山东科技大学工程硕士学位论文 提高上限开采方案及参数确定和安全煤柱的留设
外，基本上没有发生大的问题，但往往出现绕流。因此，留设防水煤（岩）柱，首先应从理论上进行分析计算，防止应力超限引起屈服破坏、顶底面光滑引起剪切滑移破坏；其次要按导水裂缝带发展规律、断层及煤（岩）层产状的几何关系计算其宽度；最后要利用有关地质资料，分析煤柱顶、底导水裂缝带和底板破坏带内有关含水层的渗透系数和煤（岩）柱本身的渗透系数，计算一定水压下的绕流水量，并判断水流超限破坏的概率，关于这方面的工作尚待进一步深入。 3.2.2防水煤柱的计算
根据《建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第51条，引文如下：“第51条”符合下列条件之一者，水体的压煤允许开采：
1）水体与设计开采界限（煤层）之间的最小距离，符合第50条表4中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤（岩）柱尺寸。
2）水体与设计开采界限（煤层）之间的最小距离，略小于第50条表4中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤（岩）柱尺寸，本矿井又有类似条件的近水体采煤成功经验和可靠数据的。”
根据《煤矿防治水规定》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第50条表4，鲍店煤矿5303-2工作面目前情况采动等级介于Ⅰ~Ⅱ级之间，为安全起见采动等级选为Ⅰ级，留设顶板安全防水煤岩柱。
5303-2工作面开采时，4m采高时，导水裂隙带最小计算高度为37.32m；7.3m采高时，导水裂隙带最小计算高度为38.8m；10.5m采高时，导水裂隙带最小计算高度为41.39m。
1）4m采高防水煤岩柱尺寸确定
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，“松散层底部黏土层厚度大于累计采厚”的情况，需留设2A的保护层厚度，其中：
M?A?
n已知累计采高为ΣM =4m，计算保护层厚度为：
Hb1M4??2A?2??2??8m
1n11 26
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已知导水裂缝带高度H裂1=37.96m，则防水煤岩柱尺寸为：
H水1?H裂1?Hb1?37.32?8?45.72m
2）7.3m采高防水煤岩柱尺寸确定
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，“松散层底部黏土层厚度大于累计采厚”的情况，需留设2A的保护层厚度，其中
已知累计采厚ΣM =7.3m，保护层厚度为：
Hb2?2A2M??2?n2?2?7.3?14.6m 1已知导水裂缝带高度H裂2=38.8m，则防水煤岩柱尺寸为：
H水2?H裂2?Hb2?38.8?14.6?53.4m
3）10m采高防水煤岩柱尺寸确定：
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，“松散层底部黏土层厚度大于累计采厚”的情况，需留设2A的保护层厚度，其中
已知累计采厚ΣM =10.5m，保护层厚度为：
Hb3?2A3?2??Mn3?2?10.5?21m 1已知导水裂缝带高度H裂3=41.39m，则防水煤岩柱尺寸为：
H水3?H裂3?Hb3?41.39?21?62.39m
根据以上分析计算，确定防水煤岩柱留设尺寸分别为46m，54m，63m。而数值模拟塑性区的发育高度为29.3m，36.6m，39.24m，均小于防水煤岩柱的尺寸，因此，所采取的方案是合理的，不需要留防水煤层。
3.3断层保护煤柱的确定
大量采矿工程实践和理论研究成果揭示，断层煤柱、陷落柱煤柱的留设、尺寸选择，必须掌握两条基本原则：
（1）煤柱尺寸必须能抵御断层高压水；
（2）煤柱尺寸的选择，必须保证开采不会导致断层活动。
从安全角度讲，在带压开采条件下，尤其是高水压开采条件下，凡性态不清楚的断层，选择煤柱尺寸，都必须按导水断层对待。
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含水或导水断层防隔水煤柱的留设可按下述公式计算： 依据煤体抗拉强度确定的计算公式：
W?0.5KM3P/?1?20 （3.9）
其中，W——为防水煤柱的宽度(m)； K——为安全系数，一般取2一5倍； M——煤厚或采高；
?1——为断层附近煤层的抗拉强度(MPa)； P——维奥陶系灰岩含水层的静水压力(MPa)。 具体计算过程，结果及验算情况如下：
（1）按照断层防水煤柱的留设公式计算，于P按断层附近煤层的最低标高与该断层对盘奥灰含水层的静止水位之差来计算。
P??水gh
取K=5，M=gm，?1=5Mpa，则：
W?0.5KM3P/?1
将V-F74、V-F211及V-F212三条断层参数带入得W1=31.9m，W2=63.8m，W3=91.2m （2）依据突水系数确定的计算公式：
T?P/(H?M0) （3.10）
其中，T——突水系数值，按淄博、焦作、峰峰、井径四个矿区的经验值，安全状态下该值应小于0.60；
P——为临界水压值(MPa)； H——为底板隔水层实际厚度(m)；
Mo——为采矿影响底板隔水层的深度(m)，一般取8-12米，在此，取10米。 由T?P/(H?M0)可以推出：
H?P/T?M0=11.5+10=21.5 （3.11）
由上式可得，要保证突水系数小于0.60，必须保证断层防水煤柱的边界到段层面的垂直距离大于21.5m，防水煤柱的宽度为：
W?H/sin?*cos? （3.12）
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可得*W1=23.4，*W2=32.1，*W3=23.9
根据以上计算结果可以得出，V-F74、V-F211及V-F212三条断层的保护煤柱宽度分别为W1=31.9m，W2=63.8m，W3=91.2m，均小于原煤柱宽度。
3.4本章小结
（1）本章通过现场数据结合经验公式的计算和数值模拟分析，对开采后上覆岩层垂直应力的分布、塑性区的发育情况、两带高度通过数值模拟和公式计算进行了深入研究，并通过结果比较，确立了合理的提高煤层开采上限的方案。其中三个开采区域的开采上限分别为4m，7.3m，10.5m。
（2）结合断层赋存情况，通过合理的公式计算，减少了断层保护煤柱的宽度，防水煤柱的高度，进一步的提高了煤炭开采率，提高了煤矿经济效益。其中：V-F74、V-F211及V-F212三条断层的保护煤柱宽度分别为W1=31.9m，W2=63.8m，W3=91.2m；防水煤岩柱留设尺寸分别为46m，54m，63m。
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山东科技大学工程硕士学位论文 工作面安全技术与应急措施
4 工作面安全技术及应急措施
4.1 工作面过断层、煤层破碎区安全技术措施
工作面总体为北高南低，西高东低。切眼靠近一个次级宽缓背斜轴部，工作面内发育一次级宽缓向斜；工作面南部断层不发育，北部断层较发育，5303-2工作面掘进期间共揭露V-F74、V-F211及V-F212三条断层，详见表4.1。
表4.1断层特征表
Table 4.1 fault characteristic table
断层名称 V-F74 V -F211 V -F212
走向（°） 20～44 40 62
倾向（°） 110～134 130 332
倾角（°） 60～80 51 24
性 质 正 逆 逆
落 差（m） 4.0～5.5 1.2 2.1
回采过程中有可能揭露其它工作面内隐伏断层，给顶板管理带来较大困难，对工作面回采影响较大，必须提前编制专项过断层安全技术措施。回采过程中并遵循以下安全技术措施：
当工作面架前出现片帮时，应按以下方法进行处理： （1）片帮深度不大于1.2m，支架工拉移超前支架。
（2）片帮深度超过1.2m，班长必须安排支架工在面前支设临时单体支柱，拴绳防倒。临时单体支柱支设位置必须保证煤机一刀进尺以上宽度，以便采煤机通过。
（3）单体支柱支设前，运输机及煤机必须停机闭锁，施工人员应站在安全地点用长把专用工具找掉悬顶危帮，在确定无掉顶、片帮危险后，方可作业。
（4）当多个架前出现片帮时，应从片帮的一端向另一端依次支设单体支柱。 架前支设工字钢（或π型钢）棚要遵守下列规定： （1）棚梁必须背顶严实，柱爪必须卡住棚梁。
（2）支柱升紧后，必须拴绳防倒或绑夹板防倒。支架上方因为掉顶而出现超高时，班长必须安排人员装顶。当采高较低时，支架工可使用单体支柱辅助移架。
（3）作业人员应认真观察煤帮和架间顶板，用专用工具找掉架间悬吊的破碎煤块和矸石，防止架间漏矸、漏煤块伤人。
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