一种静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法与流程

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法。

背景技术：

随着煤矿开采强度的增大，很多矿区开采条件较好的煤炭资源逐渐减少。残采区上部遗留煤层的储量可观，具有良好的开采价值，其安全开采问题日益凸显。

现有残采区上行开采的判定方法主要借鉴垮落上行顺序开采的判别方法，即比值判别法、“三带”判别法和围岩平衡法。这些判定方法基本都是围绕层间距和采厚进行的，主要存在以下问题：

(1)上述方法不适用于刀柱残采区上行开采的判定，且仅停留在定性的经验层面，不能满足生产实践的要求；

(2)现有刀柱残采区上行开采可行性判定方法都没有将刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层作为一个系统进行稳定性研究，且没有给出稳定性的定量判定公式；

(3)现有判定方法没有考虑上部遗留煤层开采时产生的扰动载荷对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，而扰动载荷是造成煤柱和层间岩层系统失稳的重要因素之一。

此外，现有的矿井中，有的残采区上部遗留煤层顶板具有岩层松散、破碎、不稳定的特点，遗留煤层开采时其顶板随采随落、并重新压实几乎恢复至原岩应力，而有的残采区上部遗留煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主，遗留煤层开采时其顶板不易跨落，不同的残采区具有不同的特点，其开采难度不可一概而论；而且，控制岩层上的扰动载荷作用宽度与两层煤之间的层间岩层悬空跨度的关系也影响着煤矿开采的安全性。因此，急需提出一种更具有安全性和实际应用性的刀柱残采区上行开采可行性判定方法。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，为了避免经验方法误差较大的情况，充分考虑了静扰动加卸载对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，所要解决的技术问题为：提供一种适用于静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，以提高开采可行性判定的准确度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，包括以下步骤：

s1、根据矿井地质资料和开采资料，查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，绘制刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，并确定矿井工况属于静扰动加卸载类型；

s2、确定层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号；

s3、根据矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度hi、容重γi、弹性模量ei，判定控制岩层的位置；

s4、分别计算遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷大小和作用于控制岩层上的扰动载荷大小；

s5、通过公式计算出静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σm，max，其中，qm1表示因刀柱残采区上覆岩层自重而形成的均布载荷；qm2表示因层间岩层自重形成的均布载荷；lx表示层间岩层悬空跨度；bm表示刀柱残采区遗留煤柱宽度；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷；l1表示扰动载荷的作用宽度；然后用伺服压力机测量等比例缩小的煤柱的竖向临界破坏压应力σm,c，比较σm,max与σm,c的数值大小，若σm,max≥σm,c，则煤柱失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σm,max＜σm,c，则煤柱稳定，继续进行步骤s6；

s6、通过公式计算出静扰动加卸载作用下控制岩层所受最大拉应力σk,max的值，其中，qk表示因控制岩层上覆岩层自重而形成的均布载荷，包括控制岩层自重；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于控制岩层上的扰动载荷；k表示控制岩层的编号，n表示层间岩层的层数，表示从控制岩层到遗留煤层的高度；然后确定控制岩层抗拉强度σk,t的值，比较σk,max与σk,t的数值大小，若σk,max≥σk,t，则控制岩层失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σk,max＜σk,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

所述步骤s2中，通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况。

所述步骤s3中，控制岩层的判定公式为：

满足上式的第k岩层为控制岩层，式中，k＝j+1；k，j表示岩层编号。

所述步骤s4中，扰动载荷大小的计算公式为：

式中，γ表示遗留煤层上覆岩层的平均容重；h表示遗留煤层上覆岩层的厚度；x0表示遗留煤层开采工作面支承压力的长度；l0表示遗留煤层开采工作面支承压力的宽度；ki表示载荷集中系数；z表示扰动载荷传递的深度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明提供的适用于刀柱残采区上行开采的判定方法，充分考虑上部遗留煤层开采时产生的扰动载荷对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，给出了开采可行性的定量判定公式，并有效避免经验性方法的判定误差，提高了开采可行性判定的准确度；

(2)本发明的实践应用可以提高刀柱残采区上部煤炭资源的回收率，节约资源，有效延长矿井的服务年限。

附图说明

图1为刀柱残采区与遗留煤层的分布形态图；

图2为本发明提出的一种静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法的流程图；

图3为静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱最易失稳状态模型图；

图4为静扰动加卸载作用下控制岩层最易失稳状态模型图；

图5为本发明实施例采用的某煤矿地层分布形态图；

图中：a—刀柱残采区遗留煤柱；b—刀柱采空区；c—遗留煤层；d—层间岩层；e—遗留煤层上覆岩层及表土层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为刀柱残采区与遗留煤层的分布形态图，其中，a表示刀柱残采区遗留煤柱；b表示刀柱采空区；c表示遗留煤层；d表示层间岩层；e表示遗留煤层上覆岩层及表土层。

本发明提供了一种静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法，其适用于静扰动加卸载的矿井工况。其限定条件为：遗留煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主，遗留煤层开采时其顶板不易跨落；控制岩层上的扰动载荷作用宽度大于等于层间岩层悬空跨度，扰动载荷的移动对控制岩层稳定性的判定结果不产生影响。此外，本发明的判定方法仅适用于矿井煤层为近水平煤层的矿井。

如图2所示，本发明的静扰动加卸载的刀柱残采区上行开采可行性判定方法具体步骤包括：

s1、根据矿井地质资料和开采资料，查明刀柱残采区和遗留煤层的分布位置，绘制如图1所示的刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，并确定矿井工况属于静扰动加卸载类型，即遗留煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主，遗留煤层开采时其顶板不易跨落，并且控制岩层上的扰动载荷作用宽度大于等于层间岩层悬空跨度。

s2、通过钻孔窥视和钻孔取芯的方法，确定层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号。

s3、根据矿压观测资料和岩层组成、岩层结构及第i岩层的厚度hi、容重γi、弹性模量ei，判定控制岩层的位置。

其中，控制岩层的判定公式为：

满足上式(1)的第k岩层为控制岩层，式中，k＝j+1；k，j表示岩层编号。

s4、分别计算遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷的值和作用于控制岩层上的扰动载荷的值；其中，扰动载荷的计算公式为：

式(2)中，γ表示遗留煤层上覆岩层的平均容重；h表示遗留煤层上覆岩层的厚度；x0表示遗留煤层开采工作面支承压力的长度；l0表示支承压力的宽度；ki表示载荷集中系数；z表示扰动载荷传递的深度。将遗留煤柱和控制岩层对应的z代入式(2)，则可以分别计算得到和的值。

s5、对静扰动加卸载作用下煤柱的稳定性进行分析。首先计算出静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σm，max，然后用伺服压力机测量等比例缩小的煤柱的竖向临界破坏压应力σm,c，比较σm,max与σm,c的数值大小，若σm,max≥σm,c，则煤柱失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σm,max＜σm,c，则煤柱稳定，继续进行步骤s6。

为了确定静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σm，max的计算公式，将刀柱残采区遗留煤柱简化为固定铰支座，将两层煤之间的层间岩层简化为梁，得到静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱最易失稳状态的力学简化模型，如图3所示。模型中，qm1表示因刀柱残采区上覆岩层自重而形成的均布载荷；qm2表示因层间岩层自重形成的均布载荷；lx表示层间岩层悬空跨度；bm表示刀柱残采区遗留煤柱宽度；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷；l1表示扰动载荷的作用宽度。模型中支座2(煤柱)所承受的竖向压力最大，以支座2为界将模型分为左右两部分,设支座2在左半部分中承受的压力为fm1,根据力矩平衡方程(∑m2(f)＝0)，可得：

由式(3)可得，同理，设支座2在右半部分中承受的压力为fm2,最终，支座2所承受的竖向压力为：fm，max＝fm2+fm1，已知煤柱的宽度bm，由推导出σm，max的计算公式为：

s6、对静扰动加卸载作用下控制岩层的稳定性进行分析。首先计算出静扰动加卸载作用下控制岩层所受最大拉应力σk,max的值，然后确定控制岩层抗拉强度σk,t的值，其中，控制岩层抗拉强度σk,t的值可以通过用巴西劈裂试验进行测量，也可以从矿井资料中直接查找；最后比较σk,max与σk,t的数值大小，若σk,max≥σk,t，则控制岩层失稳，判定刀柱残采区上部遗留煤层不可采；若σk,max＜σk,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

为了确定静扰动加卸载作用下控制岩层所受最大拉应力σk,max的计算公式，将遗留煤柱和层间岩层的组合结构简化为简支梁结构,得到静扰动加卸载作用下控制岩层最易失稳状态的力学简化模型，如图4所示。模型中，qk表示因控制岩层上覆岩层自重而形成的均布载荷，包括控制岩层自重；表示遗留煤层开采时产生的支承压力在经过传递衰减之后作用于控制岩层上的扰动载荷；表示从控制岩层到遗留煤层的高度。因图4中模型为对称结构，故支座1和支座2的支座反力均为控制岩层跨中处弯矩最大，故最大弯矩对于高为宽为单位宽度的矩形截面，其抗弯截面系数则根据横力弯曲时梁截面最大正应力的计算公式：可以推导出静扰动加卸载作用下控制岩层所受最大拉应力σk,max的计算公式为：

下面以某煤矿为例，说明本发明的具体实施方式。

某煤矿开采时间较早，是典型的资源紧缺型老矿。矿区主要可采煤层为10号、12号煤层，均属于近水平煤层。10号、12号煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主。二十世纪八九十时代，由于历史、人为与技术等原因，该煤矿越过10号，优先采用刀柱法开采了下部煤层厚度大、煤质较好的12号煤层。该煤矿在开采完12号煤层后，发现10号煤层也极具开采价值。为了提高资源回收率、节约资源和延长矿井的服务年限，该煤矿计划开采12号煤层刀柱残采区上覆的10号煤层，其开采的可行性判定尤为重要。针对上述情况，具体实施步骤如下：

1、通过对该煤矿原有地质资料和开采资料的研究发现，12号煤层刀柱残采区中遗留煤柱平均宽度为15m，平均高度为2.7m，稳定性较好；采空区平均宽度为20m，平均高度为2.7m。10号、12号煤层层间岩层平均厚度为24.5m，绘制刀柱残采区与遗留煤层分布形态图，如附图5所示。12号煤层顶板岩层以中硬、坚硬岩层为主，遗留煤层开采时其顶板不易跨落；控制岩层上的扰动载荷作用宽度l2＝25m，层间岩层悬空跨度lx＝20m，l2>lx，则证实该工况属于静扰动加卸载类型。

2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法获得该煤矿层间岩层的岩层组成、结构及物理力学参数情况，并对层间岩层由下至上统一划分和编号，如图5所示，将层间岩层从下到上依次编号为1～8。

3、根据矿压观测资料和步骤2中所得的岩层组成、结构及第i岩层的厚度hi、容重γi、弹性模量ei等物理力学参数情况。结合图5，利用控制岩层的判定公式，得到控制岩层的位置，具体计算如下：

计算得到，当k＝3时，满足式(1)，即第3层是控制岩层。

4、将已知参数代入式(2)，分别计算支承压力在经过传播衰减之后作用于刀柱残采区遗留煤柱上的扰动载荷和作用于控制岩层上的扰动载荷计算得到扰动载荷大小分别为和

5、根据现有工况，考虑静扰动加卸载的作用。由步骤4知代入公式：计算得到静扰动加卸载作用下刀柱残采区遗留煤柱所受的竖向应力最大值σm，max＝2.4mpa，同时，测量得出煤柱的竖向临界破坏压应力σm,c＝6.22mpa。σm,max＜σm,c，则煤柱稳定，继续进行步骤6。

6、将作用于控制岩层上的扰动载荷值代入公式计算得到静扰动加卸载作用下控制岩层所受最大拉应力σk,max＝2.3mpa，实际测得控制岩层抗拉强度σk,t＝5.21mpa，σk,max＜σk,t，则控制岩层保持稳定，判定为可采。

综上所述，在静扰动加卸载作用下，该煤矿10号与12号煤层层间岩层和刀柱残采区遗留煤柱均保持稳定。因此，该煤矿刀柱残采区上行开采10号煤层具有可行性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。