留煤柱開采下保護層實現(xiàn)上被保護層連續(xù)卸壓的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤炭開采領域，尤其涉及在煤層群存在高瓦斯或煤與瓦斯突出的礦井 中，應采用保護層開采實現(xiàn)被保護層卸壓的方法。
【背景技術】
[0002] 保護層開采技術作為有效的區(qū)域瓦斯治理技術，在有條件的礦井應優(yōu)先開采保護 層。保護層開采為采場提供卸壓空間，被保護層卸壓后，賦存的瓦斯得到解吸釋放，從而消 除被保護層煤體的突出危險性。
[0003] 保護層開采的卸壓機理是利用煤層開采后，周圍的煤巖層向采空區(qū)移動，使其應 力-應變狀態(tài)發(fā)生改變，導致煤巖層卸壓、彈性潛能釋放，產(chǎn)生采動裂隙，煤巖層透氣性增 大，這一改變?yōu)樾秹好簩拥耐咚菇馕?、流動?chuàng)造了條件。保護層開采技術是充分利用保護層 的采動卸壓影響對被保護層的瓦斯進行抽采，能夠徹底消除被保護層的突出危險性。保護 層開采技術的前提是礦井賦存有多層煤，位于突出危險煤層上方的保護層稱為上保護層， 位于下方的稱為下保護層。由于保護層開采的采動作用并同時抽采突出危險煤層卸壓瓦 斯，可使突出危險煤層的突出危險區(qū)域轉變?yōu)闊o突出危險區(qū)，該突出危險煤層稱為被保護 層。
[0004] 下保護層應用的技術關鍵是既不會破壞上方被保護煤層的連續(xù)性，又會對上方被 保護煤層造成采動影響出現(xiàn)卸壓，且瓦斯得到解吸、釋放。目前，對于下保護層的應用與研 究正在深入進行，國內多位學者就下保護層的應用與效果進行了探討。
[0005] 淮南礦區(qū)作為煤與瓦斯突出較為嚴重的礦區(qū)，在應用保護層方面，建立卸壓開采 "抽采"瓦斯和煤與瓦斯共采工程技術體系。淮南潘一礦首采煤層BI 1煤層，平均采高2m，該 煤層瓦斯含量低，無煤與瓦斯突出危險性。在Bll煤層上方70m(相對層間距35)處的C13 煤層是礦井的主采煤層，平均采高6m，瓦斯含量為13m 3/t，瓦斯壓力為4. 4MPa，煤層透氣性 系數(shù)為〇. OllmVMPa2. d，是一典型的煤與瓦斯突出危險煤層。為了實現(xiàn)C13煤層的安全開 采，首先開采下方的Bll煤層，利用采動影響對C13煤層進行卸壓并輔以瓦斯抽采措施，在 抽采區(qū)域內全面地消除C13煤層的煤與瓦斯突出危險性，降低了卸壓煤層的瓦斯含量。
[0006] 淮北礦業(yè)集團宿南礦區(qū)煤層賦存狀況及瓦斯災害程度，提出了傾斜煤層遠距離下 保護層開采的瓦斯治理方案，分析了傾斜煤層遠距離下保護層開采存在的若干問題，并給 出了采用沿空留巷或小煤柱護巷技術，杜絕保護層煤柱的留設造成被保護層卸壓不充分甚 至出現(xiàn)應力集中加劇突出的問題。
[0007] 在對下保護層進行分類中，按照保護層與被保護層的距離與保護層開采高度的比 值，將下保護層分為近距離下保護層、遠距離下保護層以及超遠距離下保護層三類，同時對 被保護層的卸壓效果進行評價。
[0008] 目前對于下保護層的應用與效果評價上，認為層間距是影響下保護層應用的主要 因素，而對于煤柱尺寸與回采工藝對被保護層卸壓效果的研究較少，雖然也有學者提出盡 可能采用無煤柱或留設小煤柱開采，但是對于厚煤層一次全高開采無煤柱沿空留巷的難度 較大，留煤柱開采在目前井工開采中占有絕大多數(shù)，而留設小煤柱開采沒有給出具體留設 的標準，且小煤柱的存在始終會影響到被保護層的卸壓效果。

【發(fā)明內容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出了留煤柱開采下保護層實現(xiàn)上被保護層連續(xù) 卸壓的方法，在相鄰回采工作面之間留設護巷煤柱，利用煤柱的突變性，在采用跳采工藝開 采遠處工作面時，煤柱發(fā)生失穩(wěn)垮落，從而對上覆被保護層形成連續(xù)卸壓。
[0010] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0011] 留煤柱開采下保護層實現(xiàn)上被保護層連續(xù)卸壓的方法，所述方法包括以下步驟：
[0012] 第一步：根據(jù)煤層賦存條件，確定一側采動情況下實體煤內塑性區(qū)尺寸；
[0013] 第二步：根據(jù)第一步確定的一側采動情況下的實體煤內塑性區(qū)尺寸，確定煤柱滿 足發(fā)生突變的臨界尺寸；
[0014] 第三步：確定煤柱能夠保持穩(wěn)定的時間；
[0015] 第四步：在第二步與第三步確定的煤柱尺寸及能夠保持穩(wěn)定時間的基礎上，確定 回采速度與工作面之間的接續(xù)；
[0016] 第五步：確定保護層工作面開采對被保護層的卸壓范圍。
[0017] 優(yōu)選地，在所述的第一步中，一側采動實體煤內塑性區(qū)的分布范圍計算方法為：
[0019] 式中，M，一次采出煤層厚度；ε，側壓系數(shù)；f，煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)；R，煤層 的三向抗壓強度；k t，煤層的內聚力；Φ，煤層的內摩擦角。
[0020] 優(yōu)選地，在所述的第二步中，為了滿足留設護巷煤柱能夠發(fā)生突變，因此確定所留 設煤柱尺寸應滿足：
[0021] 2x ^ 88%
[0022] 式中，88 %為煤柱發(fā)生突變塑性區(qū)所占的比例。
[0023] 優(yōu)選地，在所述的第三步中，煤柱發(fā)生失穩(wěn)的時間為：
[0025] 式中，t，煤柱發(fā)生失穩(wěn)的時間；Π ，軟化系數(shù)；E，煤體彈性模量；λ，軟化系數(shù)；Kd， 煤層頂板剛度；M，煤層厚度；S，煤柱橫截面積，可取煤柱寬度a與推進距離L，則S = aL。其 他符號意義同前。
[0026] 優(yōu)選地，在所述的第四步中，為了保證工作面生產(chǎn)期間煤柱不會發(fā)生失穩(wěn)，工作面 回采速度應滿足：
[0028] 式中，V，要求工作面的最低推進速度。
[0029] 優(yōu)選地，在所述的第四步中，為了實現(xiàn)煤柱發(fā)生失穩(wěn)，煤柱保持穩(wěn)定的時間t滿足
[0030] t ^ 2L/v
[0031] 式中，符號意義同前。
[0032] 優(yōu)選地，在所述的第四步中，為了避免接續(xù)工作面回采期間受到采空區(qū)煤柱失 穩(wěn)造成的覆巖運動的影響，需要采用跳采模式，即工作面順序編號①-⑤，開采順序應為 ①-④-②-⑤-③。
[0033] 優(yōu)選地，在所述的第五步中，單個工作面回采結束，被保護層實現(xiàn)的卸壓范圍為：
[0034] I = b_2hctg δ
[0035] 式中，1，被保護層的卸壓范圍；b，單個工作面長度；h，保護層與被保護層的層間 距；S，保護層的卸壓角。
[0036] 優(yōu)選地，在所述的第五步中，煤柱發(fā)生突變失穩(wěn)后，被保護層實現(xiàn)的連續(xù)卸壓范圍 為：
[0037] I = 2b+a_2hctg δ
【附圖說明】
[0038] 圖1為一側米動實體煤應力分布與分區(qū)情況；
[0039] 圖2為實體煤內單元體的受力模型
[0040] 圖3為留設煤柱不意圖；
[0041] 圖4為工作面開采順序示意圖；
[0042] 圖5為卸壓效果示意圖
【具體實施方式】
[0043] 下面以本發(fā)明所述方法在煤炭生產(chǎn)中的實際應用為例，對本發(fā)明進行詳細說明。 然而本領域技術人員應該認識到，本發(fā)明并不因此而受到任何限制。
[0044] 開采具有突出危險性煤層，首先開采相鄰的不具突出危險性或突出危險性的煤 層，利用首采煤層的采動影響，實現(xiàn)對被保護煤層的應力進行釋放、瓦斯解吸并輔以瓦斯抽 采措施，可保障充分卸壓區(qū)內的安全開采。位于突出危險煤層上方的首采層稱為上保護層， 相反，位于突出危險煤層下方的首采層稱為下保護層。對于下保護層的分類，按照保護層 與被保護層之間的層間距與保護層的采高的比值，分為近距離下保護層、遠距離保護層以 及超遠距離保護層。對于具有突出危險性的被保護層，要求位于保護層開采的裂隙帶與彎 曲下沉帶的中下部，不破壞被保護層連續(xù)性的同時可實現(xiàn)充分卸壓。目前的研究重點均放 在被保護層的卸壓效果上，即縱向上的研究，而對于工作面之間的關系，即橫向上的研究較 少，雖然有學者提出要采用沿空留巷或者留設小煤柱開采，但對于厚煤層開采，實現(xiàn)沿空留 巷或者小煤柱的可行性較低，留設的煤柱必然造成被保護層卸壓區(qū)域的中斷，且易引起被 保護層形成應力集中區(qū)，嚴重影響被保護層的安全、高效開采。本發(fā)明即結合煤柱的留設， 提出一種實現(xiàn)被保護層連續(xù)、充分卸壓的方法。
[0045] 本發(fā)明的具體方法如下：
[0046] 第一步，如圖1所示，根據(jù)煤層賦存的地質與工作面的回采技術條件，確定一側采 空區(qū)時實體煤內的分區(qū)情況，力學模型見圖2所示。
[0047]
[0048] 式中：〇y，垂直應力，屬于相互作用力；f，摩擦因素；kt，內聚力； 〇x，水平應力；M， 煤層厚度。
[0049] 推導得到：
[0051] 極限平衡條件：
[0055] 對此式進行微分，得到：
[0057] 整理得到：
[0059] 進行積分，得到：
[0061] 按照前述分析，認為煤幫處水平應力為0,因此有X = 0, σ x= 〇,再次