一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法

摘要

本发明公开了一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，适用于煤矿使用。首先基于矿井地应力场类型与优势节理裂隙走向，确定煤矸分选硐室群内主硐室的合理布置方式，即尽量将主硐室布置于远离断层、陷落柱等地质构造且围岩性质相对稳定的区域、将主要功能硐室轴向与优势节理裂隙走向垂直布置，主硐室之间相互平行布置；辅助硐室与主硐室沿同轴向布置；两主硐室之间的连通硐室与两主硐室垂直布置；确定主硐室及邻近巷硐的合理间距，对于煤矸分选硐室群内非等高的巷硐而言进行渐进式过渡处理。其步骤简单，能够有效降低围岩控制难度，有利于减少压煤量、降低产矸量与掘巷工程量、削弱选煤系统与井下其他生产活动的交互影响。

权利要求

1.一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于步骤如下：a首先基于矿井地应力场类型与优势节理裂隙走向，确定煤矸分选硐室群内需要的主硐室和辅助硐室种类和数量，然后根据实际的煤矸分选设计硐室的连接顺序，同时确保布置主硐室时，主硐室之间相互平行布置；

b以与主硐室沿同轴向布置的方式布置辅助硐室，若两主硐室之间设置有作为连通硐室的辅助硐室，则辅助硐室垂直设置在两个平行布置的主硐室之间；

c确定主硐室及其邻近巷硐的合理间距，避免相互扰动影响过大从而影响围岩的稳定性；

d若煤矸分选硐室群内出现相邻的断面非等高的巷硐，则在满足相连硐室内部设备安置与使用要求的前提下减小巷硐断面尺寸，同时对小断面巷硐的断面尺寸向大断面巷硐的断面尺寸进行渐进式过渡，在小断面硐室内增设逐渐变大的过渡段，同理在对大断面巷硐的断面尺寸向小断面巷硐的断面尺寸实施逐渐变小的过渡段，小断面巷硐到大断面巷硐的过渡段的宽度一致，高度则呈渐进式变化，大断面巷硐通过过渡段最终保证与大断面巷硐高度一致，长度大于大断面巷硐围岩的塑性破坏范围；

其中，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力的夹角的确定方法：设主硐室处的垂直主应力σv、最大水平主应力σH、最小水平主应力σh，最大水平主应力侧压系数λH、最小水平主应力侧压系数λh则在σH型应力场中，σH型应力场需要满足σH≥σh>σv，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当λH≠λh时，主硐室布置与最大水平应力方向平行；在σHv型应力场中，σHv型应力场需要满足σH>σv>σh，主硐室布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角；在σv型应力场中，σv型应力场需要满足σv>σH≥σh，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当λH≠λh时，主硐室布置与最大水平应力方向平行。

2.根据权利要求1所述井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于：主硐室为断面尺寸大、实现井下煤矸分选功能，包括：筛分破碎硐室、煤矸分选硐室；选择远离断层、陷落柱以及褶曲的地质构造且围岩性质相对稳定的区域设置主功能硐室；辅助硐室包括：煤泥水处理硐室、原煤入选巷道、精煤排运巷道、矸石排运巷道，辅助硐室与主硐室沿同轴向布置。

3.根据权利要求2所述井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于：主硐室包含的筛分破碎硐室与煤矸分选硐室之间通过胶带运输机连接，由于胶带运输机需要分别连接筛分破碎硐室下侧与煤矸分选硐室上侧，若筛分破碎硐室与煤矸分选硐室两者同水平高度设置，则胶带运输机为倾斜结构，若连接巷高度不够则需要设置过渡段容纳胶带运输机；若筛分破碎硐室与煤矸分选硐室两者错层位布置，即筛分破碎硐室的出口与煤矸分选硐室的入口水平平行，则胶带运输机为水平设置。

4.根据权利要求1所述井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于：根据等效开挖原理指出，巷硐开挖对其自身周边的围岩塑性区发育范围的影响等效于开挖处与该巷硐断面外接圆同径的圆形巷道，并将等效开挖断面与实际断面之间的差集定义为无效加固区，为确保两平行布置的相邻两个硐室间的岩柱处于稳定状态，将两个平行布置的相邻硐室标注为硐室1、硐室2，硐室1、硐室2之间的等效间距Rd满足：Rd＞(R1‑r1)+(R2‑r2) Ⅰ式中：Rd为等效间距，单位m；R1为硐室1围岩塑性区半径，单位m；r1为硐室1的等效开挖半径，单位m；R2为硐室2的围岩塑性区半径，单位m；r2为硐室2的等效开挖半径，单位m；

利用下式计算硐室的圆形巷道围岩塑性区的半径Ri：式中：p为原岩应力，单位MPa；pi为支护阻力，单位MPa；ri为圆形巷道半径，单位m；为围岩的内摩擦角，单位°；C为围岩的内聚力，单位MPa；θ为极坐标角度，单位°；λ为侧压系数；基于矿井实际地质与支护条件，根据公式Ⅱ可分别计算出两邻近硐室围岩塑性区半径，再带入公式Ⅰ中即可理论判断两邻近硐室的等效间距Rd。

5.根据权利要求4所述井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于：为使岩柱在两个邻近意硐室间稳定，包括主硐室和辅助硐室，需要在留设岩柱时预留一定的安全距离，安全距离为岩柱宽度不小于两硐室最大跨度的两倍距离，即不小于两硐室最大半径的四倍距离，可知两邻近硐室间的等效间距Rd满足：Rd≥4·max(r1，r2) Ⅲ

式Ⅲ同样适用于错层位布置邻近巷硐的情况，因此利用实际地质条件以及理论计算式Ⅲ计算确定的等效间距Rd值大于通过式Ⅰ计算确定的Rd值。

6.根据权利要求5所述井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其特征在于：对于煤矸分选硐室群内两个邻近的主硐室而言，两邻近主硐室的间距不仅要满足岩柱稳定的要求，还需确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室，胶带输送机存在倾斜角度，此时两邻近主硐室的帮部水平间距Rh满足：Rh≥cotθ1·(hs+hd‑hb) Ⅳ式中：Rh为两主硐室的帮部水平间距，单位m；θ1为胶带输送机的设计输送仰角，单位m；

hs为煤矸分离硐室内原煤入选高度，单位m；hd为两主硐室底板高度差，单位m；hb为筛分破碎硐室内胶带输送机的最大离地高度，单位m；

因此为确保岩柱稳定及确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室，筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室之间的合理间距R需同时满足：两邻近的主硐室的等效间距Rd以及帮部水平间距Rh满足公式Ⅴ中的全部要求，即可满足煤矸分选硐室群的紧凑型布局。

说明书

一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种硐室群布局方法，尤其适用于井下煤矸分选硐室群紧凑型的布局方法。

背景技术

[0002] 目前，我国中东部矿区已经进入深部开采阶段，采深超过千米的矿井已达50余座，进入深部开采后，受“高地应力、高地温、高岩溶水压以及强开采扰动”开采环境的限制，深
部煤矿需开挖大量岩巷以满足矿井生产系统、围岩稳定控制和安全卸压开采的需要，由此
产生的大量矸石，不仅会加剧深井提升能力不足的矛盾，也给井上洗选与地面排放带来巨
大环境压力，成为制约深井安全高效生产与矿区环境协调的瓶颈问题。井下煤矸分选是为
了适应矸石充填采煤技术发展而兴起的一个选煤技术发展方向，对于解决上述问题有着重
要的作用。选煤硐室群是井下安置分级破碎、煤矸分离、煤泥水处理、煤矸运输以及供电、供
水等相关设备的若干巷道与硐室的总称。优化布置选煤硐室群可有效降低围岩控制难度，
选煤硐室群的紧凑型布局则有利于减少压煤量、降低产矸量与掘巷工程量、削弱选煤系统
与井下其他生产活动的交互影响。因此，研究井下煤矸分选硐室群的优化布置方式与紧凑
型布局方法具有重要的现实意义。

发明内容

[0003] 针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，能够有效的确保井下煤矸分选硐室群的紧凑布置的一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法。

[0004] 为实现上述技术的不足之处，提供一种井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其步骤如下：

[0005] a首先基于矿井地应力场类型与优势节理裂隙走向，确定煤矸分选硐室群内需要的主硐室和辅助硐室种类和数量，然后根据实际的煤矸分选设计硐室的连接顺序，同时确
保布置主硐室时主硐室之间相互平行布置；

[0006] b以与硐室沿同轴向布置的方式布置辅助硐室，若两主硐室之间设置有作为连通硐室的辅助硐室，则辅助侗室垂直设置在两个平行布置的主硐室之间；

[0007] c确定主硐室及其邻近巷硐的合理间距，避免相互扰动影响过大从而影响围岩的稳定性；

[0008] d若煤矸分选硐室群内出现相邻的断面非等高的巷硐，则在满足相连硐室内部设备安置与使用要求的前提下尽量减小巷硐断面尺寸，同时对小断面巷硐的断面尺寸向大断
面巷硐的断面尺寸进行渐进式过渡，在小断面内增设逐渐变大的过渡段，同理在对大断面
巷硐的断面尺寸向小断面巷硐的断面尺寸实施逐渐变小的的过渡段，过渡段的宽度与小断
面巷硐宽度一致，高度则呈渐进式变化，最终保证与大断面巷硐高度一致，长度应大于大断
面巷硐围岩的塑性破坏范围。

[0009] 主硐室为断面尺寸大、实现井下煤矸分选的主要功能，包括：筛分破碎硐室、煤矸分选硐室；选择远离断层、陷落柱以及褶曲的地质构造且围岩性质相对稳定的区域设置主
要功能硐室；辅助硐室包括：煤泥水处理硐室、原煤入选巷道、精煤排运巷道、矸石排运巷
道，辅助硐室应与主硐室沿同轴向布置。

[0010] 主硐室包含的筛分破碎硐室与煤矸分选硐室之间通过胶带运输机连接，由于胶带运输机需要分别连接筛分破碎硐室下侧与煤矸分选硐室上侧，若筛分破碎硐室与煤矸分选
硐室两者同水平高度设置，则胶带运输机为倾斜结构，若连接巷高度不够则需要设置过渡
段容纳胶带运输机；若筛分破碎硐室与煤矸分选硐室两者错层位布置，即筛分破碎硐室的
出口与煤矸分选硐室的入口水平平行，则胶带运输机为为水平设置。

[0011] 主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力的夹角的确定方法：

[0012] 设主硐室处的垂直主应力σv、最大水平主应力σH、最小水平主应力σh，最大水平主应力侧压系数λH、最小水平主应力侧压系数λh则在σH型应力场中，σH型应力场需要满足σH≥
σh>σv，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当λH≠λh时，主硐
室布置应与最大水平应力方向平行；在σHv型应力场中，σHv型应力场需要满足σH>σv>σh，主硐
室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角；在σv型应力场中，σv型应力场需要满
足σv>σH≥σh，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当λH≠λh
时，主硐室布置仍应与最大水平应力方向平行。

[0013] 根据等效开挖原理指出，巷硐开挖对其自身周边的围岩塑性区发育范围的影响等效于开挖处与该巷硐断面外接圆同径的圆形巷道，并将等效开挖断面与实际断面之间的差
集定义为无效加固区，为确保两平行布置的相邻两个硐室间的岩柱处于稳定状态，将两个
平行布置的相邻硐室标注为硐室1、硐室2，硐室1、硐室2之间的等效间距Rd应满足：

[0014] Rd＞(R1‑r1)+(R2‑r2)， Ⅰ

[0015] 式中：Rd为等效间距，单位m；R1为硐室1围岩塑性区半径，单位m；r1为硐室1的等效开挖半径，单位m；R2为硐室2的围岩塑性区半径，单位m；r2为硐室2的等效开挖半径，单位m；

[0016] 利用下式计算硐室的圆形巷道围岩塑性区的半径Ri：

[0017]

[0018] 式中：p为原岩应力，单位MPa；pi为支护阻力，单位MPa；ri为圆形巷道半径，单位m；为围岩的内摩擦角，单位°；为围岩的内聚力，单位MPa；θ为极坐标角度，单位°；λ为侧压系
数；基于矿井实际地质与支护条件，根据公式Ⅱ可分别计算出两邻近硐室围岩塑性区半径，
再带入公式Ⅰ中即可理论判断两邻近硐室的等效间距Rd。

[0019] 为使岩柱在两个邻近的硐室间稳定，包括主硐室和辅助硐室，需要在留设岩柱时预留一定的安全距离，安全距离为岩柱宽度不小于两硐室最大跨度的两倍距离，即应不小
于两硐室最大半径的四倍距离，可知两邻近硐室间的等效间距Rd应满足：

[0020] Rd≥4·max(r1，r2)， Ⅲ

[0021] 式Ⅲ同样适用于错层位布置邻近巷硐的情况，因此利用实际地质条件以及理论计算式Ⅲ计算确定的等效间距Rd值大于通过式Ⅰ计算确定的Rd值。

[0022] 对于煤矸分选硐室群内两个邻近的主硐室而言，两邻近主硐室的间距不仅要满足岩柱稳定的要求，还需确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐
室，胶带输送机存在倾斜角度，此时两邻近主硐室的帮部水平间距Rh应满足：

[0023] Rh≥cotθ1·(hs+hd‑hb)， Ⅳ

[0024] 式中：Rh为两主硐室的帮部水平间距，单位m；θ1为胶带输送机的设计输送仰角，单位m；hs为煤矸分离硐室内原煤入选高度，单位m；hd为两主硐室底板高度差，单位m；hb为筛分
破碎硐室内胶带输送机的最大离地高度，单位m；

[0025] 因此为确保岩柱稳定及确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室，筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室之间的合理间距R需同时满足：

[0026]

[0027] 两邻近的主硐室的等效间距Rd以及帮部水平间距Rh应满足公式Ⅴ中的全部要求，即可满足煤矸分选硐室群的紧凑型布局。

[0028] 有益效果：

[0029] 本方法优化布置选煤硐室群可有效降低围岩控制难度，选煤硐室群的紧凑型布局则有利于减少压煤量、降低产矸量与掘巷工程量、削弱选煤系统与井下其他生产活动的交
互影响。本方法给出了煤矸分选硐室群的优化布置方案，提供了确保主硐室及邻近巷硐的
合理间距的具体计算公式要求，根据申请中的内容可以有效的确保井下煤矸分选硐室群的
紧凑布置，该优化布置煤矸分选硐室群的方法可有效降低围岩控制难度，煤矸分选硐室群
的紧凑型布局也有利于减少压煤量、降低产矸量与掘巷工程量、削弱选煤系统与井下其他
生产活动的交互影响。

附图说明

[0030] 图1为本发明的井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法的流程图；

[0031] 图2为本发明的主硐室间围岩内塑性区与支承应力分布；

[0032] 图3为本发明的主硐室间平层布置原煤转运示意图；

[0033] 图4为本发明的主硐室间错层布置原煤转运示意图；

[0034] 图5为本发明的煤矸分选硐室群优化布局。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

[0036] 如图1和图5所示，本发明的井下煤矸分选硐室群紧凑型布局方法，其步骤如下：

[0037] a首先基于矿井地应力场类型与优势节理裂隙走向，确定煤矸分选硐室群内需要的主硐室和辅助硐室种类和数量，然后根据实际的煤矸分选设计硐室的连接顺序，同时确
保布置主硐室时主硐室之间相互平行布置；

[0038] b以与硐室沿同轴向布置的方式布置辅助硐室，若两主硐室之间设置有作为连通硐室的辅助硐室，则辅助侗室垂直设置在两个平行布置的主硐室之间；

[0039] c确定主硐室及其邻近巷硐的合理间距，避免相互扰动影响过大从而影响围岩的稳定性；

[0040] d若煤矸分选硐室群内出现相邻的断面非等高的巷硐，则在满足相连硐室内部设备安置与使用要求的前提下尽量减小巷硐断面尺寸，同时对小断面巷硐的断面尺寸向大断
面巷硐的断面尺寸进行渐进式过渡，在小断面内增设逐渐变大的过渡段，同理在对大断面
巷硐的断面尺寸向小断面巷硐的断面尺寸实施逐渐变小的的过渡段，过渡段的宽度与小断
面巷硐宽度一致，高度则呈渐进式变化，最终保证与大断面巷硐高度一致，长度应大于大断
面巷硐围岩的塑性破坏范围。

[0041] 主硐室为断面尺寸大、实现井下煤矸分选的主要功能，包括：筛分破碎硐室、煤矸分选硐室；选择远离断层、陷落柱以及褶曲的地质构造且围岩性质相对稳定的区域设置主
要功能硐室；辅助硐室包括：煤泥水处理硐室、原煤入选巷道、精煤排运巷道、矸石排运巷
道，辅助硐室应与主硐室沿同轴向布置。

[0042] 如图3和图4所示，主硐室包含的筛分破碎硐室与煤矸分选硐室之间通过胶带运输机连接，由于胶带运输机需要分别连接筛分破碎硐室下侧与煤矸分选硐室上侧，若筛分破
碎硐室与煤矸分选硐室两者同水平高度设置，则胶带运输机为倾斜结构，若连接巷高度不
够则需要设置过渡段容纳胶带运输机；若筛分破碎硐室与煤矸分选硐室两者错层位布置，
即筛分破碎硐室的出口与煤矸分选硐室的入口水平平行，则胶带运输机为为水平设置。

[0043] 主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力的夹角的确定方法：

[0044] 设主硐室处的垂直主应力σv、最大水平主应力σH、最小水平主应力σh，最大水平主应力侧压系数λH、最小水平主应力侧压系数λh则在σH型应力场中，σH型应力场需要满足σH≥
σh>σv，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈30°夹角，当λH≠λh时，主硐
室布置应与最大水平应力方向平行；在σHv型应力场中，σHv型应力场需要满足σH>σv>σh，主硐
室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈0°～15°夹角；在σv型应力场中，σv型应力场需要满
足σv>σH≥σh，当λH＝λh时，主硐室最佳布置轴向为与最大水平主应力呈45°夹角，当λH≠λh
时，主硐室布置仍应与最大水平应力方向平行。

[0045] 如图2所示，根据等效开挖原理指出，巷硐开挖对其自身周边的围岩塑性区发育范围的影响等效于开挖处与该巷硐断面外接圆同径的圆形巷道，并将等效开挖断面与实际断
面之间的差集定义为无效加固区，为确保两平行布置的相邻两个硐室间的岩柱处于稳定状
态，将两个平行布置的相邻硐室标注为硐室1、硐室2，硐室1、硐室2之间的等效间距Rd应满
足：

[0046] Rd＞(R1‑r1)+(R2‑r2)， Ⅰ

[0047] 式中：Rd为等效间距，单位m；R1为硐室1围岩塑性区半径，单位m；r1为硐室1的等效开挖半径，单位m；R2为硐室2的围岩塑性区半径，单位m；r2为硐室2的等效开挖半径，单位m；

[0048] 利用下式计算硐室的圆形巷道围岩塑性区的半径Ri：

[0049]

[0050] 式中：p为原岩应力，单位MPa；pi为支护阻力，单位MPa；ri为圆形巷道半径，单位m；为围岩的内摩擦角，单位°；为围岩的内聚力，单位MPa；θ为极坐标角度，单位°；λ为侧压系
数；基于矿井实际地质与支护条件，根据公式Ⅱ可分别计算出两邻近硐室围岩塑性区半径，
再带入公式Ⅰ中即可理论判断两邻近硐室的等效间距Rd。

[0051] 为使岩柱在两个邻近的硐室间稳定，包括主硐室和辅助硐室，需要在留设岩柱时预留一定的安全距离，安全距离为岩柱宽度不小于两硐室最大跨度的两倍距离，即应不小
于两硐室最大半径的四倍距离，可知两邻近硐室间的等效间距Rd应满足：

[0052] Rd≥4·max(r1，r2)， Ⅲ

[0053] 式Ⅲ同样适用于错层位布置邻近巷硐的情况，因此利用实际地质条件以及理论计算式Ⅲ计算确定的等效间距Rd值大于通过式Ⅰ计算确定的Rd值。

[0054] 对于煤矸分选硐室群内两个邻近的主硐室而言，两邻近主硐室的间距不仅要满足岩柱稳定的要求，还需确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐
室，胶带输送机存在倾斜角度，此时两邻近主硐室的帮部水平间距Rh应满足：

[0055] Rh≥cotθ1·(hs+hd‑hb)， Ⅳ

[0056] 式中：Rh为两主硐室的帮部水平间距，单位m；θ1为胶带输送机的设计输送仰角，单位m；hs为煤矸分离硐室内原煤入选高度，单位m；hd为两主硐室底板高度差，单位m；hb为筛分
破碎硐室内胶带输送机的最大离地高度，单位m；

[0057] 因此为确保岩柱稳定及确保煤块通过胶带输送机顺利从筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室，筛分破碎硐室输送至煤矸分离硐室之间的合理间距R需同时满足：

[0058]

[0059] 两邻近的主硐室的等效间距Rd以及帮部水平间距Rh应满足公式Ⅴ中的全部要求，即可满足煤矸分选硐室群的紧凑型布局。