第二界限为将上述的铅垂面再向外(即切眼远离边眼的一侧方向)水平移动第三预设长度后与奥灰顶面5相交的交线。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，在步骤s500中，若工作面的边眼外(即边眼远离切眼的一侧方向)具有断层构造的情况，则获取奥灰顶面上的边眼第二界限，具体包括：

以断层面与奥灰顶面5相交的外侧交线(断层面与奥灰顶面5具有两条交线，外侧交线就是远离边眼的那条交线)作铅垂面，边眼第二界限为将上述的铅垂面再向外(即边眼远离切眼的一侧方向)水平移动第四预设长度后与奥灰顶面5相交的交线。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，根据经验，第一预设长度大于等于50m，第二预设长度大于等于50m，第三预设长度大于等于50m，第四预设长度大于等于50m。

请参见图3至图6，作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，根据经验，第一预设长度等于50m，第二预设长度等于50m，第三预设长度等于50m，第四预设长度等于50m。

作为本发明提供的底板岩溶水害地面区域治理工作面安全范围确定方法的一个具体实施例，若工作面沿采空区布置，应考虑重复叠加采动破坏，工作面采空区一侧最小安全治理范围不得小于1.5倍的区域治理分支孔孔间距。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。