本發(fā)明涉及煤礦礦山壓力，尤其涉及一種長壁采煤工作面的孤島屬性判定方法。

背景技術(shù)：

1、我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，煤層賦存條件復雜多樣。我國采煤工藝主要為長壁后退式采煤，使礦井或者采區(qū)在生命末期不可避免地進行殘余煤柱回收，進而形成孤島工作面。此外，由于一些煤礦出于緩解采掘接替緊張、減少地表沉陷以及防治煤層自燃和瓦斯災害的需要，或者為滿足特殊采煤工藝的要求，采區(qū)工作面之間采用“跳采”方式接續(xù)，從而不可避免地導致孤島工作面的形成。與普通工作面相比，孤島工作面具有較高的支承壓力，其支承壓力的應力集中程度隨工作面開采動態(tài)變化，強礦山壓力顯現(xiàn)時常造成工作面回采巷道維護困難，誘發(fā)煤壁片幫和頂板事故，嚴重時甚至發(fā)生沖擊地壓。除此之外，孤島工作面的水、火、瓦斯等威脅相較一般工作面也更為突出。

2、孤島工作面由于其特殊的地理位置和應力環(huán)境，往往面臨著更高的開采風險，鑒于開采孤島工作面會對煤礦安全造成的潛在威脅，在進行煤礦開采孤島工作面時需要采取特殊的防護措施。然而由于我國煤礦眾多，地質(zhì)條件復雜多樣，工作面形狀和賦存狀態(tài)不一，存在很多異形工作面和異形煤柱，且工作面的煤柱寬度沒有定量的尺寸標準，導致現(xiàn)有的典型孤島工作面判定法則的適用性存在爭論。此外，由于工程實踐中常常會遇到一個工作面的一側(cè)與其他工作面的采空區(qū)之間相隔一段煤柱，對于工作面該側(cè)是否為采空區(qū)尚無有效的判定方法。而如何準確地判定一個工作面的孤島屬性，即如何判定一個工作面是否為孤島工作面，是準確采取相應技術(shù)措施的重要前提和實施相關煤礦安全監(jiān)管政策的抓手。傳統(tǒng)孤島工作面判定方法只能針對典型工作面布置情況，對非典型工作面布置情況目前尚無方法判定。因此，亟需制定一種非典型孤島工作面情形的長壁采煤工作面的孤島屬性判定方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種長壁采煤工作面的孤島屬性判定方法，旨在實現(xiàn)異形工作面和異形煤柱情形下的非典型孤島工作面的判定，為準確采取相應的防治技術(shù)措施提供技術(shù)支撐。

2、本發(fā)明提出的一種長壁采煤工作面的孤島屬性判定方法，該方法包括如下步驟：

3、步驟s1：獲取長壁采煤工作面的采掘工程平面圖，并選定待分析的長壁采煤工作面；

4、步驟s2：采集待分析的長壁采煤工作面的開采信息，并根據(jù)該開采信息和該長壁采煤工作面的采掘工程平面圖繪制該長壁采煤工作面的工作面布置圖；

5、步驟s3：根據(jù)長壁采煤工作面的工作面布置圖，判斷該長壁采煤工作面的工作面布置情況為典型工作面布置或非典型工作面布置；

6、步驟s4：將非典型工作面布置的長壁采煤工作面典型化，得到該長壁采煤工作面的等效典型工作面布置；

7、步驟s5：基于典型工作面布置的長壁采煤工作面和非典型工作面布置的長壁采煤工作面的等效典型工作面來對該長壁采煤工作面進行工作面的孤島屬性判定，得到該長壁采煤工作面的孤島屬性判定結(jié)果；

8、所述長壁采煤工作面的四個邊界分別為：工作面膠帶運輸巷、工作面回風巷、長壁采煤工作面的開切眼和工作面停采線；

9、步驟s2中所述開采信息包括：長壁采煤工作面的構(gòu)造、形狀、范圍和尺寸參數(shù)，以及與長壁采煤工作面相鄰的煤柱的位置及范圍；

10、步驟3中所述工作面布置情況的判斷方法為：對于任意長壁采煤工作面，根據(jù)該長壁采煤工作面的開采信息判斷該長壁采煤工作面是否同時滿足以下三個條件，包括：

11、條件1：長壁采煤工作面為矩形工作面；

12、條件2：長壁采煤工作面與除該長壁采煤工作面之外的其他實體煤區(qū)之間不存在分界斷層；

13、條件3：在長壁采煤工作面的四個邊界側(cè)存在可明顯識別的采空區(qū)和實體煤區(qū)；

14、若滿足，則該長壁采煤工作面為典型工作面；若不滿足，則該長壁采煤工作面為非典型工作面；

15、所述可明顯識別的采空區(qū)和實體煤區(qū)指的是：對于與長壁采煤工作面任意邊界側(cè)相鄰的煤柱，若該煤柱為0m-30m寬的窄小長條煤柱，則長壁采煤工作面在該側(cè)存在明顯識別的采空區(qū)；若該煤柱的最小寬度大于等于該長壁采煤工作面的傾向長度b，則長壁采煤工作面在該側(cè)存在可明顯識別的實體煤區(qū)；

16、步驟4中所述典型化的過程包括：

17、步驟a1：判斷長壁采煤工作面是否為異形工作面，若否，則不對該長壁采煤工作面進行等效；若是，則將該長壁采煤工作面等效為長壁采煤工作面的開切眼后方為采空區(qū)的矩形工作面；

18、所述異形工作面是指工作面為三角形的工作面或工作面為梯形的工作面；

19、步驟a2：判斷長壁采煤工作面是否含有分界斷層，若否，則不對該長壁采煤工作面進行等效；若是，則將該長壁采煤工作面中分界斷層所在側(cè)等效為采空區(qū)；

20、其中長壁采煤工作面含有分界斷層的情況包括：長壁采煤工作面中的某一邊界側(cè)為分界斷層、長壁采煤工作面的開切眼處存在分界斷層或長壁采煤的工作面停采線一側(cè)存在分界斷層；

21、步驟a3：判斷長壁采煤工作面是否存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)，若是則不對該長壁采煤工作面進行等效，若否則對該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)的煤柱進行工作面煤柱尺寸效應分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定該長壁采煤工作面該側(cè)為實體煤區(qū)還是采空區(qū)；

22、所述工作面煤柱尺寸效應分析的方法包括：微震分析法、支承應力分析法、工程類比法、物理模擬法或數(shù)值模擬法；

23、對于不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的長壁采煤工作面，根據(jù)該長壁采煤工作面所在礦井的礦井條件從上述方法中選擇一種方法來對長壁采煤工作面不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)進行工作面煤柱尺寸效應分析，具體過程如下：

24、如果該長壁采煤工作面所在礦井中布設有微震監(jiān)測系統(tǒng)，則選擇微震分析法來對長壁采煤工作面不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)進行工作面煤柱尺寸效應分析，分析過程為：對于該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的任意一側(cè)，統(tǒng)計該側(cè)煤柱在某一特定時間內(nèi)產(chǎn)生的能量e和該側(cè)發(fā)生微震事件的頻次及分布，如果該側(cè)發(fā)生能量e≥104j的微震事件的頻次占該長壁采煤工作面范圍內(nèi)及與該長壁采煤工作面相鄰的煤柱或采空區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生的微震事件頻次的比例小于5％，則該側(cè)為實體煤區(qū)，否則該側(cè)為采空區(qū)；

25、如果該長壁采煤工作面裝有應力計，則選擇支承應力分析法來對長壁采煤工作面不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)進行工作面煤柱尺寸效應分析，分析過程為：根據(jù)極限平衡理論計算長壁采煤工作面?zhèn)认蛎后w塑性區(qū)的寬度，對于該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的任意一側(cè)，如果該側(cè)煤柱的最小寬度大于兩個塑性區(qū)寬度之和，則該側(cè)為實體煤區(qū)，否則該側(cè)為采空區(qū)；

26、如果存在與該長壁采煤工作面開采條件類似的開采工作面，則選擇工程類比法來對長壁采煤工作面不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)進行工作面煤柱尺寸效應分析，分析過程為：將與該長壁采煤工作面開采條件類似的開采工作面作為類比工作面，獲取類比工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，并根據(jù)類比工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍確定該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，對于該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的任意一側(cè)，如果該側(cè)煤柱的最小寬度大于該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，則該側(cè)為實體煤區(qū)，否則該側(cè)為采空區(qū)；

27、所述開采條件類似指的是：開采同一煤層、煤層厚度和煤層傾角一致、以及采煤系統(tǒng)和回采工藝相同的開采工作面；

28、如果長壁采煤工作面不適用微震分析法、支承應力分析法和工程類比法，則選擇物理模擬法或數(shù)值模擬法來對該長壁采煤工作面不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的一側(cè)進行工作面煤柱尺寸效應分析；

29、所述物理模擬法為：對于不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的長壁采煤工作面，根據(jù)該長壁采煤工作面的煤層賦存條件構(gòu)建該長壁采煤工作面的模型，對該模型進行物理相似模擬試驗，得到該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，對于該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的任意一側(cè)，如果該側(cè)煤柱的最小寬度大于該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，則該側(cè)為實體煤區(qū)，否則該側(cè)為采空區(qū)；

30、所述數(shù)值模擬法為：對于不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的長壁采煤工作面，采用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建該長壁采煤工作面的仿真模型，對該仿真模型進行數(shù)值模擬試驗，得到該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，對于該長壁采煤工作面中不存在可明顯識別的采空區(qū)或?qū)嶓w煤區(qū)的任意一側(cè)，如果該側(cè)煤柱的最小寬度大于該長壁采煤工作面的側(cè)向支承壓力或超前支承壓力范圍，則該側(cè)為實體煤區(qū)，否則該側(cè)為采空區(qū)；

31、所述長壁采煤工作面?zhèn)认蛎后w塑性區(qū)的寬度表示為：

32、

33、其中x0表示長壁采煤工作面?zhèn)认蛎后w塑性區(qū)的寬度；m表示煤層厚度；λ表示側(cè)壓系數(shù)；表示煤體的內(nèi)摩擦角；k表示應力集中系數(shù)；γhcosα表示考慮傾角因素時的原巖應力垂直于煤層方向分量；γh表示原巖應力；γ表示上覆巖層平均容重；h表示煤層埋深；α表示煤層傾角；τ表示煤體的粘結(jié)力；n表示煤壁的支撐能力；

34、所述工作面的孤島屬性判定的方法為：將典型工作面布置的長壁采煤工作面和非典型工作面布置的長壁采煤工作面的等效典型工作面作為待判定工作面，判斷待判定工作面是否符合孤島工作面典型情形，若符合則該待判定工作面為孤島工作面；若不符合則該待判定工作面為非孤島工作面；

35、所述孤島工作面典型情形，包括：兩面采空、三面采空和四面采空；

36、所述兩面采空為長壁采煤工作面的工作面膠帶運輸巷和工作面回風巷外側(cè)均為采空區(qū)，且開切眼后方和工作面停采線外側(cè)均為實體煤區(qū)的長壁采煤工作面；

37、所述三面采空為長壁采煤工作面的工作面膠帶運輸巷和工作面回風巷外側(cè)均為采空區(qū)，且開切眼后方和工作面停采線外側(cè)中存在一側(cè)為實體煤區(qū)且另一側(cè)為采空區(qū)的長壁采煤工作面；

38、所述四面采空為長壁采煤工作面的工作面膠帶運輸巷外側(cè)、工作面回風巷外側(cè)、開切眼后方和工作面停采線外側(cè)均為采空區(qū)的長壁采煤工作面。

39、采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法通過理論分析與工程類比等方法，將非典型工作面布置情況轉(zhuǎn)化為典型工作面布置情況，進而采用傳統(tǒng)的孤島工作面判定方法來對非典型工作面布置情況的工作面孤島屬性進行準確判定，方法易操作且容易實現(xiàn)，為煤礦安全監(jiān)管非典型工作面布置提供了強有力的抓手。針對非典型工作面布置的工作面，如判定其為孤島工作面，可以提前采取有針對性的措施，有效避免工作面回采過程中煤壁片幫、沖擊地壓、超強礦壓以及巷道漏風等災害的發(fā)生。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法通過考慮孤島工作面“孤懸煤?！钡谋硐筇卣骱汀皯小钡谋举|(zhì)特征，有效地解決了因我國煤礦眾多、地質(zhì)條件復雜多樣、工作面形狀和賦存狀態(tài)不一、存在大量的異形工作面和異形煤柱而導致典型孤島工作面判定方法不能夠適用的難題。