一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法与流程

技术特征：
1.一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：包括有如下步骤：第一步：以11号煤层四采区的煤层、煤质及构造揭露情况、采区水文地质条件为基础，通过对矿井生产地质条件调查，采用工程类比、理论计算、数值模拟方法，通过对内错式布置、外错式布置以及同向内错式布置方法的比较，对11号煤层四采区11
上
、11
下
煤层工作面顺槽布置方式，确定采用同向内错式方案，并确定合理的开采衔接顺序；第二步：对11号煤层相邻采区工作面开采情况进行综合分析，具体确定11号煤层四采区的工作面巷道布置方式、衔接顺序技术方案；第三步：通过对同类型条件类比、理论计算的方式，分别对11号煤层四采区11
上
、11
下
煤层采、掘工作面设备进行选型，并确定开采工艺；第四步：对11号煤层四采区首采工作面巷道布置、采掘工艺、设备选型进行确定，确定11号煤层四采区11
上
首采工作面，即11
上
401工作面的布置方式。2.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第一步中理论计算、数值模拟方法具体包括有上部煤层采后底板破坏性分析、顺槽间煤柱稳定性分析，所述上部煤层采后底板破坏性分析包括有11
上
煤层开采对底板最大破坏深度研究、11
上
煤层煤柱下应力分析，所述顺槽间煤柱稳定性分析包括有回采煤柱塑性区宽度、煤柱合理宽度计算。3.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第一步中对11号煤层四采区11
上
、11
下
煤层工作面顺槽布置确定采用“同向内错”方案，具体包括有11
下
煤层巷道布置方式及优劣因素比较、四采区11
下
煤层区回采巷道布置方案以及回采巷道布置方案数值模拟。4.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第二步中11号煤层四采区的工作面巷道布置方式，具体为：包括有11
上
煤层工作面布置、11
下
煤层工作面布置。5.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述衔接顺序包括有11
上
煤层开采顺序、11
下
煤层开采顺序、11
上
、11
下
煤层交替开采顺序。6.根据权利要求2所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述11
上
煤层开采对底板最大破坏深度研究的理论分析具体如下：当采空区底板下的岩层受到的压力超过其所能承受的最大值，底板岩层就会产生一定范围的塑性变形；当底板岩层受到的压力继续增大时，底板岩层即完全破碎，于是压力影响范围内的塑性区连接成整体，这将造成采空区的底鼓，塑性区岩体在采空区内部移动，逐渐形成一个连续的滑移面，采空区底板岩层受到最大损伤破坏影响；根据上述底板岩层滑移线场理论，采空区底板受支承压力影响产生的破坏深度可以通过计算得到：底板屈服破坏深度h为：过计算得到：底板屈服破坏深度h为：
由计算得到上煤层开采对底板最大破坏深度h
max
：：：根据公式得到：运用极限平衡理论，得到一侧采空时煤柱塑性区宽度x0为：将上式中的x0代入，得到上组煤层开采对其底板岩层的最大破坏深度h
max
：其中：m——采高，k——应力集中系数(由经验公式k＝1 0.23l
x0.47
，l
x
为工作面长度)γ——上覆岩层的平均体积力，h——采深；c——煤层内聚力；——煤层内摩擦角；f——煤层与顶底板的摩擦系数；ξ——三轴应力系数，ξ——三轴应力系数，——底板岩层内摩擦角；p
i
——支架对煤帮的阻力；结合矿井地质资料及围岩力学参数，式中各参数取值为：m＝1.90m，p
i
＝0，ξ＝2.846，h＝290m，γ＝25kn/m3，k＝4.02，c＝1.3mpa，f＝0.2；将各参数代入式(2
‑
5)中，计算得到11
上
煤层开采对底板最大破坏深度为2.45m；考虑到11
上
煤层坚硬顶板回采期间垮落及矿压现象，因此11
上
煤层开采对底板的损伤破坏深度可达到2.45m以上，在布置11
下
煤层回采巷道及巷道支护参数的选取时需考虑11
上
煤层开采对底板的破坏影响。
7.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第一步中11
上
煤层煤柱下应力分析具体如下：煤层开采引起回采空间围岩应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上形成集中应力，而且该集中应力会向底板传递和扩散；研究煤柱在底板岩层内(下部煤层的顶板)的应力分布规律，对于掌握下部岩层巷道的受力状态和矿压显现特征，确定下部煤(岩)层巷道的合理位置和支护参数选择都有指导作用；视煤(岩)体为均质的弹性体，应用弹性理论，集中载荷q在半无限平面体内任意一点的应力分量σ
x
、σ
y
、τ
xy
可以根据半无限体在边界上承受法向均布载荷的情况计算，煤柱底板上的载荷简化后可视为线形和均布两种载荷分布形式的组合，分别计算所产生的应力分量，然后叠加可求得底板岩层中任一点的应力分量；设半平面体在起边界ab段上受有分布力，其在各个点的集度为p；ab段距离原点o为ξ处，则平面应变条件下的半无限体在微小载荷q(ξ)dξ作用下，任意点m的应力为：为了求出全部分布力引起的应力，只须将所有各个微小集中力引起的应力相叠加，也就是将上面的三个式子积分，从ξ＝
‑
b到ξ＝a，得到：在应用式(2
‑
7)时，须将分布力的集度q表示为ξ的函数，然后在进行积分；给出均匀分布载荷和线形分布载荷的计算公式，如下：
①
均匀分布载荷其中式(2
‑
7)、(2
‑
8)联立可改写为：
②
线性分布载荷同理，将式(2
‑
7)、(2
‑
10)联立可改写为：10)联立可改写为：10)联立可改写为：近距离上部煤层开采后残留区段煤柱受到的载荷形态非常复杂，这里简化成两种类型；均布载荷和线性分布载荷；假定煤柱受到均布载荷作用，在给定煤柱宽度大小的条件下，给出煤柱集中应力在底板不同深度的应力分布曲线，进而分析煤柱集中应力在底板的传递和扩散规律。8.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第一步中回采煤柱塑性区宽度的分析具体如下：所述随着上煤层回采工作面的推进，后方煤柱由于受到侧向支承压力的作用，其在采空区边缘的煤体所处的应力状态会发生变化；弹性状态
‑
塑性状态
‑
破裂状态发展。设煤柱宽度为b，煤柱单侧受到支承压力的作用范围为l0，则上煤层采空区遗留护巷煤柱的弹塑性变形区及垂直应力分布有：首先假定采空区周围煤柱全部呈弹性变形状态。当垂直应力与采空区煤柱边缘距离的不断增大，垂直应力将以负指数递减。在高应力作用下，从煤柱边缘直到煤体深部一次出现破裂区、塑性区、弹性区及原始应力区。在距煤柱体边缘一定宽度内，煤柱体的承载能力与支承压力处于极限平衡状态，由前述公式可知：煤柱支承压力的最大值和煤柱体边缘的距离可表示为：
由上式可知，影响煤柱塑性区宽度的因素有：层厚、煤柱支承压力、煤层内聚力及内摩擦角、煤层与顶底板接触面的摩擦系数等。通过研究分析回采煤柱塑性区宽度可知，煤柱稳定合理的宽度对作用其上的载荷具有重要的影响意义。由以上分析得到煤柱一侧采空时塑性区宽度x0的理论计算公式，且x0的大小受到开采厚度、采深、层厚、煤柱支承压力、煤层内聚力、内摩擦角、煤层与顶底板接触面的摩擦系数等诸多因素的影响。当煤柱两侧塑性区宽度的和大于煤柱留设宽度时，则位于煤柱两侧的塑性区将发生贯通，这将直接促使煤柱全部呈塑性破坏状态，其稳定性也随之降低，上煤层回采后的遗留煤柱全部进入塑性屈服状态的宽度为：l≤2x0。煤柱保持其稳定状态的先决条件是：当煤柱两侧处于塑性变形状态时，煤柱中央会形成一定宽度的弹性核，此弹性核的最小宽度是煤柱高度的1～2倍。因此，保持煤柱稳定的最小宽度b可表示为：b＝2x0 (1～2)m代入上式，即：9.根据权利要求1所述的一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，其特征在于：所述第一步中煤柱合理宽度计算具体如下：(1)11
上
煤层煤柱留设计算由矿井地质资料及岩石物理力学试验参数可知，11
上
煤层各参数取值为：m＝1.60m，p
i
＝0，ξ＝2.846，h＝229m，γ＝25kn/m3，k＝4.02，c＝1.3mpa，f＝0.2；则一侧采空时煤柱塑性区宽度x0为：根据a.h.wilson提出的煤柱塑性区宽度计算公式，可知：x0＝0.00492mh＝1.80m将上述参数代入上式中，可以得到x0分别为1.86m，1.80m，所以取x0为1.86m，根据上式可以得到煤柱保持稳定状态的最小宽度为：6.92m，11
上
煤层工作面煤柱宽度大于6.92m时可以稳定；11
上
煤层工作面煤柱留设宽度为15m时，满足形成稳定煤柱所需的要求；因此，上煤层11
上
煤层回采后采空区的遗留煤柱发生整体上失稳破坏的可能性很小，此稳定煤柱将会对下煤层11
下
煤层回采巷道的布置及支护参数的选取产生重要影响；(2)11
下
煤层煤柱留设计算由矿井地质资料及岩石物理力学试验参数可知，11
下
煤层各参数取值为：m＝4.50m，p
i
＝0，ξ＝2.49，h＝231.7m，γ＝25kn/m3，k＝3.84，c＝1.5mpa，f＝0.2；则一侧采空时煤柱塑性区宽度x0为：
根据a.h.wilson提出的煤柱塑性区宽度计算公式可得：x0＝0.00492mh＝5.11m通过公式可得：x0分别为：4.75m、5.11m，故x0取5.11m，根据上式可以得到煤柱保持稳定状态的最小宽度为：14.72m，考虑到一定的安全系数，确定11
下
煤层工作面合理稳定煤柱尺寸为20m；11
下
煤层工作面煤柱的留设不仅要考虑11
上
煤层对11
下
煤层工作面的影响，还要保证11
下
煤层工作面正常回采及有效衔接；因此通过提出11
下
煤层回采巷道布置方案，并通过数值模拟软件进行模拟比较，进而确定合理巷道布置方式及煤柱合理留设宽度。

技术总结
本发明公开了一种极近距离煤层开采同向内错巷道布置的方法，本发明通过理论计算与数值模拟综合方法，分析研究了不同工作面长度对底板破坏影响、不同宽度煤柱在底板扩散影响范围及三种不同巷道布置方案，并对巷道布置参数做出选择。为巷道的支护及节约成本打下了坚实的基础。的基础。的基础。


技术研发人员：张安慎 田王健 李溪枝 孙国强 王利军 党其 刘兆宇 冯刚 张亮 卫伟
受保护的技术使用者：山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司
技术研发日：2021.04.28
技术公布日：2021/9/24