一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法

摘要

本发明提出了一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，首先，收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；其次，根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；最终，根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定。本发明用于煤矿生产过程中近距离煤层重复开采时的顶板压架灾害防治实践，具有很高的可靠性和实用性。

主权项

一种浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置的确定方法，其特征在于包括以下步骤：S1、收集所要布置切眼对应上覆一侧采空煤柱附近的钻孔柱状资料；S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；S3、根据上下煤层间关键层的赋存情况，按照各自对应的方法进行下煤层切眼位置的确定；若上下煤层间无关键层，则切眼距煤柱边界的距离需小于煤柱上方关键层的周期破断距，并处于煤柱边界应力峰值之外；若煤层间存在1层或多层关键层时，切眼可更深入煤柱内部布置，仅需保证煤层间最上位关键层初次破断结构前端铰接点的摩擦力及其下部支架阻力和煤柱上方关键层破断块体回转传递的载荷相对中间铰接点达到力矩平衡，或者使得该关键层初次破断块体在煤柱边界对应位置的下沉量达到煤柱上方关键层破断块体的回转量即可；所述确定方法进一步包括：(1)上下煤层间无关键层时切眼布置时应避免煤柱上方关键层发生悬臂式破断，同时还应保证切眼处于上覆煤柱边界应力峰值之外；即切眼位置d_m应满足如式(1)所示的条件：D+Y＜d_m＜l₁             (1)式中，D为切眼宽度；l₁为煤柱上方关键层的周期破断步距，可根据上煤层开采时周期来压步距的实测值进行确定；Y为煤柱边界塑性区宽度，其中，M₁、H分别为煤柱厚度和埋深，C、分别为煤体的内聚力和内摩擦角，γ为岩层容重，K为应力集中系数，f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，ξ为三轴应力系数，(2)上下煤层间存在1层关键层时对于煤层间存在1层关键层的开采情形，其切眼的布置可更深入煤柱内部，仅需保证煤柱上方关键层破断块体的回转作用对工作面支架不产生影响即可；按关键层破断块体回转量计算：根据压架机理的分析，工作面的压架实际是上支架活柱吸收了煤柱上方关键层破断块体G的回转量Δ₁；因此，若煤层间关键层2初次破断时的回转量较大而能吸收破断块体G的回转量时，那么工作面的支架将不会受到影响；所以，煤柱边界处对应关键层2破断块体的下沉量Δ_b应满足Δ_b≥Δ₁，其中，Δ₂为关键层2破断块体的回转空间；而${\Delta }_b=\frac{2(L_2-d_m)}{L_2}{\Delta }_2---\left(2\right)$由此可化简得：d_m≤(1‑0.5Δ₁/Δ₂)L₂             (3)其中，Δ₁＝M₁+(1‑K_p1)∑h_i1，Δ₂＝M₂+(1‑K_p2)∑h_i2，M₂为下煤层采高，∑h_i1、K_p1为上煤层直接顶厚度及其碎胀系数，∑h_i2、K_p2为下煤层直接顶厚度及其碎胀系数；按关键层破断结构稳定性计算：即应保证上覆载荷的作用使关键层2初次破断块体铰接结构不致发生滑落失稳，即应满足$F_B(l_b-\frac{L_2}{2})+\frac{L_2^2}{8}{q}^{\prime }\le {R_B}^{\prime }·\frac{L_2-l_k}{2}+R_0\frac{L_2}{2}---\left(4\right)$式中，F_B为煤柱上方关键层1悬臂式破断回转过程中传递给煤层间关键层2的载荷，其中，i₁、α分别为关键层1破断块体块度和回转角，i₁＝h₁/l₁，h₁为关键层1厚度，q为关键层1自重及其上覆载荷，k_b为系数，k_b＝l_b/d_m，l_b为F_B相对左侧铰接点的力矩，l_b＝d_m/2+L₂/4；L₂为关键层2的初次破断步距，可根据邻近工作面初次来压步距的实测结果取值；q′为关键层2自重及其与关键层1之间岩层的载荷；R_B′为工作面支架通过顶板岩层的支撑力，R_B′＝R_zj/L‑l_kγ∑h_i2，R_zj、L、l_k分别为工作面支架的工作阻力、支架宽度及支架控顶距；R₀为块体铰接处的摩擦力，T、分别为关键层2破断岩块间的水平推力和摩擦系数，T＝δσ_c/2，$\delta =\frac{h_2}{2}[1-tan({\beta }_2-{\theta }_2){\mathrm{cot\beta }}_2]-\frac{L_2}{2}(1-{\mathrm{cos\theta }}_2)tan({\beta }_2-{\theta }_2),$其中，δ为破断块体铰接处的接触面高度，h₂为关键层2的厚度，β₂、θ₂分别为关键层2破断块体的断裂角和回转角；σ_c为关键层2破断块体的单轴抗压强度；实际计算时，分别按式(3)、式(4)进行计算，然后取其较大值作为最终的合理切眼位置；当然，若上下煤层间存在2层或2层以上的多层关键层时，下煤层切眼位置的确定则与上述煤层间存在1层关键层时类似，即使得煤层间最上面一层关键层的破断满足式(3)或式(4)即可。