[发明专利]一种巨厚岩层赋存条件煤矿的开采设计方法

说明书

本发明提供一种巨厚岩层赋存条件煤矿的开采设计方法，涉及煤矿开采技术领域，包括步骤一：A、基于巨厚岩层破断理论计算极限采出条带宽度；B、基于巨厚岩层挠曲与地面变形计算极限采出条带宽度；对比步骤A和步骤B中所计算出的极限采空宽度a的值并取两者的最小值作为采空宽度a的最大值；步骤二：划分煤柱所承受的载荷来源与静态应力大小，并分析煤柱保持静态稳定性的基本条件，以此计算出煤柱的最小宽度b，煤柱为孤岛煤柱。本发明提供的开采设计方法能实现控制矿震发生和减小地面变形的目的，能够对结构变形型灾害起到遏制的作用，实现控制煤柱冲击破坏和保证煤柱均匀变形和长期稳定的目的，能够对结构失稳型灾害起到杜绝或缓解的作用。

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别是涉及一种巨厚岩层赋存条件煤矿的开采设计方法。

背景技术

煤系地层赋存巨厚岩层是一类较为典型的矿井(区)开采地质条件。据不完全统计，这些矿井(区)上覆的巨厚硬岩层单层厚度通常超过30～50m，甚至能够达到了上百米。我国多个矿井(区)具有巨厚岩层赋存：新汶矿区巨厚砾岩、义马矿区巨厚砾岩、兖州矿区巨厚火成岩和焦坪煤矿巨厚砾岩等。一方面，巨厚岩层本身具有强度高、厚度大、影响范围广、节理裂隙不发育以及与煤层距离大等基本特征，是采场覆岩的主关键层(结构)，其破断运动及其控制的覆岩空间结构失稳是诱发矿震、冲击地压和煤与瓦斯突出等井下动力灾害的主要原因，除此之外，巨厚岩层破断引起地面震动损害的案例和相关研究也慢慢被报道，并逐渐由采矿安全问题演化成公共安全问题，巨厚岩层成为影响井下冲击地压和地面震动损害这两类灾害发生的主要“不利”因素。但是，另一方面，通过调整井下开采范围，能够将采空区上方悬露的巨厚岩层悬露尺寸控制在其破断运动范围之内，此时巨厚岩层能够在其自身强度和底部支承煤岩体共同作用下，形成“巨厚岩层-煤(岩)柱(体)”稳定的空间结构，控制覆岩运动和地面安全，因此从这方面考虑，巨厚岩层能够控制或减缓岩层运动、地面沉降和地面震动损害的发生，可以作为地面建筑物保护的“有利”条件。采场上覆巨厚岩层是诱发和控制灾害的矛盾统一体，如何最大限度地保护地面建筑物免受开采损害，尽可能多的多采出地下资源，形成普遍、适用的设计方法，具有重要的科学应用价值，如何设计和形成“巨厚岩层-煤(岩)柱(体)”结构成为关键。

钱鸣高院士等提出了“资源与环境协调(绿色)开采”的学术观点及其技术框架，主张和呼吁开采过程中最大程度减小对地面建筑物等的破坏，在当前“碳中和”大环境下，地面保护开采理念和方法尤为重要。针对冲击性煤层和巨厚岩层的采场条件，以地面建筑保护和井下冲击地压防控为出发点，需要解决的关键问题：(1)控制巨厚岩层及其覆岩运动，减小地面沉降变形和杜绝强矿震对地面产生的损害；(2)确定巨厚岩层底部支承煤岩体的稳定性，避免其发生变形和冲击失稳造成结构性破坏，从而实现地面和井下双重安全。

当前，厚硬岩层及其覆岩空间运动方面的相关性研究：以弹性厚板理论和薄板理论为基础，建立了高位厚硬岩层破断力学模型，为预测巨厚岩层破断失稳提供了基础；采用数值模拟、相似材料试验和现场试验等手段，分析了巨厚岩层运动与采场应力演化和动力灾害发生的关系，相关的研究结果对井下灾害防治具有指导意义。

当前，开采引起地面建(构)筑物损害防控方面的相关性研究：比较常用的方法主要有条带开采，其原理和方法主要依据于开采岩层移动或地面沉降规律，但在巨厚岩层采场条件下具有一定的不足：条带开采设计如果未考虑巨厚岩层可能形成“巨厚岩层-煤柱”结构的变形和稳定性，当采出条带过宽或者留设条带过窄时，仍可能造成巨厚岩层运动，造成地面损害或者煤柱冲击失稳，反之灾害控制效果好，但时容易造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种巨厚岩层赋存条件煤矿的开采设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现控制矿震发生和减小地面变形的目的，能够对结构变形型灾害起到遏制的作用，实现控制煤柱冲击破坏和保证煤柱均匀变形和长期稳定的目的，能够对结构失稳型灾害起到杜绝或缓解的作用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种巨厚岩层赋存条件煤矿的开采设计方法，包括：