开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法

本发明属于煤矿安全高效开采，具体涉及一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法。

背景技术：

1、开拓、准备巷道煤柱区回采工作面合理停采线位置的确定是一个复杂且关键的问题，它关乎到煤炭资源的有效利用和矿井的安全生产工作。停采线位置的确定需要考虑多种因素，包括煤层的赋存条件、地质构造、顶底板的稳定性、巷道支护状况、矿井的实际生产情况等，并基于多种因素进行综合分析和判断。同时，开拓、准备巷道煤柱区由于盘区工作面不断采空，受采空区超前支承应力影响范围增加，会导致开拓、准备巷道煤柱区域整体应力水平较高，易诱发动力灾害事件。目前，回采工作面停采线位置的确定主要依靠工程类比法和现场监测的方式，这极大依赖于现场技术人员的经验，存在较大的主观性和不确定性。例如，通过分析微震事件的位置、时间和能量等信息，评估工作面的稳定性，为停采线位置的确定提供现场数据支持，但微震事件的产生并不能准确反应工作面周边的应力场，进而无法合理地确定出工作面停采线位置。因此，亟需提供一种可确定合理的开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置的方法，以有效提高煤炭资源的回收率，同时确保矿井的安全生产工作。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，该方法灵活性好，适应范围广，能客观科学地确定出最优停采线位置，并可以根据实际情况进行调整和优化，能有效提高煤炭资源的回收率，同时能确保矿井的安全生产工作。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，包括以下步骤；

3、步骤一：确定回采工作面，采集煤层顶板上的岩石作为试样，在实验室中利用试验设备对试样进行物理力学性质试验，得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；

4、步骤二：根据回采工作面附近的钻孔柱状图及实验确定的地层岩石参数，通过数值模拟的方式建立三维地质模型；

5、步骤三：根据工作面初步回采计划开挖三维地质模型并记录不同停采线位置处的应力分布，导出应力云图和应力最大值，并确定出开拓、准备巷道煤柱区在不同停采线位置下的静载应力分布特征；

6、步骤四：基于采动影响的煤柱稳定性理论，计算盘区大巷煤柱保持稳定性所需的最小宽度，再确定出满足采动影响下遗留煤柱保持稳定性所需宽度；

7、步骤五：基于回采工作面不同停采线位置的数值模拟应力分布结果和煤柱稳定性宽度理论计算值，结合回采工作面前期实际来压情况，综合确定出最优停采线位置。

8、进一步，为了能全面地反映工作面附近的煤岩体力学数据，在步骤一中，地层岩石的实际参数包括密度、体积模量、剪切模量、摩擦角和内聚力。

9、作为一种优选，在步骤二中，利用flac3d数值模拟软件进行三维地质模型的建立。

10、进一步，为了建立出能精准反应实际力学工况的三维地质模型，在步骤二中，建立三维地质模型的过程如下：

11、利用步骤一中确定的岩层参数进行模拟赋参，并根据实际埋深和地应力探测结果施加载荷，同时，通过公式(1)计算上边界承受的自重载荷；

12、p＝γh(1)；

13、式中，γ为岩层的平均容重，取值25kn/m3；h为模型上边界距地表的高度，单位为m。

14、进一步，为了能准确地反映出工作面附近的应力变化情况，在步骤三中，开拓、准备巷道煤柱区在不同停采线位置下的静载应力分布特征确定过程如下：

15、在已建成的三维地质模型中，按照实际生产过程依次开挖盘区煤层大巷、已回采结束工作面和正在回采的工作面，并均计算到应力平衡状态，同时，在需要监测的区域布置多条测线来观察应力变化情况，确定开拓、准备巷道煤柱区在不同停采线位置下的静载应力分布特征。

16、进一步，为了能充分地确保煤矿的安全生产工作，同时，为了能显著降低煤柱的损耗率，在步骤四中计算满足采动影响下遗留煤柱保持稳定性所需宽度的过程如下：

17、s41：通过公式(2)计算煤壁至支承应力峰值的距离x0；

18、

19、式中，k为应力集中系数；为煤体残余强度，单位为mpa；f为层面间的摩擦系数，为顶底板与煤层间的摩擦角，单位为°；为内摩擦角，单位为°；m为煤层厚度，单位为m；

20、s42：通过公式(3)根据已获得的盘区大巷煤柱计算参数，计算盘区大巷煤柱保持稳定性所需最小宽度b；

21、b＝x0+l+r(3)；

22、式中，r、x0分别为煤柱两侧塑性区宽度，当盘区大巷左右两侧工作面停采线位置距离大巷位置一致时，两侧塑性区宽度相同即r＝x0；l为煤柱中部弹性区宽度，l＝l1+l2；

23、s43：通过公式(4)计算能够满足采动影响下遗留煤柱保持稳定性所需宽度b0；

24、b0＝λb(4)；

25、式中，λ为煤柱保持稳定性的安全系数，取值1.2。

26、进一步，为了能更客观精准地确定出停采线位置，在步骤五中，确定盘区大巷煤柱宽度，即将对应的工作面位置确定为最优停采线位置的过程如下：

27、确定出数值模拟条件下的合理停采线位置，并基于回采工作面基本顶周期来压步距及能够满足采动影响下遗留煤柱保持稳定所需最小宽度，最终确定出最优的开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置。

28、本发明中，首先利用数值模拟的手段，对开拓、准备巷道煤柱区回采工作面不同的停采线位置进行模拟研究，可以直观地展示出工作面回采期间的应力分布情况，有利于更精准地分析出不同停采线布置而导致的应力分布变化情况，进而可以准确地确定出不同停采线位置时的应力集中区，进一步能准确地获得数值模拟下较优的停采线位置。然后基于采动影响的煤柱稳定性理论，利用理论分析和计算公式计算出盘区大巷煤柱保持稳定性所需的最小宽度，再利用大于1的安全系数确定能够满足采动影响下遗留煤柱保持稳定所需宽度，能显著降低煤柱损耗率，极大地提高了回采工作面采出率，同时，能充分满足煤矿的安全生产需求。最终，结合工程实测回采周期来压数据对最优工作面停采线位置进行确定，可以修正数值模拟和理论分析产生的实际生产误差，能更客观精准地确定出停采线位置，充分提高了该合理停采线位置确定方法的运用效能。

29、本发明基于数值模拟、理论分析和工程实测数据，降低了单一监测手段确定工作面停采线位置的不确定性，并且避免了仅现场技术人员经验的主观性判断，大大提高了回采工作面停采线位置确定的准确性和优化的合理性。该方法灵活性好，适应范围广，能客观科学地确定出最优停采线位置，并可以根据实际情况进行调整和优化，能有效提高煤炭资源的回收率，同时能确保矿井的安全生产工作。采用该方法，可以在确保矿井安全生产的前提下，尽可能多地回收煤炭资源，实现经济和安全效益的平衡。

技术特征：

1.一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤一中，地层岩石的实际参数包括密度、体积模量、剪切模量、摩擦角和内聚力。

3.根据权利要求1或2所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤二中，利用flac3d数值模拟软件进行三维地质模型的建立。

4.根据权利要求3所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤二中，建立三维地质模型的过程如下：

5.根据权利要求4所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤三中，开拓、准备巷道煤柱区在不同停采线位置下的静载应力分布特征确定过程如下：

6.根据权利要求5所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤四中计算满足采动影响下遗留煤柱保持稳定性所需宽度的过程如下：

7.根据权利要求6所述的一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，其特征在于，在步骤五中，确定盘区大巷煤柱宽度，即将对应的工作面位置确定为最优停采线位置的过程如下：

技术总结
一种开拓、准备巷道煤柱区回采工作面停采线位置确定方法，确定回采工作面，采集煤层顶板上的岩石作为试样，得到实际地质环境下的地层岩石的实际参数；根据回采工作面附近的钻孔柱状图及实验确定的地层岩石参数，通过数值模拟的方式建立三维地质模型；根据工作面初步回采计划开挖三维地质模型并记录不同停采线位置处的应力分布，导出应力云图和应力最大值；基于采动影响的煤柱稳定性理论，确定出满足采动影响下遗留煤柱保持稳定性所需宽度；基于回采工作面不同停采线位置的数值模拟应力分布结果和煤柱稳定性宽度理论计算值，结合回采工作面前期实际来压情况，综合确定出最优停采线位置。该方法能客观科学地确定出最优停采线位置。

技术研发人员：曹安业,李庚,边戈,高红兵,李煜,刘耀琪,彭雨杰,吕国伟,白贤栖,薛成春,郝琪,王崧玮,杨耀
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18