基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法

本发明属于巷道围岩控制，具体涉及基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法。

背景技术：

1、沿空掘巷，即沿着已采工作面的采空区边缘掘进区段平巷。这种方法利用采空区边缘压力较小的特点，沿着上覆岩层已垮落稳定的采空区边缘进行掘进，有利于区段平巷在掘进和回采期间的维护，它多用于开采缓斜、倾斜、厚度较大的中厚煤层或厚煤层。近年来，由于沿空掘巷技术在减少煤炭资源浪费、提高煤炭采出率方面具有明显优势，得到快速发展。而对于以缓倾斜薄及中厚煤层赋存为主的贵州矿区而言，留窄煤柱沿空掘巷技术更是得到广泛应用，因此，缓倾斜煤层沿空半煤岩巷分布广泛。

2、由于围岩结构的非对称性、非均质性，该类巷道在掘出后呈现出明显的非对称大变形，支护难度骤然增加。沿空巷道围岩稳定性除受采深、断面形状、侧压系数等因数影响外，还与上覆岩层基本顶断裂位置相关。上区段工作面回采后，随着工作面不断向前推进，巷道上覆岩层基本顶悬露长度达到其极限跨距时发生侧向断裂，倘若基本顶断裂位置刚好位于沿空巷道正上方，则会对巷道围岩稳定性产生最不利影响，甚至可能造成巷道事故的发生，通过留设合理宽度窄煤柱使得基本顶断裂位置刚好位于煤柱上方，除对煤层开采后的基本顶进行有效支撑外，还能尽量避免基本顶断裂位置处于沿空巷道正上方，从而有利于巷道围岩控制。现有理论和研究成果多集中于近水平厚煤层沿空掘巷煤柱宽度确定方法，但对于围岩结构具有明显非对称性、非均质性的缓倾斜煤层半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法鲜有提及。

3、本发明通过提供基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，用于快速找到缓倾斜煤层半煤岩沿空掘巷煤柱宽度留设位置，避免基本顶断裂位置位于沿空巷道上方，从而提高巷道围岩稳定性，减少巷道事故的发生。

技术实现思路

1、本发明通过提供基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，避免基本顶断裂位置位于沿空巷道正上方，从而提高巷道围岩稳定性，减少巷道事故的发生，具体方案如下：

2、基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，包括以下步骤：

3、s1：基于地质条件参数，进行缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置物理相似模拟试验，具体为：根据矿井地质资料及相关力学测试结果、几何相似比、配号比，采用二维相似模拟试验台，搭建采掘扰动缓倾斜煤层沿空半煤岩巷物理相似试验模型，进行采掘扰动缓倾斜煤层沿空半煤岩巷道基本顶断裂试验，试验开始后，根据巷道埋深及应力相似比，在模型顶部均衡分级加载作为补偿垂直应力，稳定各加载板油压，保持载荷不变，进行煤层开挖，工作面开挖后，用高清摄影相机拍照记录上覆岩层基本顶断裂形态；

4、s2：基于上覆岩层基本顶断裂形态，建立缓倾斜煤层沿空半煤岩巷覆岩结构力学模型，通过数学解析分析确定缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置的理论计算公式，并确定上区段工作面开采后基本顶断裂位置与采空区边缘的理论距离，具体为：基于上覆岩层基本顶断裂形态，建立缓倾斜煤层沿空半煤岩巷覆岩结构力学模型，通过数学解析分析得到缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置的理论计算公式为：

5、

6、式中：为上区段工作面开采后基本顶断裂位置与采空区边缘的理论距离；为煤层倾角；为应力集中系数；为上覆岩层平均容重 ；为开采深度；为y方向应力峰值处所在面的侧压力系数；为煤层厚度；为采空侧煤壁支护阻力；为煤岩分界面内摩擦角；为煤岩分界面黏聚力；

7、s3：基于上覆岩层基本顶断裂位置的理论计算公式，确定钻孔探测范围，对基本顶断裂位置现场实测验证，具体为：采用钻孔窥视成像仪，对上区段工作面开采之后上覆岩层基本顶断裂结构及位置进行探测，导出钻孔不同深度探测影像截图，基于钻孔窥视岩层裂隙图片得出基本顶实际断裂位置与采空区边缘的距离；

8、s4：将与进行比较，确定与之间的差值，，进行多次缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置理论计算和基本顶断裂位置现场实测验证，进行对比获取的区间范围；根据获取基本顶实际断裂位置与采空区边缘的距离的通用公式，；

9、s5：根据基本顶实际断裂位置与采空区边缘距离确定沿空掘巷合理煤柱宽度，该合理煤柱宽度为l，；为煤柱安全余量：

10、。

11、进一步地，步骤s3中，钻孔之前根据步骤s2所述计算公式获得上区段工作面开采后基本顶断裂位置与采空区边缘的理论距离，并计算上区段开采之后冒落带高度 ：

12、

13、式中，△为因丢煤引起的充填厚度，，m；为煤岩层的碎胀系数；为总采出率，％；为冒落顶煤碎胀系数，％；

14、根据、值作为现场实测施工探测钻孔横向和竖向终孔位置的参考依据，然后结合相关生产地质资料，进行探测钻孔横向和竖向终孔位置、方位及深度设计，以便快速地确定基本顶实际断裂位置与采空区边缘的距离。

15、进一步地，上述的区间范围为，0.5m≤≤1.0m。

16、进一步地，为0.97m。

17、进一步地，为0.76m。

18、进一步地，为0.59m。

19、进一步地，所述煤柱安全余量的取值范围为0.5m～2.025m。

20、本发明的有益效果是：

21、1.基于地质条件参数，进行缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置物理相似模拟试验，基于上覆岩层基本顶断裂形态，建立缓倾斜煤层沿空半煤岩巷覆岩结构力学模型，通过数学解析分析确定缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置的理论计算公式，并进行现场实测，实现理论与实践相结合，结合实测，对理论公式进行完善，可方便快捷地确定缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置，确定钻孔探测范围，减少探测钻孔施工量，节约大量人力物力。

22、2.缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆岩层基本顶断裂位置理论计算公式是基于数学解析计算得到的，并且通过现场实测数据对比分析，验证了理论计算数值与现场实测值的关联性，能够便利地运用于现场，并通过对保护煤柱宽度进行优化设计，从而进一步提高巷道围岩稳定性，减少巷道事故的发生。

23、3.通过增加煤柱安全余量，能够使基本顶断裂位置远离沿空巷道正上方，提高巷道围岩稳定性。

技术特征：

1.基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：步骤s3中，钻孔之前根据步骤s2所述计算公式获得上区段工作面开采后基本顶断裂位置与采空区边缘的理论距离，并计算上区段开采之后冒落带高度 ：

3.根据权利要求1所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：上述的区间范围为，0.5m≤≤1.0m。

4.根据权利要求3所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：为0.97m。

5.根据权利3所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：为0.76m。

6.根据权利3所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：为0.59m。

7.根据权利要求1所述基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，其特征在于：所述煤柱安全余量的取值范围为0.5m～2.025m。

技术总结
本发明提供基于基本顶断裂位置半煤岩沿空掘巷煤柱宽度确定方法，基于地质条件参数，进行缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆基本顶断裂位置物理相似模拟试验，基于上覆岩层基本顶断裂形态，建立缓倾斜煤层沿空半煤岩巷覆岩结构力学模型，通过数学解析分析确定缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆基本顶断裂位置的理论计算公式，并进行现场实测，实现理论与实践相结合，结合实测，对理论公式进行完善，可方便快捷地确定缓倾斜煤层沿空半煤岩巷上覆基本顶断裂位置，通过留设合理宽度窄煤柱使得基本顶断裂位置刚好位于煤柱上方，除对煤层开采后的基本顶进行有效支撑外，还能尽量避免基本顶断裂位置处于沿空巷道正上方，从而有利于巷道围岩控制。

技术研发人员：高林,许帅,颜岭,刘鹏泽,战新宇,马振乾,汪永印,刘萍
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13