本發(fā)明涉及沖擊地壓煤層煤柱區(qū)卸壓，特別是涉及一種基于煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的分區(qū)組合卸壓方法。

背景技術(shù)：

1、沖擊地壓煤層部分區(qū)域因不宜開采形成遺留煤柱，導(dǎo)致煤柱區(qū)附近高應(yīng)力集中、應(yīng)力分布情況復(fù)雜，采掘擾動影響下極易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。研究得出煤柱沖擊地壓的發(fā)生與空間覆巖結(jié)構(gòu)、煤巖體應(yīng)力程度密切相關(guān)，可通過破壞覆巖結(jié)構(gòu)完整性、釋放煤柱彈性能聚集對該類沖擊地壓進(jìn)行防治。但目前對于采區(qū)大范圍采空、煤柱尺寸不規(guī)則(即煤柱受到地質(zhì)情況限制，在采區(qū)不同位置的寬度不同)條件下煤柱區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及其穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)分析較少，導(dǎo)致對不規(guī)則煤柱區(qū)沖擊地壓防治針對性不足，即不規(guī)則煤柱不同位置由于尺寸不規(guī)則，導(dǎo)致不同位置的應(yīng)力狀態(tài)及其穩(wěn)定狀態(tài)均不同；而現(xiàn)有的方式對不同位置的煤柱均采用相同的單一卸壓方式，不僅存在卸壓手段相互孤立、卸壓效果缺乏聯(lián)系，且可能導(dǎo)致部分位置煤柱因過度施工造成煤柱失去承載能力、卸壓成本增大。

2、因此，如何提供一種新的方法，通過分析煤柱應(yīng)力分布特征、判識不同位置的煤柱穩(wěn)定狀態(tài)針對性指導(dǎo)煤柱區(qū)卸壓，從而減弱煤柱區(qū)沖擊地壓危險等級、保障沖擊地壓煤層安全生產(chǎn)，是本發(fā)明的研究方向。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的分區(qū)組合卸壓方法，根據(jù)煤柱安全系數(shù)對不同位置不同尺寸的煤柱穩(wěn)定狀態(tài)分別進(jìn)行分類，并對每類區(qū)域分別制定煤柱卸壓方案，從而對煤柱區(qū)進(jìn)行分區(qū)分層級協(xié)同卸壓，在改變煤柱區(qū)沖擊力源和能量聚集體結(jié)構(gòu)的同時，保障煤柱承載能力，對保護(hù)巷道結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)卸壓效果最大化與控制卸壓成本具有重要意義。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的分區(qū)組合卸壓方法，具體步驟為：

3、步驟一、采集煤柱賦存數(shù)據(jù)；

4、步驟二、建立計算煤柱的正應(yīng)力和剪切力的計算公式，用于獲取不同位置的煤柱應(yīng)力分布特征；

5、步驟三、根據(jù)步驟二建立的計算公式，結(jié)合mohr-coulomb準(zhǔn)則建立煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式；

6、步驟四、設(shè)定煤柱穩(wěn)定狀態(tài)包括ⅰ、ⅱ、ⅲ類，并設(shè)定每類煤柱穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)范圍；

7、步驟五、根據(jù)步驟三得到的煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式，分析不同因素對煤柱穩(wěn)定狀態(tài)的影響情況；

8、步驟六、將步驟一采集的煤柱賦存數(shù)據(jù)代入步驟三得到不同位置煤柱的穩(wěn)定安全系數(shù)，并將獲得的穩(wěn)定安全系數(shù)采用步驟四進(jìn)行判識，得到不同位置煤柱的穩(wěn)定狀態(tài)分類；

9、步驟七、根據(jù)步驟六得到不同位置煤柱的穩(wěn)定狀態(tài)分類，按照不同的分類情況分別制定不同的卸壓措施及卸壓參數(shù)；

10、步驟八、根據(jù)步驟六和步驟七確定的情況對煤柱采用不同卸壓措施組合進(jìn)行分區(qū)卸壓：當(dāng)某一位置的煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅰ類時施工大直徑鉆孔卸壓；當(dāng)某一位置的煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅱ類時先施工大直徑鉆孔卸壓，然后施工頂板深孔爆破卸壓；當(dāng)某一位置的煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅲ類時，對當(dāng)前區(qū)域的煤柱采用大直徑鉆孔與頂板深孔爆破組合卸壓，然后補(bǔ)加煤柱底板卸壓鉆孔，從而完成基于煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的分區(qū)組合卸壓。

11、進(jìn)一步，所述步驟一中煤柱賦存數(shù)據(jù)包括工作面回采數(shù)據(jù)和煤巖層參數(shù)。

12、進(jìn)一步，所述步驟二具體為：

13、根據(jù)公式(1)獲取開采前煤層中的正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τ分別為：

14、

15、式中，γ為煤層上覆巖層容重；h為煤層埋深；α為煤層傾角；k為測壓系數(shù)；

16、工作面開采后，應(yīng)考慮煤柱寬度與兩側(cè)采空區(qū)之間關(guān)系，根據(jù)從屬面積法進(jìn)行煤柱應(yīng)力分析，引入面積采出比r表示為：

17、

18、式中，b為煤柱兩側(cè)采空區(qū)寬度；a為煤柱寬度；

19、結(jié)合面積采出比r，作用于煤柱的正應(yīng)力σp與剪應(yīng)力τp表示為：

20、

21、從而建立計算煤柱的正應(yīng)力和剪切力的計算公式。

22、進(jìn)一步，所述步驟三具體為：

23、煤柱極限強(qiáng)度σpc表示為：

24、

25、式中，σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度；h為煤柱高度；

26、根據(jù)作用于煤柱的正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τn求解作用于煤柱的載荷σts：

27、

28、假設(shè)煤柱受載破壞符合mohr-coulomb準(zhǔn)則，綜上建立正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下煤柱的穩(wěn)定安全系數(shù)解析式：

29、

30、從而建立煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式。

31、進(jìn)一步，所述步驟四具體為：

32、若煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)fs>1，表示作用于煤柱的載荷強(qiáng)度較小，煤柱處于較為穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，將煤柱穩(wěn)定狀態(tài)類型記為ⅰ類；

33、若煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)0.5<fs≤1，表示作用于煤柱的載荷強(qiáng)度較大，使得煤柱穩(wěn)定性降低，將煤柱穩(wěn)定狀態(tài)類型記為ⅱ類；

34、若煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)0<fs≤0.5，表示煤柱承載極限強(qiáng)度小于作用于煤柱的載荷，煤柱將發(fā)生破裂，將煤柱穩(wěn)定狀態(tài)類型記為ⅲ類。

35、進(jìn)一步，所述步驟五具體為：

36、根據(jù)步驟三建立的煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式，得出煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)由煤柱自身極限強(qiáng)度及作用于煤柱的載荷決定，其中，煤柱自身極限強(qiáng)度與煤體單軸抗壓強(qiáng)度σc、煤柱高度h、煤層埋深h和煤柱寬度a有關(guān)；作用于煤柱的載荷與面積采出比r、煤層埋深h、煤層傾角α、和側(cè)壓系數(shù)k有關(guān)；通過控制單一變量法從而分析不同因素對煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的影響情況(即某一因素的數(shù)值增加或減少時煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況，為后續(xù)開采提供指導(dǎo))。

37、進(jìn)一步，所述步驟七具體為：

38、若某一位置煤柱的穩(wěn)定狀態(tài)為ⅰ類時，采用大直徑鉆孔對煤柱進(jìn)行卸壓，大直徑鉆孔垂直巷幫布置，平行于煤層，孔徑φ1≥150mm；孔間距為1±0.1m；孔深25m；為便于施工，鉆孔距煤層底板高度為1.5m；

39、若某一位置煤柱的穩(wěn)定狀態(tài)為ⅱ類時，采用大直徑鉆孔卸壓與頂板深孔爆破組合對煤柱進(jìn)行卸壓，其中大直徑鉆孔的施工參數(shù)與煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅰ類時相同；頂板爆破孔由兩巷朝向煤柱內(nèi)側(cè)三孔布置，孔徑為φ2＝65mm；孔1#、2#、3#傾角分別為60°、45°、30°；孔1#、2#、3#終孔位置分別位于直接頂巖層頂部、直接頂巖層2/3厚度處和直接頂巖層1/2厚度處；孔1#、2#、3#的深度分別為l1、l2、l3，裝藥長度分別為l1/2、l2/2、l3/2，裝藥量均為3kg/m；

40、若某一位置煤柱的穩(wěn)定狀態(tài)為ⅲ類時，采用大直徑鉆孔、頂板深孔爆破與底板鉆孔進(jìn)行組合卸壓，大直徑鉆孔的施工參數(shù)與煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅰ類時相同；頂板深孔爆破在兩巷及工作面前朝向煤柱內(nèi)側(cè)布置，其中由兩巷朝向煤柱內(nèi)側(cè)布置的爆破孔施工參數(shù)與煤柱穩(wěn)定狀態(tài)為ⅱ類時相同，由工作面前方朝向煤柱內(nèi)側(cè)布置的爆破孔為三孔布置，記為孔4#、5#、6#，傾角分別為60°、45°、30°，終孔位置分別位于直接頂巖層頂部、直接頂巖層2/3厚度處和直接頂巖層1/2厚度處，孔深分別為l4、l5、l6，裝藥長度分別為l4/2、l5/2、l6/2，裝藥量均為3kg/m；在煤柱底板補(bǔ)打卸壓鉆孔，孔徑φ3≥150mm，一組為3個鉆孔，記為7#、8#、9#，孔7#布置在外幫邊角，朝向外側(cè)與水平方向成60°，孔9#布置在內(nèi)幫邊角，朝向內(nèi)側(cè)與水平方向成60°，孔8#布置在底板中央，與水平方向垂直，組間距為2±0.2m，終孔位置均為煤層底板，若煤層厚度大，則將各個卸壓鉆孔的長度均布置為15m。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首先采集煤柱賦存數(shù)據(jù)，然后建立計算煤柱的正應(yīng)力和剪切力的計算公式用于獲取不同位置的煤柱應(yīng)力分布特征，接著結(jié)合mohr-coulomb準(zhǔn)則建立煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式；并設(shè)定煤柱穩(wěn)定狀態(tài)分類及每類對應(yīng)的煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)范圍；根據(jù)煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式分析不同因素對煤柱穩(wěn)定安全系數(shù)的影響情況，最后結(jié)合煤柱賦存數(shù)據(jù)判識煤柱穩(wěn)定狀態(tài)類型后將煤柱不同位置根據(jù)不同尺寸情況劃分為不同穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域；根據(jù)煤柱不同穩(wěn)定狀態(tài)類型對應(yīng)制定煤柱卸壓參數(shù)，最終基于劃分的不同區(qū)域煤柱穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域進(jìn)行對應(yīng)的卸壓施工，從而實現(xiàn)對煤柱區(qū)的分區(qū)組合卸壓。通過該方法，能夠?qū)_擊地壓煤層開采遺留不規(guī)則煤柱區(qū)的能量應(yīng)力源頭及承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)組合卸壓，卸壓方法更具有針對性，有效提高了煤柱區(qū)承載能力，減小了工作面末采期間因卸壓力度不足或過度卸壓造成的沖擊地壓危險，對保障工作面安全回采、提高煤柱區(qū)巷道穩(wěn)定性及提升卸壓效能具有重要意義。