煤柱宽度确定方法与流程

1.本发明涉及煤炭领域，尤其涉及一种煤柱宽度确定方法。


背景技术：

2.煤系地层属于典型的层状岩层，地下煤层开采后会引起一定范围内岩层的移动，如下沉和水平位移。因此，煤矿开采中，如何确定合理的煤柱尺寸极为重要。
3.现有的煤柱宽度测定方法，是通过钻孔取样采集煤岩样，并测出煤岩样的力学参数，进而获得工作面基本顶的初次来压步距，建立数值计算模型，在所建模型边界施加相应约束与载荷，并沿采空区边缘留宽度煤柱，按照沿空巷道设计、模拟开采、计算，直至工作面煤壁所在平面对应煤柱所在位置回采侧破碎区的厚度和回采侧破碎区的厚度复合要求时，得到窄煤柱采空侧破碎区的厚度和回采侧破碎区的厚度。
4.现有技术提供的煤柱宽度测定方法操作较为复杂，且需要按照沿空巷道设计、模拟开采、计算，使得到的煤柱宽度数据准确性不高。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本发明提出一种煤柱宽度确定方法，解决了现有技术中提供的确定煤柱宽度方案操作步骤复杂，准确度不高的技术问题。
6.本发明提出一种煤柱宽度确定方法，包括：
7.确定地下煤矿中水体与煤层的边界与煤层之间的夹角θ；
8.确定水体对煤层底板作用的总水头pw；
9.获取煤层的导水裂隙带的预测高度d以及含水层的渗透率kw；
10.将θ、pw、d、kw带入到煤柱宽度计算公式中计算得到煤柱宽度l：
11.煤柱宽度计算公式为：
12.其中csc()为余割函数，cot()为余切函数。
13.此外，总水头pw的确定方法包括：
14.确定水体与煤层底板之间的高度差h；
15.确定水体流速v；
16.确定水体对煤层底板的压强p，p＝(ρ-μ)v2，其中，ρ为水体密度，μ为煤岩堆密度；
17.根据h、v、p确定pw的计算公式为：
18.其中，g为重力加速度，k为煤岩渗透率。
19.此外，煤岩渗透率k的计算方法包括：
20.获取测试煤样，在测试煤样的中心处开孔并密封孔的上下面；
21.测试煤样放置在恒温的密闭空间内，向密闭空间内施加气体，当监测到孔内的气压值恒定时，获取密闭空间内的气压值以及孔内的气压值；
22.根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率k。
23.此外，多次向密闭空间内施加气体，使密闭空间内的气压值不同，分别获取孔内的气压值恒定时孔内的气压值；
24.不同孔内的气压值对应不同的煤岩渗透率，选择其中最小值作为煤岩渗透率k。
25.此外，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0026][0027]
其中，μ0为施加气体的粘度，r为测试煤样的底面半径，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压值；
[0028]
其中，施加气体的粘度＝施加气体的密度ρ0*施加气体的速度v0*平均自由程。
[0029]
此外，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0030][0031]
μ0为施加气体的粘度，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压值。
[0032]
此外，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0033][0034]
μ0为施加气体的粘度，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压值，t为密闭空间中施加气体的气压值变为任一气压值开始，至监测到与任一气压值对应的孔内的气压值恒定为止之间的时间长度。
[0035]
此外，判断孔内的气压值恒定的方法为：
[0036]
构建直角坐标系；
[0037]
获取孔在直角坐标系横轴方向的应力，得到横向应力；
[0038]
获取测试煤样的中心处在直角坐标系纵轴方向的应力，得到纵向应力；
[0039]
若监测到孔内前后两个气压值的变化δp《min{α,(ε1-ε2)*2*t*ρ0(1-v0)2/2πr1h}，则判定孔内的气压值恒定；
[0040]
其中，ε1为横向应力，ε2为纵向应力，ρ0为施加气体的密度，v0为施加气体的流速，r1为孔的半径，h为测试煤样的高度，α为预先设置的变化阈值，t为密闭空间的温度，δp为当前监测到的气压值减去前一时刻监测到的气压值。
[0041]
此外，含水层的渗透率其中，k为煤岩渗透率，h为水体与煤层底板之间的高度差。
[0042]
此外，含水层渗透率
[0043]
其中，k为煤岩渗透率，h为水体与煤层底板之间的高度差，h1为含水层的水位。
[0044]
此外，当隔水层厚度不大于导水裂隙带的预测高度时，煤柱宽度的计算方法为：
[0045][0046]
其中，h1为含水层的水位，h2为隔水层厚度，h为水体与煤层底板之间的高度差。
[0047]
本发明解决了现有技术中提供的确定煤柱宽度方案操作步骤复杂，准确度不高的技术问题。本发明提供的煤柱宽度确定方法，根据水体边界与煤层之间的夹角、水体对煤层底板的总水头、导水裂隙带的预测高度、含水层的渗透率确定煤柱宽度，实现了煤柱宽度的准确确定，能够根据水体情况动态的确定煤柱宽度，达到保护水体的目的。
附图说明
[0048]
图1为本发明一个实施例提供的煤柱宽度确定方法的流程图；
[0049]
图2为本发明一个实施例提供的煤柱宽度确定方法中构建的直角坐标系的示意图；
[0050]
图3为本发明一个实施例提供的煤岩渗透率的计算方法的流程图；
[0051]
图4为本发明一个实施例提供的判断孔内的气压值恒定的方法的流程图。
具体实施方式
[0052]
以下结合具体实施方案和附图对本发明进行进一步的详细描述。其只意在详细阐述本发明的具体实施方案，并不对本发明产生任何限制，本发明的保护范围以权利要求书为准。
[0053]
参照图1，本发明提出一种煤柱宽度确定方法，包括：
[0054]
步骤s001，确定地下煤矿中水体与煤层的边界与煤层之间的夹角θ；
[0055]
步骤s002，确定水体对煤层底板作用的总水头pw；
[0056]
步骤s003，获取煤层的导水裂隙带的预测高度d以及含水层的渗透率kw；
[0057]
步骤s004，将θ、pw、d、kw带入到煤柱宽度计算公式中计算得到煤柱宽度l：
[0058]
煤柱宽度计算公式为：
[0059]
其中csc()为余割函数，cot()为余切函数。
[0060]
步骤s001中的地下煤矿中水体与煤层的边界与煤层之间的夹角θ，通过测量得到；
[0061]
步骤s002中的水体对煤层底板作用的总水头pw通过计算获取。
[0062]
例如：总水头pw的确定方法包括：
[0063]
确定水体与煤层底板之间的高度差h；
[0064]
确定水体流速v；
[0065]
确定水体对煤层底板的压强p，p＝(ρ-μ)v2，其中，ρ为水体密度，μ为煤岩堆密度，即单位体积(包括煤粒间的空隙，也包括煤粒内的空隙)煤的质量。
[0066]
根据h、v、p确定pw的计算公式为：
[0067]
其中，g为重力加速度，k为煤岩渗透率。
[0068]
h、v、ρ、μ四个参数的确定方案均采用现有方案。
[0069]
步骤s003中，煤层的导水裂隙带的预测高度d通过现有方案获取，含水层的渗透率kw
通过计算获取。
[0070]
步骤s004中，将θ、pw、d、kw带入到煤柱宽度计算公式中计算得到煤柱宽度l。
[0071]
本发明解决了现有技术中提供的确定煤柱宽度方案操作步骤复杂，准确度不高的技术问题。本发明提供的煤柱宽度确定方法，根据水体边界与煤层之间的夹角、水体对煤层底板的总水头、导水裂隙带的预测高度、含水层的渗透率确定煤柱宽度，实现了煤柱宽度的准确确定，能够根据水体情况动态的确定煤柱宽度，达到保护水体的目的。
[0072]
在其中的一个实施例中，总水头pw的确定方法包括：
[0073]
确定水体与煤层底板之间的高度差h；
[0074]
确定水体流速v；
[0075]
确定水体对煤层底板的压强p，p＝(ρ-μ)v2，其中，ρ为水体密度，μ为煤岩堆密度；
[0076]
根据h、v、p确定pw的计算公式为：
[0077]
其中，g为重力加速度，k为煤岩渗透率。
[0078]
参照图3，在其中的一个实施例中，煤岩渗透率k的计算方法包括：
[0079]
步骤s301，获取测试煤样，在测试煤样的中心处开孔并密封孔的上下面；
[0080]
步骤s302，测试煤样放置在恒温的密闭空间内，向密闭空间内施加气体，当监测到孔内的气压值恒定时，获取密闭空间内的气压值以及孔内的气压值；
[0081]
步骤s303，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率k。
[0082]
在步骤s301中，获取部分煤岩作为测试煤样，可选地，获取的测试煤样为圆柱形。圆柱的高度即测试煤样的高度，记为h3，圆柱的底面半径即测试煤样的底面半径，记为r。
[0083]
在步骤s302中，在测试煤样的中心处开设孔并密封孔的上下面。
[0084]
例如，在测试煤样的中心处开设一个半径为r1的孔，孔高度也为h3，该孔用于渗出气体，孔的上下面用薄膜进行密封。
[0085]
另外，将气压监测装置连接至孔。具体的，可以将气压监测装置放入孔内，也可以通过中空管道将孔与气压监测装置，孔中的气体通过中空管道传至气压监测装置，进而气压监测装置对传过来的气体的气压值进行测量。
[0086]
在步骤s303中，向测试煤样施加气体，并监测孔内的气压值。此处孔内的气压值通过气压监测装置进行监测。本步骤可以通过如下过程实现：
[0087]
1)将测试煤样放置在恒温的密闭空间中。可选地，恒定温度(t)为30摄氏度或20摄氏度。
[0088]
2)向密闭空间中施加气体，并调整气体的气压值。此处的气体可以为氦气，或者其他气体，本实施例不对施加的气体进行具体限定。
[0089]
3)针对施加气体的每一个气压值，通过气压监测装置监测孔内的气压值变化，并在孔内的气压值恒定时，对应记录此时孔内的气压值和密闭空间内的气压值。
[0090]
可选地，在测试煤样的中心处开设的孔为圆孔，测试煤样为圆柱体。
[0091]
通过测定两个气压值，为后续计算做准备。
[0092]
在其中的一个实施例中，多次向密闭空间内施加气体，使密闭空间内的气压值不同，分别获取孔内的气压值恒定时孔内的气压值；
[0093]
不同孔内的气压值对应不同的煤岩渗透率，选择其中最小值作为煤岩渗透率k。
[0094]
将测试煤样放置在恒温的密闭空间后，向密闭空间中施加气体(此气体的气压值如)，此时通过气压监测装置监测孔内的气压值变化，如果监测到当前的气压值恒定(如)，那么将此时孔内的气压值(如)作为与施加气体当前气压值对应的孔内的与气压值。然后，将密闭空间中施加的气体的气压值调整为调整后再次通过气压监测装置监测孔内的气压值变化，如果监测到当前的气压值恒定(如)，那么将此时孔内的气压值(如)作为与施加气体当前气压值对应的孔内的气压值。以此类推，直至密闭空间中施加气体的所有的气压值均得到对应的孔内的与气压值为止。
[0095]
此处密闭空间中施加气体调整几次气压值，调整至何种气压值，均为预先设定的，本实施例不做要求。
[0096]
由于得到的多个孔内的气压值中每一个孔内的气压值与一个施加气体的气压值相对应，因此，基于每组施加气体的气压值与相应的孔内的气压值确定煤岩渗透率。也就是，根据施加气体的各气压值，以及与各气压值对应的孔内的气压值，确定与各气压值对应的煤岩渗透率，得到在不同气压值下的煤岩渗透率。
[0097]
最后，在得到的不同气压值下的煤岩渗透率中，选择最小的煤岩渗透率作为煤岩渗透率k。
[0098]
通过多次测试，得到最优最准确的煤岩渗透率。
[0099]
煤岩渗透率的计算公式都多个，可以采取其中一种计算。
[0100]
在其中的一个实施例中，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0101][0102]
其中，μ0为施加气体的粘度，r为测试煤样的底面半径，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压值；
[0103]
其中，施加气体的粘度＝施加气体的密度ρ0*施加气体的速度v0*平均自由程。
[0104]
在其中的一个实施例中，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0105][0106]
μ0为施加气体的粘度，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压值。
[0107]
在其中的一个实施例中，根据密闭空间内的气压值以及孔内的气压值确定煤岩渗透率包括：
[0108][0109]
μ0为施加气体的粘度，p2为施加气体的任一气压值，p1为与p2对应的孔内的气压
值，t为密闭空间中施加气体的气压值变为任一气压值开始，至监测到与任一气压值对应的孔内的气压值恒定为止之间的时间长度。
[0110]
如t＝监测到当前的气压值恒定至的时间-将密闭空间中施加的气体的气压值调整为的时间。
[0111]
参照图4，在其中的一个实施例中，判断孔内的气压值恒定的方法为：
[0112]
步骤s401，构建直角坐标系；如图2所示。
[0113]
步骤s402，获取孔在直角坐标系横轴方向的应力，得到横向应力；
[0114]
步骤s403，获取测试煤样的中心处在直角坐标系纵轴方向的应力，得到纵向应力；
[0115]
步骤s404，若监测到孔内前后两个气压值的变化δp《min{α,(ε1-ε2)*2*t*ρ0(1-v0)2/2πr1h}，则判定孔内的气压值恒定；
[0116]
其中，ε1为横向应力，ε2为纵向应力，ρ0为施加气体的密度，v0为施加气体的流速，r1为孔的半径，h为测试煤样的高度，α为预先设置的变化阈值，t为密闭空间的温度，δp为当前监测到的气压值减去前一时刻监测到的气压值。
[0117]
步骤s401中，构建直角坐标系。该直角坐标系的圆点为圆柱形测试煤样的底面中心点，直角坐标系的横轴为圆柱形测试煤样的底面任一半径的延伸，直角坐标系的纵轴为圆柱形测试煤样的高的延伸。如图2所示，o为圆点，x轴为横轴，y轴为纵轴。
[0118]
步骤s402中，获取孔内在直角坐标系横轴方向的应力，得到横向应力。步骤s403中，获取测试煤样的中心处在直角坐标系纵轴方向的应力，得到纵向应力。
[0119]
具体实现时，可以在孔内加入应力传感器(如横向应变片，纵向应变片)得到横向应力和纵向应力。
[0120]
步骤s404中，若监测到前后两个气压值的变化δp《min{α,(ε1-ε2)*2*t*ρ0(1-v0)2/2πr1h}，则确定孔内的气压值恒定。
[0121]
其中，ε1为横向应力，ε2为纵向应力，ρ0为施加气体的密度，v0为施加气体的流速，r1为孔的半径，h为测试煤样的高度，α为预先设置的变化阈值，t为密闭空间的温度，如30摄氏度。
[0122]
ρ0、v0可以通过测量得到，测量方案为现有方案，此处不做限定。
[0123]
δp为气压监测装置当前监测到的气压值-前一时刻气压监测装置当前监测到的气压值。
[0124]
其中，前一时刻可以为前一秒钟，也可以为前一分钟，隔多久进行一次间隔是预先设定的，本实施例不做限定。
[0125]
α可以根据经验值设定的，也可以根据大数据分析得到的，本实施例不对α的确定方式以及具体的值进行限定。
[0126]
本步骤并非固定一个气压值恒定的判断标准，是根据煤岩情况不同，动态的得到气压值恒定的标准，成立气压值恒定的前后两个气压值变化与当横向应力与纵向应力差距，加气体的密度，施加气体的流速成正比，与测试煤样的高度，孔的半径成反比。
[0127]
以施加气体的密度为例，密度越大，前后两个气压值的变化相对大一点也会判定为气压值恒定，密度越小，前后两个气压值的变化要小一点也会判定为气压值恒定。
[0128]
通过动态的气压值恒定判断，可以根据当前施加气体情况以及测试煤样进行精确
判断。
[0129]
计算含水层的渗透率的方法有多种，可以采取如下任意一种。
[0130]
在其中的一个实施例中，含水层的渗透率其中，k为煤岩渗透率，h为水体与煤层底板之间的高度差。
[0131]
在其中的一个实施例中，含水层渗透率
[0132]
其中，k为煤岩渗透率，h为水体与煤层底板之间的高度差，h1为含水层的水位。
[0133]
在其中的一个实施例中，当隔水层厚度不大于导水裂隙带的预测高度时，煤柱宽度的计算方法为：
[0134][0135]
其中，h1为含水层的水位，h2为隔水层厚度，h为水体与煤层底板之间的高度差。
[0136]
其中，h1为含水层的水位，h2为隔水层厚度，h为水体与煤层底板之间的高度差。csc()为余割函数，cscθ是θ的斜边和对边的比。max{}为取最大值方案。
[0137]
具体实现时，可以任选一种煤柱宽度计算方案，也可以当隔水层厚度大于导水裂隙带的预测高度时，选择方案，当隔水层厚度不大于导水裂隙带的预测高度时，选择预测高度时，选择方案。
[0138]
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。