本發(fā)明涉及一種復(fù)合殘采區(qū)中部殘煤開采可行性的判別方法，屬于煤礦開采
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：隨著煤炭產(chǎn)量的增加，中國煤炭的儲(chǔ)量正在迅速減少，煤炭資源的有限性和需求的無限性是面臨的一道重要難題，很多遺留的殘采區(qū)棄煤需要開采。當(dāng)前單一殘采區(qū)棄煤開采技術(shù)漸趨成熟，而復(fù)合殘采區(qū)棄煤開采國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的研究。已有的關(guān)于殘采區(qū)棄煤開采判定方法包括單一殘采區(qū)上行開采的判定方法和單一殘采區(qū)下行開采的判定方法。單一殘采區(qū)上行開采判定方法主要是基于經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)得出的結(jié)論，即“三帶”判別法、比值判別法、圍巖平衡法。對(duì)于“三帶”判別法，單一殘采區(qū)上行開采即首先開采下部煤層，待其上覆巖層穩(wěn)定后，再開采上部煤層，當(dāng)下部煤層開采過后，其上覆巖層受采動(dòng)影響形成“三帶”即垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，已有研究認(rèn)為當(dāng)上下煤層的層間距小于下煤層開采垮落帶的高度時(shí)，上煤層結(jié)構(gòu)將遭到嚴(yán)重破壞，無法進(jìn)行上行開采；當(dāng)上下煤層間距小于裂隙帶高度時(shí)，上煤層結(jié)構(gòu)只發(fā)生中等程度的破壞，采取一定安全措施后，可正常進(jìn)行上行開采；當(dāng)上下煤層間距大于下煤層的裂隙帶高度時(shí)，上層煤的完整性和連續(xù)性并未遭到破壞，可正常進(jìn)行上行開采。對(duì)于比值判別法，已有研究認(rèn)為是否能正常上行開采主要取決于兩層煤層間距與下部所采煤層的厚度之比，當(dāng)下部煤層開采后，上行開采的可行性可用比值K的大小判別，即：式中：H-上下煤層之間的垂距，m；M-下部煤層采高，m。我國煤礦開采的生產(chǎn)實(shí)踐及研究證明，當(dāng)下部煤層開采后，比值K>7.5時(shí)，先采下部煤層可以不影響在上煤層內(nèi)進(jìn)行正常準(zhǔn)備和回采。對(duì)于圍巖平衡法，開采下部煤層后在垂直方向上其上覆巖體形成了垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，從圍巖平衡的觀點(diǎn)，可以分為非平衡帶(即冒落帶)、部分平衡帶(相當(dāng)于裂隙帶下位巖層)、平衡帶(相當(dāng)于裂隙帶的下位巖層之上的巖層)。在回采過程中，能夠形成不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的平衡巖層結(jié)構(gòu)的巖層稱為平衡巖層，設(shè)從下煤層頂板至平衡巖層頂板的高度叫圍巖平衡高度，則其上行開采的基本準(zhǔn)則是：當(dāng)上覆巖層中有堅(jiān)硬巖層時(shí)，上煤層位于距下煤層最近的平衡巖層之上；當(dāng)采場(chǎng)上覆巖層均為軟巖時(shí)，上煤層應(yīng)位于裂隙帶內(nèi)，上煤層的開采應(yīng)在下煤層開采引起的巖層穩(wěn)定之后進(jìn)行。上行開采必要的層間距H為：式中：M—下煤層的采高，m；K—巖石碎脹系數(shù)，h—平衡巖層本身高度，m。中國專利CN101109283B“一種蹬空開采可行性的定量判定方法”，公布了一種蹬空開采可行性的定量判定方法，但是該方法也是基于單一殘采區(qū)判斷蹬空開采的可行性。單一殘采區(qū)下行開采包括煤層間距大和煤層間距小兩種情況。當(dāng)相鄰煤層間距較大，上部煤層開采對(duì)下部煤層的影響可以忽略，即按照正常開采方法布置工作面進(jìn)行開采；當(dāng)相鄰煤層間距較小，其開采技術(shù)措施主要集中于下部煤層巷道合理位置的確定，近距離煤層回采巷道布置主要有重疊式布置、內(nèi)錯(cuò)式布置和外錯(cuò)式布置三種形式。已有研究認(rèn)為在煤柱或煤體下方的一側(cè)為增壓區(qū)，在采空區(qū)下方一側(cè)為卸壓區(qū)，為了提高巷道穩(wěn)定性，使下部煤層巷道處于低應(yīng)力區(qū)，往往內(nèi)錯(cuò)一定距離布置下部煤層巷道，內(nèi)錯(cuò)距離常用的計(jì)算公式為：式中：α-煤層傾角；β-煤體影響角，其值可變化25～55°之間，z-巷道與上部煤層之間的垂直距離；θ為β的余角，θ＝90°-β。目前上述公式在實(shí)際生產(chǎn)中被普遍運(yùn)用，成為選擇下部煤層巷道位置及巷道圍巖控制的主要依據(jù)。已有研究中單一殘采區(qū)殘煤可采性判別手段與開采技術(shù)條件研究都已經(jīng)漸趨成熟，但是關(guān)于復(fù)合殘采區(qū)殘煤可采性評(píng)價(jià)尚無系統(tǒng)報(bào)道，基于此，尋求一種適用于復(fù)合殘采區(qū)殘煤可采性的判別方法具有可行性和必要性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在提供一種復(fù)合殘采區(qū)中部殘煤開采可行性的判別方法，在單一殘采區(qū)殘煤可采性判別的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種復(fù)合殘采區(qū)中部殘煤開采可行性的判別方法，包括以下步驟：第一步：結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行鉆孔取芯，明確復(fù)合殘采區(qū)上下煤層之間的巖層組成情況，并進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)號(hào)，結(jié)合給出的上/下位層間巖層概念，計(jì)算得出上位層間巖層厚度和下位層間巖層厚度；第二步：下部煤層采用長壁垮落法開采，上部煤層采用刀柱法開采，結(jié)合煤層的具體賦存狀況和已有的礦井資料，獲取相關(guān)參數(shù)：上部煤層埋藏深度H1、下部煤層埋藏深度H2、煤層傾角α、層間巖層平均容重γ、下部煤層采高M(jìn)、開采冒落過程中頂板下沉值W、巖體碎脹系數(shù)K，上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度Rc，以及上部煤層刀柱開采煤柱寬度La，刀柱采空區(qū)寬度Lb，采場(chǎng)的開采寬度L；第三步：結(jié)合彈塑性基礎(chǔ)理論推導(dǎo)出上部煤層開采對(duì)其下方層間巖層的最大破壞深度和下部煤層開采對(duì)其上覆巖層造成的損傷范圍；h1max=1.57γ2H12(Lb+La)2πRc2tanπLb2(Lb+La)h2max=1.57γ2[H2-M-M-W(K-1)cosα]2L4β2Rc2+M-W(K-1)cosα]]>式中：h1max為上部煤層開采對(duì)其下方層間巖層的最大破壞深度，h2max為下部煤層開采對(duì)其上覆巖層造成的損傷范圍，La為煤柱寬度；Lb為刀柱采空區(qū)寬度；γ為層間巖層平均容重，Rc為上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度，L為采場(chǎng)的開采寬度，其值即為工作面的開采寬度，工作面現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過測(cè)量即可得到；β為巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)，通過測(cè)量在受到一定地質(zhì)作用和采動(dòng)影響的作用下巖體節(jié)理裂隙參數(shù)并與原巖狀態(tài)的巖體節(jié)理裂隙參數(shù)作比值，通常參考已有的經(jīng)驗(yàn)值，針對(duì)不同的巖層組成取相對(duì)應(yīng)的巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)值，其值一般為0.3～0.4；第四步：基于上下煤層開采對(duì)中部殘煤造成的多重采動(dòng)影響，判斷中部殘煤的可采性：①若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍小于下位層間巖層厚度，且上部煤層開采造成的最大破壞深度小于上位層間巖層厚度，則可以進(jìn)行安全回采；②若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍小于下位層間巖層厚度，上部煤層開采造成的最大破壞深度大于上位層間巖層厚度，此時(shí)上部煤層的采動(dòng)影響并未破壞中部殘煤的完整性，可通過對(duì)中部殘煤頂板進(jìn)行合理的加固措施，然后進(jìn)行回采；③若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍大于下位層間巖層厚度，則中部煤層可能發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，造成煤層的不連續(xù)，則不可以進(jìn)行回采。上述方法中，所述復(fù)合殘采區(qū)為上刀柱-下垮落式采空區(qū)。上述方法中，所述下位層間巖層厚度、上位層間巖層厚度，結(jié)合具體的煤礦巖層柱狀圖，可計(jì)算得出。本發(fā)明的有益效果：在現(xiàn)有的單一殘采區(qū)殘煤可采性判別方法上，提出了一種復(fù)合殘采區(qū)殘煤可采性判別的方法，是當(dāng)前復(fù)合殘采區(qū)殘煤開采領(lǐng)域的一種探索，易于工程人員掌握應(yīng)用，在保證安全開采的前提下，合理有效的利用了不可再生的資源，可以創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，延長礦井服務(wù)年限。附圖說明圖1為“上刀柱-下垮落”復(fù)合殘采區(qū)中部殘煤分布特征。圖2為采場(chǎng)邊緣巖體破壞區(qū)形態(tài)。圖3為長壁工作面采場(chǎng)圍巖應(yīng)力計(jì)算模型。圖4為刀柱工作面邊緣應(yīng)力計(jì)算模型。圖中：1為上覆巖層及表土層，2為上部柱式采空區(qū)，3為上位層間巖層，4為中部整層棄煤，5為下位層間巖層，6為下部垮落式采空區(qū)，7-垂直應(yīng)力，8-水平應(yīng)力，r/r0-不同角度采場(chǎng)邊緣破壞區(qū)深度與最大破壞深度比值。具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。實(shí)施例：在早期煤炭回收過程中，由于地質(zhì)條件和開采設(shè)備的限制，采用了很多垮落法和刀柱法等開采方法，因此形成了大量的“上刀柱-下垮落”復(fù)合殘采區(qū)，復(fù)合殘采區(qū)中部殘煤能否安全開采主要取決于煤層層間距與上下煤層開采造成的損傷破壞范圍。具體步驟如下：第一步：結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行鉆孔取芯，明確復(fù)合殘采區(qū)上下煤層之間的巖層組成情況，并進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)號(hào)，一般情況下，不同層位的巖層均以自然層面作為分層的界線。第二步：結(jié)合彈塑性基礎(chǔ)理論推導(dǎo)出上部煤層開采對(duì)其下方層間巖層的最大破壞深度和下部煤層開采對(duì)上覆巖層造成的損傷范圍。第三步：下部煤層采用長壁垮落法開采，上部煤層采用刀柱法開采，結(jié)合礦區(qū)資料得到上下煤層開采的數(shù)據(jù)，包括下部煤層埋藏深度H2、煤層傾角α、層間巖層平均容重γ，、下部煤層采高M(jìn)及開采冒落過程中頂板下沉值W、巖體碎脹系數(shù)K、并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)β以及上部煤層埋藏深度H1、煤柱寬度La、刀柱采空區(qū)寬度Lb、上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度Rc，其中通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，考慮尺度效應(yīng)，上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度Rc取實(shí)驗(yàn)室?guī)r體單軸抗壓強(qiáng)度的15％。確定上述相關(guān)數(shù)據(jù)然后代入第二步中得到的公式中，確定上下部煤層開采對(duì)層間巖層造成的損傷范圍。第四步：基于上下煤層開采對(duì)中部殘煤造成的多重采動(dòng)影響，判斷中部殘煤的可采性：①若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍小于下位層間巖層厚度，且上部煤層開采造成的最大破壞深度小于上位層間巖層厚度，則可以進(jìn)行安全回采；②若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍小于下位層間巖層厚度，上部煤層開采造成的最大破壞深度大于上位層間巖層厚度，此時(shí)上部煤層的采動(dòng)影響并未破壞中部殘煤的完整性，可通過對(duì)中部殘煤頂板進(jìn)行合理的加固措施，然后進(jìn)行回采；③若下部煤層開采造成的損傷破壞范圍大于下位層間巖層厚度，則中部煤層可能發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，造成煤層的不連續(xù)，則不可以進(jìn)行回采。山西焦煤西山煤電集團(tuán)白家莊礦于20世紀(jì)90年代越過6#煤層和7#煤層開采了8#煤層，并于21世紀(jì)除對(duì)6#煤層進(jìn)行了回采，形成了大量的“上刀柱-下垮落”復(fù)合殘采區(qū)，通過本發(fā)明方法判斷目前中部7#煤層可采的可行性。(1)明確復(fù)合殘采區(qū)上下煤層之間的巖層組成情況，上位層間巖層厚度h1＝5.4m，下位層間巖層厚度h2＝21.7m。(2)首先求下部煤層開采對(duì)上覆巖層造成的損傷范圍，長壁工作面頂板充分垮落的開采形成的采空區(qū)在推進(jìn)方向上的橫斷面為矩形，開采高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開采寬度，因此可以將采場(chǎng)簡(jiǎn)化為圖3所示的平面力學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合彈性理論，可求得平面應(yīng)力狀態(tài)下采場(chǎng)邊緣的主應(yīng)力：δ1=γH22Lxrcosθ2(1+sinθ2)]]>δ2=γH22Lxrcosθ2(1-sinθ2)]]>δ3＝0將上式帶入Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可得長壁垮落式邊緣破壞區(qū)的邊界方程為：r=γ2H22Lx4Rc2cos2θ2(1+sinθ2)2]]>通過采場(chǎng)邊緣巖體破壞區(qū)形態(tài)可求得在垂直方向上對(duì)上覆巖體造成的損傷破壞范圍：h2=rsinθ=γ2H22Lx4Rc2cos2θ2(1+sinθ2)2sinθ]]>平面應(yīng)力狀態(tài)下上覆巖體的最大損傷范圍即求上式的最大值，令同時(shí)考慮巖體節(jié)理裂隙的影響和采空區(qū)豎向尺度，采空區(qū)豎向尺度應(yīng)包括下部煤層采高M(jìn)和下位巖層垮落帶高度Hx，綜合分析各因素可得到：h2max=1.57γ2[H2-M-M-W(K-1)cosα]L4β2Rc2+M-W(K-1)cosα]]>式中：γ為采場(chǎng)上覆巖層的平均容重；H2為下部煤層埋深；M為下部煤層采高；W為冒落過程中頂板的下沉值；K為碎脹系數(shù)；α為煤層傾角；L為采場(chǎng)的開采寬度；β為巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)；Rc為上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度，因尺度效應(yīng)取實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊單軸抗壓強(qiáng)度的15％。然后求上部煤層開采對(duì)下部層間巖層的最大破壞深度，刀柱工作面采場(chǎng)巖層在原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的作用下，由于開采厚度遠(yuǎn)小于開采寬度，其邊緣應(yīng)力場(chǎng)可以簡(jiǎn)化為圖4所示的計(jì)算模型，結(jié)合彈塑性理論，可得平面應(yīng)力狀態(tài)下的邊緣主應(yīng)力為：δ1=γH122(Lb+La)πrtanπLb2(Lb+La)cosθ2(1+sinθ2)]]>δ2=γH122(Lb+La)πrtanπLb2(Lb+La)cosθ2(1-sinθ2)]]>δ3＝0式中：La為煤柱寬度；Lb為刀柱采空區(qū)寬度；H1為上部煤層埋藏深度；γ為層間巖層平均容重。將上式帶入Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可得刀柱工作面采場(chǎng)破壞區(qū)邊界方程：r=γ2H12(Lb+La)2πRc2tanπLb2(Lb+La)cos2θ2(1+sinθ2)2]]>進(jìn)一步可求得采場(chǎng)下方底板巖體破壞深度：h1=rsinθ=γ2H12(Lb+La)2πRc2tanπLb2(Lb+La)cos2θ2(1+sinθ2)2sinθ]]>刀柱工作面采場(chǎng)巖層的最大破壞深度即上式的最大值，令可得：h1max=1.57γ2H12(Lb+La)2πRc2tanπLb2(Lb+La)]]>式中：Rc為上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度，因尺度效應(yīng)取實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊單軸抗壓強(qiáng)度的15％。綜上所述，可得到中部殘煤采場(chǎng)巖層的損傷破壞范圍：h1max=1.57γ2H12(Lb+La)2πRc2tanπLb2(Lb+La)h2max=1.57γ2[H2-M-M-W(K-1)cosα]2L4β2Rc2+M-W(K-1)cosα]]>(3)根據(jù)白家莊煤礦煤層的具體賦存狀況和已有的礦井資料，獲取所需的物理力學(xué)參數(shù)，其中上部煤層刀柱式采空區(qū)煤柱群寬度La為5～15m，采空區(qū)群寬度Lb為15～40m，根據(jù)礦井已有資料，刀柱殘采區(qū)煤柱寬度取15m，采空區(qū)寬度取40m；上部煤層埋藏深度H1為136.72m，下部煤層埋藏深度H2為164.22m；煤層傾角α為1°～6°，平均取3.5°；上覆巖層平均容重γ取28KN/M3；上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度Rc取0.8～11.2Mpa，由于上位層間巖層中巖層厚度較薄，節(jié)理發(fā)育且?guī)r性較軟弱，故平均抗壓強(qiáng)度取0.8Mpa，而下位層間巖層中巖層堅(jiān)硬且有化石，其厚度較大故平均抗壓強(qiáng)度取11.0Mpa；下部煤層采高M(jìn)為3.8m；碎脹系數(shù)K為1.3～1.5，取其均值1.4；采場(chǎng)的開采寬度L取20～25m，取其均值22m；冒落過程中頂板的下沉值取0.8～1.2m，取其均值1.0m。把相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)代入上式中，可得到：與第一步確定的上下位層間巖層厚度作比較，可得到：這表明下部煤層開采造成的損傷破壞范圍小于下位層間巖層厚度，而上部煤層開采造成的最大破壞深度大于上位層間巖層厚度，此時(shí)上部煤層的開采對(duì)中部殘煤頂板造成了損傷破壞，而下部煤層的采動(dòng)影響范圍并未延伸到中部殘煤，并未破壞中部殘煤的完整性，可通過對(duì)中部殘煤頂板進(jìn)行合理的加固措施，然后進(jìn)行回采。當(dāng)前第1頁1 2 3