综放工作面区段大煤柱实测优化方法

技术领域

本发明涉及矿产资源开采技术领域，尤其涉及一种综放工作面区段大煤柱实测优化方法。

背景技术

特厚煤层综放工作面区段煤柱是维护回采巷道稳定性和保障矿井正常生产的关键构筑物。目前，特厚煤层综放工作面区段煤柱尺寸通常采用工程类比、数值模拟、理论计算的方法综合确定。

由于不同矿井的地质条件和开采条件存在差异，工程类比等方式难以精确地模拟各个矿井的地质条件，计算获得的煤柱尺寸往往存在误差，为了确保回采顺槽的稳定性以及工作面回采的安全性，往往需要在计算过程中采用较高的冗余系数，使留设的煤柱尺寸偏大，造成煤炭资源的浪费。

发明内容

本发明提供一种综放工作面区段大煤柱实测优化方法，用以解决现有技术中计算过程中采用较高的冗余系数，使留设的煤柱尺寸偏大，造成煤炭资源的问题。

本发明提供一种综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述煤柱用于支撑煤层，所述煤层包括多个间隔设置的工作面和设置于所述工作面之间的煤柱区段；

所述综放工作面区段大煤柱实测优化方法包括如下步骤：

依次在多个工作面进行开采；

在对多个所述工作面开采前，在多个所述工作面之间进行水力压裂侧向卸压；

在对多个所述工作面开采时，监测与当前开采所述工作面相邻的所述煤柱区段和待开采所述工作面的支承应力分布；

根据所述支承应力分布，计算可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，并根据所述可缩减煤柱宽度和所述煤柱宽度范围，确定最优煤柱宽度和煤柱位置；

根据所述最优煤柱宽度和所述煤柱位置在开采过程中保留煤柱。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述在对多个所述工作面开采时，监测与当前开采所述工作面相邻的所述煤柱区段和待开采所述工作面的支承应力分布的步骤，包括：

在与当前开采所述工作面的相邻的所述煤柱区段和待开采所述工作面内沿开采方向间隔开设多个深度不同的应力监测孔，多个应力计一一对应地设置于所述应力监测孔中；

获取多个所述应力计的应力监测数据。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述应力计包括第一应力计和第二应力计，所述应力监测孔包括第一应力监测孔和第二应力监测孔；所述在与当前开采所述工作面的相邻的所述煤柱区段和待开采所述工作面内沿开采方向间隔开设多个深度不同的应力监测孔，多个应力计一一对应地设置于所述应力监测孔中的步骤，包括：

在相邻的所述煤柱区段内沿开采方向间隔开设多个深度不同的所述第一应力监测孔，所述第一应力计一一对应地设置于所述第一应力监测孔中；

在相邻的待开采所述工作面靠近当前开采所述工作面的一侧沿开采方向间隔开设有多个深度不同的所述第二应力监测孔，所述第二应力计一一对应地设置于所述第二应力监测孔中。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述获取多个所述应力计的应力监测数据的步骤，包括：

根据沿开采方向的开采推进速度，确定超前监测距离；

获取当前开采所述工作面内已开采区域沿开采方向的所述超前监测距离范围外的所述应力计的应力监测数据。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述根据所述支承应力分布，计算可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围的步骤，包括：

根据各个所述应力计的应力监测数据，获取应力集中系数的分布情况，根据应力集中系数的分布情况计算所述可缩减煤柱宽度；

根据各个所述应力计的应力监测数据，获取各个应力监测点的应力随时间变化情况，根据各个应力监测点的应力随时间变化情况确定所述煤柱宽度范围。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述根据应力集中系数的分布情况计算所述可缩减煤柱宽度的步骤，包括：

根据各个应力集中系数的分布情况，确定应力集中系数的弹性核区的宽度，并根据所述弹性核区的宽度和巷道高度，计算所述可缩减煤柱宽度。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述根据应力随时间变化情况确定所述煤柱宽度范围的步骤，包括：

根据各个应力监测点的应力随时间变化情况划分出弹性区和塑性区，根据所述弹性区和所述塑性区的宽度确定所述煤柱宽度范围。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述根据所述可缩减煤柱宽度和所述煤柱宽度范围，确定最优煤柱宽度和煤柱位置的步骤，包括：

当所述煤柱区段的宽度减去所述可缩减煤柱宽度的值小于所述煤柱宽度范围的下限值时，所述最优煤柱宽度为所述煤柱宽度范围的下限值；

当所述煤柱区段的宽度减去所述可缩减煤柱宽度的值大于等于所述煤柱宽度范围的下限值，所述最优煤柱宽度为所述煤柱区段的宽度减去所述可缩减煤柱宽度的值。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，在所述在对多个所述工作面开采前，在多个所述工作面之间进行水力压裂侧向卸压的步骤，包括：

在所述煤柱区段和所述工作面之间的位置向所述煤柱区段钻孔以形成压裂孔，并通过所述压裂孔进行水力压裂。

根据本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，所述工作面的两侧分别开设有胶运顺槽和回风顺槽，所述胶运顺槽和所述回风顺槽均沿所述开采方向延伸。

本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，通过将煤层合理地划分为多个工作面和工作面之间的煤柱区段，避免在进行煤层开采时由于开采面积过大形成过大的空腔导致上方岩层垮落，造成安全事故，提高了作业安全性；通过在工作面之间水力压裂侧向卸压，以便减少煤柱的载荷，有利于缩减煤柱的宽度；同时，通过在单个工作面开采过程中，对相邻的煤柱区段和工作面内的支承应力变化情况进行监测，以识别出需要煤柱进行直接支撑的区域，从而计算处水力压裂后实际的可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，对最终留设的煤柱宽度进行优化，使煤柱在满足需求的同时，避免煤柱宽度过大而造成煤炭资源的浪费，有效解决了现有技术中计算过程中采用较高的冗余系数，使留设的煤柱尺寸偏大，造成煤炭资源的浪费的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法的流程示意图之一；

图2是本发明实施例提供的煤层的示意图；

图3是本发明实施例提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法的流程示意图之二；

图4是本发明实施例提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法的流程示意图之三；

图5是本发明实施例提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法的流程示意图之四；

图6是本发明实施例提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法的流程示意图之五；

图7是本发明实施例提供的沿深度方向的应力集中曲线的示意图之一；

图8是本发明实施例提供的沿深度方向的应力集中曲线的示意图之二；

图9是本发明实施例提供的煤层的俯视图；

图10是本发明实施例提供的煤层的正视图。

附图标记：

1、煤层；

11、工作面；12、煤柱区段；13、压裂孔；14、胶运顺槽；15、回风顺槽；

111、应力监测孔；112、应力计；113、第一应力计；114、第二应力计；115、第一应力监测孔；116、第二应力监测孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图10描述本发明提供的综放工作面区段大煤柱实测优化方法。

如图1和图2所示，本发明提供一种煤层综放工作面区段大煤柱实测优化方法，煤柱用于支撑煤层1，煤层1包括：多个间隔设置的工作面11和设置于工作面11之间的煤柱区段12；

综放工作面区段大煤柱实测优化方法包括如下步骤：

步骤S101：依次在多个工作面进行开采。

步骤S102：在对多个所述工作面开采前，在多个所述工作面之间进行水力压裂侧向卸压。

步骤S103：在对工作面开采时，监测与当前开采工作面相邻的煤柱区段和待开采工作面的支承应力分布。

步骤S104：根据支承应力分布，计算可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，并根据可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，确定最优煤柱宽度和煤柱位置。

步骤S105：根据最优煤柱宽度和煤柱位置在开采过程中保留煤柱。

在本实施例中，在对煤层1开采前，通常需要根据煤层1的整体宽度将煤层1划分为多个工作面11，同时根据经验数据和理论计算，初步计算煤柱的宽度，并根据煤柱的宽度在工作面11之间设置煤柱区段12，以初步确定煤柱的预留位置。

在对各个工作面11开采前，需要在工作面11之间进行水力压裂，使工作面11的顶板在工作面11之间用于设置煤柱的位置侧向断裂，则位于压裂区的工作面11上覆岩层传递给煤柱的压力较小，有利于减小煤柱的负载，进而有利于缩小煤柱的宽度。

在进行开采时，需依次在多个工作面11进行开采，以便在单个工作面11进行开采过程中，确定该工作面11与相邻待开采工作面11之间的煤柱宽度。

在完成水力压裂后，在对单个工作面11进行开采时，监测相邻的煤柱区段12和待开采工作面11内的支承应力分布，从而监测相邻的煤柱区段12和待开采工作面11内受到开采作业产生的应力变化情况，并根据应力变化情况计算预留的煤柱区段12的宽度相比的可缩减煤柱宽度；同时根据不同区域内的应力变化情况计算需要由煤柱直接支撑的区域，确定在进行水力压裂后的煤柱宽度范围。结合煤柱区段12的宽度、可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，即可确定煤柱的位置和最优煤柱宽度，既能满足对工作面11顶部的支撑需求，又不至于使煤柱宽度过大，造成煤炭资源浪费。

在确定最优煤柱宽度和煤柱位置后，即可在开采过程中在煤柱区段12保留足够宽度的煤柱以进行支撑。具体而言，当最优煤柱宽度小于煤柱区段12的宽度时，可以对煤柱区段12内的煤矿进行一定开采，留出满足最优煤柱宽度的煤柱即可；而当最优煤柱宽度大于煤柱区段12的宽度，需要在工作面11中留设部分煤柱，使煤柱能够达到最优煤柱宽度。

通常而言，由于设计煤柱区段12时会采用较大的安全冗余系数，煤柱区段12的宽度通常会大于最优煤柱宽度。

本发明的综放工作面区段大煤柱实测优化方法，通过将煤层1合理地划分为多个工作面11和工作面11之间的煤柱区段12，避免在进行煤层1开采时由于开采面积过大形成过大的空腔导致上方岩层垮落，造成安全事故，提高了作业安全性；通过在工作面11之间水力压裂侧向卸压，以便减少煤柱的载荷，有利于缩减煤柱的宽度；同时，通过在单个工作面11开采过程中，对相邻的煤柱区段12和工作面11内的支承应力变化情况进行监测，以识别出需要煤柱进行直接支撑的区域，从而计算处水力压裂后实际的可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，对最终留设的煤柱宽度进行优化，使煤柱在满足需求的同时，避免煤柱宽度过大而造成煤炭资源的浪费，有效解决了现有技术中计算过程中采用较高的冗余系数，使留设的煤柱尺寸偏大，造成煤炭资源的浪费的问题。

具体地，在一些实施例中，如图2和图3所示，步骤S103：在对工作面开采时，监测与当前开采工作面相邻的煤柱区段和待开采工作面的支承应力分布，包括下列步骤：

步骤S1031：在与当前开采工作面的相邻的煤柱区段和待开采工作工作面内沿开采方向间隔开设多个深度不同的应力监测孔，多个应力计一一对应地设置于应力监测孔中。

步骤S1032：获取多个应力计的应力监测数据。

在本实施例中，在对工作面11开采时，需要在相邻的煤柱区段12和待开采工作面11内沿开设多个应力监测孔111，并在应力监测孔111中设置应力计112。多个应力监测孔111沿开采方向(如图2中空心箭头所示)间隔设置，使应力计112能够沿开采方向监测不同位置的应力变化情况；多个应力监测孔111的深度不同，使应力监测孔111中的应力计112能够沿深度方向监测不同位置的应力变化情况，以便后续对可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围进行计算。

具体地，在一些实施例中，如图2至图4所示，应力计112包括第一应力计113和第二应力计114，应力监测孔111包括第一应力监测孔115和第二应力监测孔116。

步骤S1031：在与当前开采工作面的相邻的煤柱区段和待开采工作工作面内沿开采方向间隔开设多个深度不同的应力监测孔，多个应力计一一对应地设置于应力监测孔中，包括下列步骤：

步骤S10311：在相邻的煤柱区段内沿开采方向间隔开设多个深度不同的第一应力监测孔，第一应力计一一对应地设置于第一应力监测孔中。

步骤S10312：在相邻的待开采工作面靠近当前开采工作面的一侧沿开采方向间隔开设有多个深度不同的第二应力监测孔，第二应力计一一对应地设置于第二应力监测孔中。

在本实施例中，通过在相邻煤柱区段12内开设第一应力监测孔115，并在第一应力监测孔115中设置第一应力计113。使第一应力监测孔115沿开采方向间隔分布且深度不同，使第一应力计113沿开采方向和深度方向监测不同位置的应力变化情况，从而更好地对相邻煤柱区段12内各个位置的应力变化情况进行监控。

类似地，通过在相邻待开采工作面11靠近当前开采工作面11的一侧开设第二应力监测孔116，并在第二应力监测孔116中设置第二应力计114。使第二应力监测孔116沿开采方向间隔分布且深度不同，使第二应力计114沿开采方向和深度方向监测不同位置的应力变化情况，从而更好地对相邻待开采工作面11内各个位置的应力变化情况进行监控。

结合第一应力计113和第二应力计114的应力监测数据，即可对覆盖相邻煤柱区段12和开采工作面11的较大区域内各个位置的应力变化情况进行监控。

在一些具体实施例中，第一应力监测孔115和第二应力监测孔116的设置间隔可以不同。通常而言，煤柱区段12内的第一应力监测孔115沿开采方向的间隔比第二应力监测孔116沿开采方向的间隔更小，同时，第一应力监测孔115的深度梯度设置比第二应力监测孔116的深度梯度更小，使第一应力计113在煤柱区段12内更密集，即煤柱区段12内应力监测点位更密集，能更好地反映煤柱区段12内的应力变化情况。

在一些实施例中，如图2、图3和图5所示，步骤S1032：获取多个应力计的应力监测数据，包括下列步骤：

步骤S10321：根据沿开采方向的开采推进速度，确定超前监测距离。

步骤S10322：获取当前开采工作面内已开采区域沿开采方向的超前监测距离范围外的应力计的应力监测数据。

在本实施例中，根据开采推进速度，可以设置一个超前监测距离。在开采过程中，开采作业和应力监测数据同步进行，具体而言，在开采作业进行到某一位置时，即开始获取已开采区域前方沿超前监测距离以外的应力计112的数据，从而提前对超前监测距离外的区域内的应力变化情况进行监测，并根据一段时间内的应力变化情况提前计算对应区域内的可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，从而提前确定对应区域的最优煤柱宽度和煤柱位置，使最优煤柱宽度和煤柱位置不会影响开采作业的推进，开采效率更高。

在一个具体实施例中，在距离煤层1底部1.5m处沿开采方向分别对煤柱区段12和待开采的工作面11进行水平钻孔，以形成第一应力监测孔115和第二应力监测孔116，第一应力监测孔115的内径为48～50mm，第一应力监测孔115的深度分别为1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m、21m、23m、25m、27m，…，相邻的第一应力监测孔115沿开采方向的间距为2m。第二应力监测孔116的内径为48～50mm，第二应力监测孔116的深度分别为5m、10m、15m、20m、25m、35m、40m、45m、50m、55m、60m，…，相邻的第二应力监测孔116沿开采方向的间距为2m。超前监测距离不小于150m，即相对于已开采区域提前150m的位置开启第一应力计113和第二应力计114，以长期实时监测一次采动影响和二次采动影响下第一应力计113和第二应力计114的应力监测数据。

具体地在一些实施例中，如图1和图6所示，根据支承应力分布，计算可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围的步骤，包括下列步骤：

步骤S1041：根据各个应力计的应力监测数据，获取应力集中系数的分布情况，根据应力集中系数的分布情况计算可缩减煤柱宽度。

步骤S1042：根据各个应力计的应力监测数据，获取各个应力监测点的应力随时间变化情况，根据各个应力监测点的应力随时间变化情况确定煤柱宽度范围。

在本实施例中，在获取各个应力计112的应力监测数据后，即可通过应力集中系数的分布情况，对应力集中的情况进行分析，从而确定最需要进行支撑的区域以及可以减少支撑的区域，进而计算可缩减的煤柱宽度。

接着，通过各个应力监测点的应力随时间的变化情况，根据各个应力监测点的变化趋势，将应力监测的覆盖区域进行划分，确定需要煤柱支撑的区域范围，从而确定煤柱宽度范围。

具体地，在一些实施例中，步骤S1031：根据各个应力计的应力监测数据，获取应力集中系数的分布情况，根据应力集中系数的分布情况计算可缩减煤柱宽度，包括下列步骤：

根据各个应力集中系数的分布情况，确定应力集中系数的弹性核区的宽度，并根据弹性核区的宽度和巷道高度，计算可缩减煤柱宽度。

在本实施例中，通过各个应力计112检测的应力数据和应力计112所在的深度，即可计算对应深度位置的应力集中系数，并根据深度位置和相应深度位置的应力集中系数，即可获得沿深度方向的应力集中系数曲线(如图7和图8，X轴为深度方向位置，Y轴为集中系数)，并根据系数曲线的变化趋势确定弹性核区(如图8中A区域)，弹性核区通常无需完全通过并根据弹性核区的宽度和巷道高度，确定可缩减煤柱宽度。

具体地，可缩减煤柱宽度h

h

式中，h

通常而言，弹性核区根据经验集中系数确定(如图8中虚线B所示)。

在一些实施例中，根据应力随时间变化情况确定煤柱宽度范围的步骤，包括：

根据各个应力监测点的应力随时间变化情况划分出弹性区和塑性区，根据弹性区和塑性区的宽度确定煤柱宽度范围。

在本实施例中，通过各个应力监测点随时间的变化数据绘制变化曲线，并根据应力随时间的变化趋势确定弹性区和塑性区。具体而言，应力变化趋势为“应力平稳-应力升高-应力降低”的应力监测点位于第一分区，该区域的煤层1受到采动影响后应力会反复变化，属于弹性区；应力变化趋势为“应力平稳-应力升高”的应力监测点位于第二分区；应力变化趋势为“应力平稳”的应力监测点位于第三分区。第二分区和第三分区的煤层1受到开采影响后应力不会反复变化，属于塑性区。因此，煤柱的宽度需要至少覆盖整个弹性区，也可以部分覆盖塑性区，也即煤柱宽度范围为大于等于弹性区宽度，小于弹性区和塑性区的宽度之和。

在一个具体实施例中，煤柱宽度范围为大于等于第一分区(即弹性区)的宽度，小于等于第二分区和第三分区的宽度之和。由于在第一分区中，应力会受开采影响反复变化，煤柱需要对整个弹性区进行支撑；而第二分区内，应力仅仅会升高，仅需进行部分支撑。综上，煤柱宽度范围为大于等于第一分区宽度，小于等于第一分区和第二分区的宽度之和。

在一些实施例中，如图6所示，根据可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围，确定最优煤柱宽度和煤柱位置的步骤，包括：

步骤S1043：当煤柱区段的宽度减去可缩减煤柱宽度的值小于煤柱宽度范围的下限值时，最优煤柱宽度为煤柱宽度范围的下限值；

步骤S1044：当煤柱区段的宽度减去可缩减煤柱宽度的值大于等于煤柱宽度范围的下限值，最优煤柱宽度为煤柱区段的宽度减去可缩减煤柱宽度的值。

在本实施例中，在获得可缩减煤柱宽度和煤柱宽度范围后，即可将预设的煤柱区段12的宽度在减去可缩减煤柱宽度后和煤柱宽度范围进行比较，若煤柱区段12的宽度在减去可缩减煤柱宽度后比煤柱宽度范围的下限值小，为了保证煤柱的支撑能力，最优煤柱宽度应为煤柱宽度范围的下限值；而当煤柱区段12的宽度在减去可缩减煤柱宽度后比煤柱宽度范围的下限值大时，则取煤柱区段12的宽度在减去可缩减煤柱宽度的值作为最优煤柱宽度。

在一些实施例中，步骤S102：在对多个所述工作面开采前，在多个所述工作面之间进行水力压裂侧向卸压，包括下列步骤：

在煤柱区段和工作面之间的位置向煤柱区段钻孔以形成压裂孔，并通过压裂孔进行水力压裂。

如图9和图10所示，在对一个工作面11进行开采前，需要在当前待开采的工作面11分别向相邻的煤柱区段12中进行钻孔以形成压裂孔13，并通过压裂孔13进行水力压裂，以对相邻未开采的工作面11进行卸压，提高开采时的安全性。

在一些实施例中，如图2、图9和图10所示，工作面11的两侧分别开设有胶运顺槽14和回风顺槽15，胶运顺槽14和回风顺槽15均沿开采方向延伸。

在本实施例中，工作面11两侧开设的胶运顺槽14和回风顺槽15可以在开采过程中方便人员、设备、煤炭等进出工作面11，同时也对工作面11起到运输的作用。

在一个具体实施例中，如图2、图9和图10所示，当前开采的工作面11和下一待开采的工作面11之间设置有煤柱区段12，当前开采的工作面11靠近煤柱区段12的一侧开设有胶运顺槽14，下一待开采的工作面11靠近煤柱区段12的一侧开设有回风顺槽15。

在对当前开采的工作面11进行开采前，需要在胶运顺槽14的顶部沿胶运顺槽14的轴向间隔钻孔，形成多个压裂孔13，压裂孔13间距10m，压裂孔13深度为60m，压裂孔13与水平方向呈60°角，与胶运顺槽14的轴向呈5°角。

施工时采用履带式钻机，钻头直径56mm，钻杆直径42mm，采用后退式单孔多次压裂，每隔3m压裂一次，次数可根据岩体强度和完整性进行调整，单次压裂时间定为30min，根据水压变化和岩层出水情况调整。处理侧向悬顶高度计算式如下：

h

式中h

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。