(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111421301.8 (22)申请日 2021.11.26 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市铜山区大 学路1 号 (72)发明人 张世忠　范钢伟　张东升　范祎博　 骆韬　王旭阳　吴帆　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 彭英 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤 柱宽度确定方法 (57)摘要 本发明属于煤炭开采技术领域， 具体涉及一 种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度 确定方法， 本确定方法针对强冲击易自燃回采工 作面并存的区段煤柱冲击和相邻采空区遗煤自 燃发火双灾害防控难题， 基于区段煤柱冲击危险 与其自身宽度的正比关系和相邻采空区遗煤自 燃发火危险与区段煤柱宽度的反比关系这一基 本认知， 通过建立区段煤柱冲击危险性系数与其 宽度之间函数关系 δr=f(D)和相邻采空区自燃 发火危险性系数与煤柱宽度之间函数关系 Qr=g (D)， 进而确定能够同时满足区段煤柱无强冲击 危险和相邻采空区无自燃发火危险的最优区段 煤柱宽度， 实现强冲击易自燃回采工作面的安全 高效生产。 本发明原理简单、 快捷、 可靠、 现场应 用性强。 权利要求书3页 说明书10页 附图4页 CN 114329892 A 2022.04.12 CN 114329892 A 1.一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于， 具体包括 以下步骤： 步骤S1、 测定研究范围内煤岩体 基本物理力学参数和风 流扩散参数： 所述煤岩体基本物 理力学参数包括煤岩体的埋深、 厚度、 密度、 体积模量、 剪切模量、 内 摩擦角、 粘聚力、 单轴抗压强度、 抗拉强度； 所述风流扩散参数包括进风巷风速、 氧气扩散系数、 耗氧速率、 相邻采空区孔隙率、 回 采工作面 孔隙率、 区段煤柱孔隙率、 氧气质量分数； 步骤S2、 设定回采工作面区段煤柱宽度最小取值D小： 回采工作面区段煤柱宽度最小取值的取值范围为巷道帮锚杆或锚索支护长度的1.2～ 1.4倍， 在回采工作面区段煤柱宽度最小取值范围内取D小为设定的回采工作面区段煤柱宽 度最小取值； 步骤S3、 设定一组回采工作面区段煤柱宽度的试验方案， 具体设定方法如下： S3‑1、 设定递增梯度为a； S3‑2、 设定所述 一组回采工作面区段煤柱宽度的试验方案中具有n个试验因素； S3‑3、 根据步骤S3 ‑1和步骤S3 ‑2中的设定， 得到所述一组回采工作面区段煤柱宽度的 试验方案中的n个试验因素为D小、 D小+a、 D小+2a、 D小+3a……D小+(n‑1)a； 步骤S4、 针对n个试验因素分别建立采场覆岩运移数值计算模型和相邻采空区风流扩 散数值计算模型： 根据步骤S 1中的煤岩体基本物 理力学参数和风流扩散参数， 对回采工作面区段煤柱宽 度取值为D小的试验因素建立采场覆岩运移数值计算模型和相邻采空区风流扩散数值计算 模型、 对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+a的试验因素建立采场覆岩运移数值计算模 型……对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+(n‑1)a的试验因素建立采场覆岩运移数值计 算模型； 步骤S5、 针对 n个试验因素分别确定最大主应力σm和相邻采空区10％氧浓度等值线距工 作面最大距离L： 对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小的试验因素确定其最大主应力为σm1和相邻采空 区10％氧浓度等值线距工作面最大距离L1、 对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+a的试验 因素确定其最大主应力为σm2和相邻采空区10％氧浓度等值线距工作面最大距离L2……对 回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+(n‑1)a的试验因素确定其最 大主应力为σmn和相邻采空 区10％氧浓度等 值线距工作面 最大距离Ln； 步骤S6、 针对n个 试验因素分别计算回采工作面区段煤柱冲击危险性系数δr和相邻采空 区自燃发火危险性系数Qr： 对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小的试验因素计算回采工作面区段煤柱冲击危险 性系数δr1和相邻采空区自燃发火危险性系数Qr1、 对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+a 的试验因素计算回采工作面区段煤柱冲击危险性系数δr2和相邻采空区自燃发火危险性系 数Qr2……对回采工作面区段煤柱宽度取值为D小+(n‑1)a的试验因素计 算回采工作面区段煤 柱冲击危险性系数δrn和相邻采空区自燃发火危险性系数Qrn； 步骤S7、 建立回采工作面区段煤柱冲击危险性系数δr与回采工作面区段煤柱 宽度D之间 函数关系和相邻采空区自燃发火危险性系数Qr与回采工作面区段煤柱宽度D之间函数关权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114329892 A 2系： δr与D之间函数关系， 根据步骤S6中的δr1、 δr2、 δr3……δrn和步骤S3‑3中的n个试验因素 D小、 D小+a、 D小+2a、 D小+3a……D小+(n‑1)a进行函数拟合， 建立δr与D之间函数关系 δr＝f(D)； Qr 与D之间函数关系， 根据步骤S6中的Qr1、 Qr2、 Qr3……Qrn以及步骤S3 ‑3中的n个试验因素D小、 D小 +a、 D小+2a、 D小+3a……D小+(n‑1)a进行函数拟合， 建立 Qr与D之间函数关系Qr＝g(D)； 步骤S8、 绘制 δr＝f(D)和Qr＝g(D)函数图像 步骤S8‑1、 建立坐标系； 步骤S8‑2、 将步骤S7中拟合得到的δr＝f(D)和Qr＝g(D)， 绘制在步骤S8 ‑1中建立的坐标 系中， 得到 δr＝f(D)和Qr＝g(D)的函数图像； 步骤S9、 判定回采工作面 最优区段煤柱宽度， 具体判定方法如下： 步骤S9‑1、 设定判定条件为δr＝f(D)与Qr＝g(D)具有相交点Do， 且f(Do)满足小于强冲击 危险系数δs以及g(Do)小于自燃发火危险性系数1； 步骤S9‑2、 根据绘制的δr＝f(D)和Qr＝g(D)函数图像， 当δr＝f(D)与Qr＝g(D)具有相交 点Do， 且相交点Do满足步骤S9 ‑1中的判定条件， 则Do为回采工作面 最优区段煤柱宽度； 步骤S9‑3、 当不存在满足步骤S9 ‑1中判定条件的相交点Do， 则返回步骤S3重新设定递增 梯度， 且重新设定一组 回采工作面区段煤柱宽度的试验方案， 并重复步骤S 3至步骤S9， 直至 存在满足步骤S9 ‑1中判定条件的相交点Do为止。 2.根据权利要求1所述的一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于： 步骤S3 ‑1中， 递增梯度a取值 为0.5m。 3.根据权利要求1所述的一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于： 步骤S3 ‑2中， n为正常数， 且n≥5 。 4.根据权利要求1所述的一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于， 所述步骤S4中， 相邻采空区风流扩散数值计算模型中所需的区段煤柱孔隙率 的获取方法为： 首先， 计算n个试验因素对应所受压应力， n个试验因素的压应力大小由步骤S4所建立 的n个采场覆岩运移数值计算模型对应模拟得到； 再根据已知的压应力 ‑孔隙率关系曲线， 得到n个试验因素对应的区段煤柱孔隙率。 5.根据权利要求1所述的一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于： 步骤S 5中相邻采空区10％氧浓度等值线为采空 区氧化升温带与窒息带的分 界 指标。 6.根据权利要求1所述的一种强冲击易自燃煤层回采工作面区段煤柱宽度确定方法， 其特征在于： 步骤S6中， 回采工作面区段煤柱冲击危险性系数δr的计算公式为： δrn＝σmn/σ0                                          公式(1) 式中， δrn为第n个试验因素的回采工作面区段煤柱冲击危险性系数， σmn为第n个试验因 素的最大主应力， σ0为煤柱原岩应力； 相邻采空区自燃发火危险性系数Qr的计算公式为： Qrn＝Ln/L0                                        公式(2) 式中， Qrn为第n个试验因素的相邻 采空区自燃发火危险性系数， L0为最短自燃发火期内 工作面实际推进距离 。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114329892 A 3