一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法

摘要

一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法是通过钻孔取样采集煤岩样，并测出煤岩样的力学参数，进而获得工作面基本顶的初次来压步距，建立数值计算模型，在所建模型边界施加相应约束与载荷，并沿采空区边缘留宽度煤柱，按照沿空巷道设计、模拟开采、计算，直至工作面煤壁所在平面对应煤柱所在位置回采侧破碎区的厚度和回采侧破碎区的厚度复合要求时，得到窄煤柱采空侧破碎区的厚度和回采侧破碎区的厚度。本发明克服了窄煤柱留设中只注重其稳定性而忽略煤柱对采空区瓦斯的阻隔效果之不足，充分考虑煤柱内稳定区的几何参数对维护沿空巷道围岩稳定与阻隔邻空区瓦斯向回采空间渗流的作用，使所留设窄煤柱具备上述两种功能。

权利要求

1.一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述窄煤柱宽度确定方法是按下列步骤进行的：（一）通过钻孔取样方法，在现场采集工作面煤层、顶板及底板岩层的煤岩样；

（二）将步骤（一）采集的煤岩样在实验室加工成标准煤岩试件，用岩石力学强度测试设备测出煤岩样的力学参数；

所述煤岩样力学参数是指单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、泊松比、弹性模量、内聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量，煤岩样剪切模量和体积模量是通过以下公式计算：式中：G—剪切模量，MPa；K—体积模量，MPa；E—弹性模量，MPa；μ—泊松比；

（三）采用现场矿山压力实测方法，获得工作面基本顶的初次来压步距L；

（四）根据工作面地质钻孔柱状图提供的煤岩层相应厚度与步骤（二）的所建煤层、顶板及底板岩石力学参数，建立数值计算模型；

（五）在步骤（四）所建模型边界施加相应约束与载荷，并沿采空区（6）的边缘留宽度T1=

3m煤柱，按照沿空巷道（4）设计几何尺寸掘巷；沿空巷道（4）形成后，模拟开采工作面（5），工作面（5）推进至步骤（三）得到初次来压步距L时，测出工作面（5）煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区（3）的厚度X1和回采侧破碎区（1）的厚度Y1，计算出X1+Y1，若，则加宽煤柱重新计算；在步骤（四）所建模型内沿采空区（6）边缘留宽度为T2=4m煤柱，按照沿空巷道（4）设计几何尺寸掘巷，沿空巷道（4）形成后，模拟开采工作面（5），工作面（5）推进至步骤（3）得到初次来压步距L时，测出工作面（5）煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区（3）的厚度X2和回采侧破碎区（1）的厚度Y2，计算X2+Y2，若 ，则加宽煤柱重新计算；依此类推，直至工作面（5）煤壁所在平面对应煤柱所在位置回采侧破碎区（1）的厚度Xn和回采侧破碎区（3）的厚度满足 时，最终得到窄煤柱采空侧破碎区（3）的厚度 和回采侧破碎区（1）的厚度 ；

（六）根据沿空巷道（4）设计断面净高H确定窄煤柱内稳定区（2）的厚度t：窄煤柱内稳定区（2）的厚度t为沿空巷道（4）设计净断面高度H的二分之一，即： ；

（七）所述窄煤柱宽度确定方法的窄煤柱合理宽度T是煤柱采空侧破碎区（1）的厚度X、回采侧破碎区（3）的厚度Y及中部稳定区（2）的厚度t之和，即： 。

2.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述钻孔取样方法的顶板取样总长度≥20m，底板取样总长度≥10m，煤层取样总长度≥3m。

3.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所确定窄煤柱内稳定区（2）的厚度t是工作面初次来压时稳定区的最小厚度。

4.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述所建模型是包含本区段回采工作面和相邻采空区，其中本回采工作面斜长是≥实际斜长的1/2，相邻采空区斜长≥实际斜长的1/2，走向长度≥100m，顶板厚度≥20m，底板厚度≥10m。

5.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述窄煤柱内稳定区（2）的窄煤柱宽度依次取T1=3m，T2=4m，……，Tn=（n+2）m。

6.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述窄煤柱内稳定区（2）是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰前应力状态。

7.根据权利要求1所述的阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述窄煤柱内回采侧破碎区（1）和采空侧破碎区（3）是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰后应力状态。

说明书

一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种沿空留巷窄煤柱宽度确定方法，尤其是一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法。

背景技术

[0002] 窄煤柱护巷具有煤炭资源回收率高、经济及社会效益好等优势。但高瓦斯矿井开采中，为防止窄煤柱在采空区侧向支承压力及本工作面回采时超前支承压力叠加作用下被压裂，导致邻空区瓦斯进入回采空间，带来安全隐患，对窄煤柱护巷持谨慎态度，这就阻碍了窄煤柱护巷技术的推广。因此，在高瓦斯矿井窄煤柱沿空布置中，窄煤柱合理宽度的确定不仅要有利于维护沿空巷道围岩稳定，而且还必须能够有效阻隔相邻采空区的瓦斯进入回采空间。

[0003] 窄煤柱合理宽度确定在公开的发明专利有，公开号为CN104594899A发明专利“一种沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法”，其从维护巷道稳定角度出发，综合考虑窄煤柱宽度与基本顶断裂位置关系，给出窄煤柱合理宽度确定方法，但未将隔绝邻空区瓦斯渗流作为对窄煤柱宽度确定的影响因素。公开号为CN106089207A的发明专利“特厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设方法”，其在窄煤柱回采侧用所安设锚杆兼作配筋并浇筑混凝土形成类似挡土墙的人工构筑物，以维护巷道稳定，但该种刚性人工构筑物易在煤柱变形过程中产生拉应力而开裂，失去其应有功能。公开号CN105422128A的发明专利“一种深井沿空掘巷防采空区瓦斯渗流方法”，是通过中空注浆锚索向窄煤柱内注浆封堵其中裂隙及喷射柔性混凝土喷层以达到防止采空区瓦斯渗流的目的，但存在工序多、成本高之不足。

发明内容

[0004] 本发明是解决窄煤柱不适应高瓦斯矿井的问题，提供一种有效阻隔邻空区瓦斯向回采空间渗流的窄煤柱宽度确定方法，采用数值模拟、理论计算的方法确定窄煤柱合理宽度，不仅能维护沿空巷道围岩稳定，而且可有效阻隔邻空区瓦斯向回采空间渗流。

[0005] 本发明的上述目的是通过以下方案实现的。

[0006] 一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，所述窄煤柱宽度确定方法是按下列步骤进行的：

[0007] （一）通过钻孔取样方法，在现场采集工作面煤层、顶板及底板岩层的煤岩样；

[0008] （二）将步骤（一）采集的煤岩样在实验室加工成标准煤岩试件，用岩石力学强度测试设备测出煤岩样的力学参数；

[0009] 所述煤岩样力学参数是指单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、泊松比、弹性模量、内聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量，煤岩样剪切模量和体积模量是通过以下公式计算：

[0010]

[0011] 式中：G—剪切模量，MPa；K—体积模量，MPa；E—弹性模量，MPa；μ—泊松比；

[0012] （三）采用现场矿山压力实测方法，获得工作面基本顶的初次来压步距L；

[0013] （四）根据工作面地质钻孔柱状图提供的煤岩层相应厚度与步骤（二）的所建煤层、顶板及底板岩石力学参数，建立数值计算模型；

[0014] （五）在步骤（四）所建模型边界施加相应约束与载荷，并沿采空区的边缘留宽度T1=3m煤柱，按照沿空巷道设计几何尺寸掘巷；沿空巷道形成后，模拟开采工作面，工作面推进至步骤（三）得到初次来压步距L时，测出工作面煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区的厚度X1和回采侧破碎区的厚度Y1，计算出X1+Y1，若X1+Y1≥T1，则加宽煤柱重新计算；在步骤（四）所建模型内沿采空区边缘留宽度为T2=4m煤柱，按照沿空巷道设计几何尺寸掘巷，沿空巷道形成后，模拟开采工作面，工作面推进至步骤（三）得到初次来压步距L时，测出工作面煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区的厚度X2和回采侧破碎区的厚度Y2，计算X2+Y2，若X2+Y2≥T2，则加宽煤柱重新计算；依此类推，直至工作面煤壁所在平面对应煤柱所在位置回采侧破碎区的厚度Xn和回采侧破碎区的厚度满足Xn+Yn＜Tn时，最终得到窄煤柱采空侧破碎区的厚度X＝Xn和回采侧破碎区的厚度Y＝Yn；

[0015] （六）根据沿空巷道设计断面净高H确定窄煤柱内稳定区的厚度t：窄煤柱内稳定区的厚度t为沿空巷道设计净断面高度H的二分之一，即：t＝1/2H；

[0016] （七）所述窄煤柱宽度确定方法的窄煤柱合理宽度T是煤柱采空侧破碎区的厚度X、回采侧破碎区的厚度Y及中部稳定区的厚度t之和，即：T＝t＋X＋Y。

[0017] 在上述技术方案中，进一步的技术特征如下。

[0018] 所述钻孔取样方法的顶板取样总长度≥20m，底板取样总长度≥10m，煤层取样总长度≥3m。

[0019] 所确定窄煤柱内稳定区的厚度t是工作面初次来压时稳定区的最小厚度。

[0020] 所述所建模型是包含本区段回采工作面和相邻采空区，其中本回采工作面斜长是≥实际斜长的1/2，相邻采空区斜长≥实际斜长的1/2，走向长度≥100m，顶板厚度≥20m，底板厚度≥10m。

[0021] 所述窄煤柱内稳定区的窄煤柱宽度依次取T1=3m， T2=4m，……，Tn=（n+2）m。

[0022] 所述窄煤柱内稳定区是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰前应力状态。

[0023] 所述窄煤柱内回采侧破碎区和采空侧破碎区是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰后应力状态。

[0024] 实现上述技术方案，其优点与积极效果如下。

[0025] 本发明将窄煤柱划分为回采侧破碎区、稳定区和采空侧破碎区，根据顶板、底板、煤层的力学参数与沿空巷道设计净断面几何尺寸建立数值模型，通过数值计算确定采空侧破碎区厚度和回采侧破碎区厚度，并采用理论计算确定出稳定区厚度，最终三者之和即为阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱合理宽度。本发明克服了窄煤柱留设中只注重其稳定性而忽略煤柱对采空区瓦斯的阻隔效果之不足，充分考虑煤柱内稳定区的几何参数对维护沿空巷道围岩稳定与阻隔邻空区瓦斯向回采空间渗流的作用，使所留设窄煤柱具备上述两种功能。

附图说明

[0026] 图1是本发明窄煤柱位置及其区域划分图。

[0027] 图中：1：窄煤柱内回采侧破碎区；2：窄煤柱内稳定区；3：窄煤柱内采空侧破碎区；4：沿空巷道；5：本区段回采工作面煤体；6相邻采空区。

[0028] 图2是本发明窄煤柱合理宽度数值计算模型图。

[0029] 图3是本发明3m宽煤柱开采至初次来压步距时煤柱破碎区分布图。

[0030] 图4是本发明4m宽煤柱开采至初次来压步距时煤柱破碎区分布图。

[0031] 图5是本发明10m宽煤柱开采至初次来压步距时煤柱破碎区分布图。

具体实施方式

[0032] 下面对发明的具体实施方式作具体的详细说明。

[0033] 实施一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，该窄煤柱宽度确定方法是按下列步骤进行的：

[0034] 步骤一、通过钻孔取样的方法，在现场采集工作面煤层、顶板及底板岩层的煤岩样；

[0035] 所述钻孔取样是指顶板取样总长度不小20m，底板取样总长度不小于10m，煤层取样总长度不小于3m。

[0036] 步骤二、将步骤一取得的煤岩样在实验室加工成标准煤岩试件，用岩石力学强度测试设备测出煤岩样的力学参数。

[0037] 所述煤岩样力学参数是指其单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、泊松比、弹性模量、内聚力、内摩擦角、体积模量和剪切模量，煤岩样剪切模量和体积模量通过以下公式计算：

[0038] G＝E/2（1＋μ）   K＝E/3（1＋2μ）

[0039] 式中：G——剪切模量，MPa；K——体积模量，MPa；E——弹性模量，MPa；μ——泊松比。

[0040] 步骤三、采用现场矿山压力实测的方法，获得工作面基本顶的初次来压步距L；

[0041] 步骤四、根据工作面地质钻孔柱状图提供的煤岩层相应厚度与步骤二所得到的煤层、顶板及底板岩石力学参数，建立数值计算模型。

[0042] 所述建立数值计算建模型包含本区段回采工作面和相邻采空区，其中本回采工作面斜长不小实际斜长的1/2区斜长不小实际斜长的1/2，走向长度不小于100m，顶板厚度不小于20m，底板厚度不小于10m

[0043] 步骤五、在步骤四所建模型边界施加相应约束与载荷。并沿采空区6的边缘留宽度T1=3m煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸掘巷。沿空巷道4形成后，模拟开采工作面5，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L时，测出工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区3的厚度X1和回采侧破碎区1的厚度Y1，计算出X1+Y1，若X1＋Y1≥T1，则加宽煤柱重新计算；在步骤四所建模型内沿采空区6边缘留宽度为T2=4m煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸掘巷，沿空巷道4形成后，模拟开采工作面5，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L时，测出工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区3的厚度X2和回采侧破碎区1的厚度Y2，计算X2+Y2，若X2＋Y2≥T2，则加宽煤柱重新计算；依此类推，直至工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置回采侧破碎区1的厚度Xn和回采侧破碎区3的厚度满足Xn＋Yn＜Tn时，最终得到窄煤柱采空侧破碎区3的厚度X＝Xn和回采侧破碎区1的厚度Y＝Yn。

[0044] 所述窄煤柱塑性区宽度确定过程中，窄煤柱宽度依次取T1=3m，T2=4m，……，Tn=（n+2）m。

[0045] 所述窄煤柱内稳定区2是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰前应力状态。

[0046] 步骤六、根据沿空巷道4设计断面净高H确定窄煤柱内稳定区2的厚度t：窄煤柱内稳定区2的厚度t为沿空巷道4设计净断面高度H的二分之一，即：t＝1/2H。

[0047] 所述窄煤柱内稳定区2的厚度t是工作面初次来压时稳定区的最小厚度。

[0048] 所述窄煤柱内回采侧破碎区1和采空侧破碎区3是指该部分煤体处于其应力-应变全程曲线峰后应力状态。

[0049] 步骤七、所述一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法的窄煤柱合理宽度T为煤柱采空侧破碎区1的厚度X、回采侧破碎区3的厚度Y及中部稳定区2的厚度t之和，即：

[0050] T＝t＋X＋Y。

[0051] 下面通过具体实施例来对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明。

[0052] 如附图1所示，以某高瓦斯煤矿一高×宽=4m×5m沿空巷道为例，实施一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法，其确定方法步骤如下：

[0053] 步骤一、通过钻孔取样的方法，在现场采集工作面煤层、顶板及底板岩层的煤岩样；其中顶板岩样取芯长度23.25m，底板岩样取芯长度14.22m，煤层取样5m。

[0054] 步骤二、将步骤一取得的煤岩样在实验室加工成标准岩石试件，用岩石力学强度测试设备测出煤岩样的力学参数：单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、泊松比、弹性模量、内聚力、内摩擦角，并通过公式 计算出煤岩样剪切模量和体积模量式中，G为剪切模量，单位：MPa；K为体积模量，单位：MPa；E为弹性模量，单位：
MPa；μ为泊松比。

[0055] 步骤三、采用现场矿压实测的方法，获得工作面基本顶的初次来压步距L＝40m；

[0056] 步骤四、根据工作面地质钻孔柱状图提供的煤岩层相应厚度与步骤二所得到的煤层、顶板及底板岩石力学参数，建立数值计算模型，如附图2。模型长×宽×高=200m×100m×44.51m，其中采空区长占100m（采空区实际长度200m），本区段回采工作面长占100m（工作面实际长度200m），顶板厚23.25m，底板厚14.22m。

[0057] 步骤五和在步骤四，所建模型前、后、左侧及右侧边界均施加水平方向0位移约束，在底部边界施加水平及垂直两个方向0位移约束，在上部边界施加垂直向下载荷7.5MPa。

[0058] 沿采空区6的边缘留T1=3m宽煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸“高×宽=4m×5m”掘巷。沿空巷道4形成后，模拟开采工作面5，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L＝40m时，测出工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区3的厚度X1与回采侧破碎区1的厚度Y1之和X1＋Y1＝3m＝T1,如附图3所示。需加宽煤柱重新计算；

[0059] 在步骤四所建模型内沿采空区6边缘留T2=4m宽煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸“高×宽=4m×5m”掘巷，沿空巷道4形成后，模拟开采工作面5，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L＝40m时，测出工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区3的厚度X2与回采侧破碎区1的厚度Y2之和X2＋Y2＝4m＝T2，如附图4所示。需加宽煤柱重新计算；

[0060] 在步骤四所建模型内沿采空区6边缘依次留T3=5m、T4=6m、T5=7m、T6=8m和T7=9m宽煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸“高×宽=4m×5m”掘巷，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L＝40m时，测出工作面5煤壁所在平面对应这5种不同宽度煤柱所在位置的采空侧破碎区3的厚度与回采侧破碎区1的厚度，计算出X3＋Y3＝5m＝T3、X4＋Y4＝6m＝T4、[0061] X5＋Y5＝7m＝T5、X6＋Y6＝8m＝T6、X7＋Y7＝9m＝T7。需加宽煤柱重新计算；

[0062] 在步骤四所建模型内沿采空区6边缘留T8=10m宽煤柱，按照沿空巷道4设计几何尺寸“高×宽=4m×5m”掘巷，沿空巷道4形成后，模拟开采工作面5，工作面5推进至步骤三得到的初次来压步距L＝40m时，测出工作面5煤壁所在平面对应煤柱所在位置的采空侧破碎区的厚度X8=5.5m与回采侧破碎区的厚度Y8=2.5m，计算出X8＋Y8 =8m＜T8，如附图5所示。最终得到窄煤柱采空侧破碎区3的厚度X＝Xn＝5.5m和回采侧破碎区1的厚度Y＝Yn＝2.5m。

[0063] 步骤六、根据沿空巷道4设计断面净高H确定窄煤柱内稳定区2的厚度t：窄煤柱内稳定区2的厚度t为沿空巷道4设计净断面高度H的二分之一，即：t＝1/2H＝1/2×4m＝2m。

[0064] 步骤七、所述一种阻隔邻空区瓦斯渗流的窄煤柱宽度确定方法的窄煤柱宽度T为煤柱采空侧破碎区厚度X、回采侧破碎区厚度Y及中部稳定区厚度t之和，即：T＝t＋X＋Y＝2m＋5.5m＋2.5＝10m。

[0065] 下表是本发明顶底板及煤层力学参数：

[0066]