[发明专利]边角煤短壁连采巷道布置与煤柱留设方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿巷道布置和煤柱留设技术，具体是一种针对三种典型的覆岩结构即薄基岩(≤20m)、中厚基岩(20～40m)和厚基岩(≥40m)，提出的边角煤短壁连采技术的三种巷道布置和煤柱留设方法。

背景技术

近几十年来，煤炭资源产量攀升的同时，遗留了大量的边角煤，随着节约型社会的要求以及煤炭资源的日益减少，边角煤的回收利用显得尤其重要。在内蒙、新疆等地，由于大型机械化设备的应用，工作面尺寸逐年加大，边角煤已不适合采用当下的长壁开采技术，由此以短壁连采方法为主的边角煤回收技术日渐兴起。

边角煤短壁连采技术是将某一边角煤看做一个区段，在区段内开掘运输顺槽和辅运顺槽，垂直于这两条巷道掘进多条支巷，每一组支巷组成一个块段，一个区段由多个块段组成，块段内再通过多条联络巷把块段切割成多个切块，从支巷(还包括联巷)向切块进刀回采，支巷两侧煤柱回采完后，在平巷两侧进刀回采平巷两侧的煤柱。采用4台线性支架控制回采设备附近的顶板。块段内的回采顺序为先采区段边界处的第一个切块，然后沿着支巷向区段平巷依次回采相邻的块段，直到支巷口。然后，沿着平巷方向后退式回采支巷口煤柱和平巷煤柱。

边角煤短壁连采技术相对于长壁开采技术而言，在设备、技术工艺方面大不相同，在现实使用中面临以下几个技术难题，一是工作面无支架支护，直接面对采空区顶板，顶板冒落坍塌事故增加。二是采空区悬顶面积大，基本顶及关键层一旦破断运动，对工作面直接产生动压冲击，产生冲击矿压、飓风等动力灾害。三是巷道布置系统复杂，生产系统杂乱，尤其是通风系统。四是留设大量的顶板支撑煤柱，在浪费资源的同时，增加了顶板大面积运动及煤层自然发火的危险性。

发明内容

本发明的目的在于针对三种典型的覆岩结构即薄基岩、中厚基岩和厚基岩，提出了边角煤短壁连采技术的三种巷道布置和煤柱留设方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

边角煤短壁连采巷道布置与煤柱留设方法，

①在煤层自燃发火期短，需要及时封闭采空区，煤层赋存条件为厚基岩薄松散层或厚基岩厚松散层中，采用块段宽煤柱布置方法，该方法步骤如下：

步骤1：各个块段间留设宽的隔离煤柱，煤柱宽度B₁的范围为10～15m,其中B₁的具体数值由公式(1)计算得出，煤柱能够支撑住上覆岩层，并长期保持稳定，同时能够有效隔离上一块段采空区；

步骤2：根据关键层的初次垮落步距确定第一块段长度L₁及支巷数目，其中L₁的具体数值由公式(2)计算得出，其后各个块段长度同第一块段长度L₁相同；

步骤3：每个块段回采完毕后，及时在运煤平巷和辅运平巷施工密闭，隔离采空区；

其中煤柱宽度B₁的计算公式为：

式(1)中，D为采空区宽度，单位是m；δ为上覆岩层垮落角；R_c为煤块单轴抗压强度，单位是MPa；h为煤柱高度,单位是m；γ为岩层的平均容重，单位是kN/m³；H为煤柱埋深,单位是m；

第一块段长度L₁的计算公式为：

式(2)中，b为边角煤宽度，单位是m；l_m为岩层的步距准数，其中h为岩层厚度，单位为m；σ_t为岩层抗拉强度，单位为MPa；q为岩层上覆载荷，单位为kN；ν为岩层的泊松比；m为煤柱高度,单位是m；A为侧压系数；c₀分别为煤体与顶底板岩层交界面的内摩擦角与粘聚力；λ₁为宽煤柱应力集中系数；γ为岩层的平均容重，单位是kN/m³；H为煤柱埋深，单位是m；P_x为支架对巷帮的支护阻力，单位为kN，采空区一侧时取零；

②在煤层不易自燃，中厚基岩中厚松散层中，采用块段窄煤柱布置方法，该方法步骤如下：

步骤1：各个块段之间留设窄小煤柱，第一块段窄煤柱宽度B₂的范围为5～10m，B₂的具体数值由公式(3)计算得出，窄小煤柱在一侧的块段回采时保持稳定，同时隔离采空区，在其另一侧的块段回采完毕后，煤柱失稳、破坏，关键层破断运动；