一种弱化遗留煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法与流程

本发明属于煤矿领域，具体涉及一种弱化遗留煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法，其通过对上部遗留煤柱进行潜在破坏面弱化，进行实现煤柱在支承压力作用下破坏。

背景技术：

由于受到开采水平、设备条件和地质因素等因素的限制，在煤层开采过程中，留设了大量的各类煤柱，用来支撑顶板、保护上煤层巷道，确保安全生产。这些煤柱将永久留在地下，无法采出，造成了资源的大量浪费。更重要的是，煤柱的存在会导致应力集中，致使下煤层开采矿压显现异常，易发生压架、冒顶、冲击地压等事故。也会加大下煤层保护煤柱的留设尺寸，降低了回采率，进一步浪费资源。

现在资源日益枯竭，能源供应日趋紧张，煤炭作为优质的不可再生资源，尽可能的减少煤柱对开采的影响，提高回采率，降低事故发生率是急需解决的问题。针对这一问题，专家学者及工程技术人员做了大量卓有成效的工作，并取得了较好效果。例如，通过爆破手段、水力压裂、超临界co2预裂、低温液氮预裂等方法对上部煤柱进行破坏，起到降低煤柱应力集中的作用，实现下煤层开采事故降低和煤柱尺寸减小的目的。但是这些方法没有利用矿山压力的作用，更没有针对煤柱破坏形式、特点进行设计，所以导致实施效果不理想。具体表现在：

(1)成本高。现有方法没有充分利用顶底板对煤柱的作用力，仅通过增加炸药、压裂液、低温液氮的用量实现煤柱的整体破碎，导致煤柱破坏所需材料用量过大，增加成本。

(2)技术难度大。没有根据煤柱的破坏形式和破坏特点进行处理。现有技术手段是通过外力破坏煤柱整体性，所以需要较大外力才能破坏煤柱，增加了技术难度。

(3)安全性低、效果差。现有技术没有考虑以上因素，导致爆破易采空区积气爆炸，存在较大安全隐患；而水力压裂过程中，压裂液体易通过煤柱裂隙流入采空区，破坏效果很差。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种通过弱化煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法，以减少下煤层开采事故率，提高资源回收率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种弱化遗留煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法，包括以下步骤：

s1、对上层遗留煤柱钻取岩芯，将岩芯加工成与遗留煤柱相同高径比的试件，进行单轴压缩试验，确认其破坏形式是否符合剪切破坏形式，若是，进入下一步；

s2、对试件进行变角剪切试验，测量其内摩擦角φ，并计算试件的破坏面与支承压力的夹角α；

s3、根据试件测量结果以及遗留煤柱和下煤层巷道参数，计算弱化钻孔的位置和长度；所述弱化钻孔的起点为下煤层巷道靠近煤柱一侧侧壁上，且所述弱化钻孔经过所述遗留煤柱的形心；

s4、根据计算结果，钻设所述弱化钻孔，使钻设弱化钻孔后的遗留煤柱在矿山压力作用下实现破坏。

所述步骤s2中，试件的破坏面与支承压力的夹角α的计算公式为：

α=(45°-0.5φ)。

所述步骤s3中，弱化钻孔的位置和长度的计算公式为：

c1=(h-0.5d)/tanα-0.5a-h；

l=(h-0.5d)/sinα；

其中，c1为弱化钻孔的起始位置到下煤层顶板的距离；l为弱化钻孔的起始位置到遗留煤柱形心的长度；h为遗留煤柱形心到下煤层巷道形心的水平距离；a为遗留煤柱的高度；b为遗留煤柱的宽度；c和d分别为下煤层巷道的高度和宽度；h为煤柱底板与下煤层顶板的垂距；α为支承压力作用下破坏面与支承压力的夹角。

所述步骤s3中，计算弱化钻孔的位置和长度之前还包括以下步骤：计算遗留煤柱和下煤层巷道参数是否满足条件：

(0.5a+h)*tanα+0.5d＜h＜(0.5a+h+c)*tanα+0.5d；

其中，a为遗留煤柱的高度；h为遗留煤柱形心到下煤层巷道形心的水平距离；c和d分别为下煤层巷道的高度和宽度；h为煤柱底板与下煤层顶板的垂距；α为支承压力作用下破坏面与支承压力的夹角。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明不需要额外的技术措施，单纯依靠作用于煤柱上的支承压力即可实现煤柱的破坏，充分利用了矿山压力，减少材料使用量，降低了成本。

本发明通过弱化遗留煤柱潜在破坏面，降低煤柱破坏所需临界强度，不用整体破坏煤柱，从而减低了技术难度。

相比爆破穿采方法开采煤柱，本发明通过对煤柱潜在破坏面的弱化，实现煤柱的破坏，具有安全性高、效果好的特点。消除了采空区积气爆炸的安全隐患；解决了使用水力压裂方法时，压裂液体易通过煤柱裂隙流入采空区，破坏效果很差的问题。

附图说明

图1为遗留煤柱与下煤层回采巷道位置关系的剖面示意图。

图2为计算弱化钻孔的位置到下煤层巷道中顶板的距离的剖面示意图。

图3为计算弱化钻孔的位置到下煤层巷道中顶板的距离的剖面局部放大图。

图4为潜在破坏面弱化后煤柱破坏示意图。

图中：1、下煤层；2、遗留煤柱；3、上煤层顶板；4、上煤层巷道；5、下煤层回采巷道；6、弱化钻孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例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的一部分实施例，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。

本发明实施例提供了一种弱化遗留煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法，其赋存条件为在下煤层1上方存在遗留煤柱2，遗留煤柱2用于支撑上煤层顶板3、保护上煤层巷道4，且遗留煤柱2两侧存有瓦斯，co等有毒、有害气体。本实施例的煤柱破坏，是在补勘探明遗留煤柱2的留设形状、尺寸、遗留煤柱2的底板与下煤层1的顶板间的垂距、遗留煤柱2的形心到下煤层回采巷道5形心的距离和遗留煤柱2两侧有毒、有害气体后，对上煤层遗留煤2柱钻取岩芯，将岩芯加工成与煤柱相同高径比的试件后进行单轴压缩试验，确定其破坏形式是否符合剪切破坏形式，如符合该形式，则进行变角剪切试验，测得内摩擦角φ，计算出支承压力作用下破坏面与支承压力的夹角α；根据夹角α，在下煤层回采巷道5中，选择合适的弱化钻孔6的位置和钻孔角度，从而实现对遗留煤柱2破裂面的弱化，弱化后的遗留煤柱2在矿山压力作用下将沿潜在破裂面破坏。

在上述实施方案的基础上：

如图1所示，其所述方法的赋存条件为在下煤层1上方存在遗留煤柱2，用于支撑上煤层顶板3和保护上煤层巷道4，且遗留煤柱两侧存有瓦斯，co等有毒、有害气体。煤炭的赋存多以煤层群为主要特征，一般从上到下依次开采，所以上煤层开采的遗留煤柱大量存在。上煤层开采后，在其遗留煤柱两侧的采空区中存在大量的瓦斯，co等有毒、有害气体。

本发明适用于遗留煤柱的留设形状为长方体或立方体，首先需要对上煤层遗留煤柱2钻取岩芯，考虑到高径比对遗留煤柱2破坏形式具有较大影响，所以须将岩芯加工成与煤柱相同高径比的试件后，再进行单轴压缩试验，从实验的角度确定其破坏形式是否符合剪切破坏形式；如符合该形式，则进行变角剪切试验，测得内摩擦角φ，计算出支承压力作用下与遗留煤柱2相同高径比试件的破坏面与支承压力的夹角α，其计算公式如下：

α=(45°-0.5φ)；（1）

如图2、图3所示，结合实际工况，在下煤层回采巷道中开始钻设弱化钻孔6，则弱化钻孔6的起点为下煤层巷道5靠近煤柱一侧侧壁上，且所述弱化钻孔6经过所述遗留煤柱2的形心；

根据实验结果和公式（1）得到夹角α，对合适的弱化钻孔的位置和长度进行计算，计算公式如下：

c1=(h-0.5d)/tanα-0.5a-h；（2）

l=(h-0.5d)/sinα；（3）

式中：c1为弱化钻孔6的位置到下煤层巷道5中顶板的距离；l为弱化钻孔6斜长；h为遗留煤柱2形心到下煤层巷道5形心的水平距离；a为遗留煤柱2的高度；b为遗留煤柱2的宽度；c和d分别为为下煤层巷道5的高度和宽度；h为遗留煤柱2底板与下煤层顶板的垂距；α为支承压力作用下破坏面与支承压力的夹角。

考虑到弱化钻孔6的起始位置应该位于下煤层的顶板与底板之间，所述的弱化钻孔6的位置和长度计算公式需满足以下条件：

(0.5a+h)*tanα+0.5d＜h＜(0.5a+h+c)*tanα+0.5d（4）

通过上述公式计算得到的结果，在下煤层巷道5中向遗留煤柱中心的方向钻孔，实现对下煤层回采巷道5斜上方遗留煤柱2潜在破裂面的弱化，使得弱化后的遗留煤柱2在矿山压力作用下将沿潜在破裂面破坏，如图4所示。

实施例：

某矿矩形遗留煤柱2的高度a和宽度b分别3m和5m，下煤层回采巷道5的高度c和宽度d分别为3m和4.5m，遗留煤柱2的底板与下煤层1的顶板间的垂距h为20m，遗留煤柱2形心到下煤层回采巷道5形心的水平距离h为15m。

对上煤层遗留煤柱2钻取岩芯，考虑到高径比对遗留煤柱2破坏形式具有较大影响，所以须将岩芯加工成与煤柱相同高径比的试件后，再进行单轴压缩试验，从实验的角度确定其破坏形式符合剪切破坏形式；进一步进行变角剪切试验，测得内摩擦角φ=30°；根据公式（1），计算出支承压力作用下与遗留煤柱2相同高径比试件的破坏面与支承压力的夹角α=(45°-0.5φ)=30°。

为了保证弱化遗留煤柱破裂面，从而在矿山压力作用下将遗留煤柱沿潜在破裂面破坏。使用计算公式(2)~(3)进行如下计算：

c1=(h-0.5d)/tanα-0.5a-h=0.58m；

l=(h-0.5d)/sinα=25.5m；

根据所述的弱化钻孔的位置和长度计算公式（4），还需满足以下条件：

(0.5a+h)*tanα+0.5d＜h＜(0.5a+h+c)*tanα+0.5d；

将该矿相关参数带入上式，可得：

14.6(m)＜h＜16.4m；

经过验证，该矿遗留煤柱2形心到下煤层回采巷道5形心的水平距离h=15m，满足本发明所述方法的适用条件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。