CN101070759A - 一种薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法 - Google Patents

Abstract

一种薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，适用于薄基岩浅埋煤层上覆松散含水层水体的水资源保护。首先根据浅埋薄基岩覆存的结构特征，对不同采高条件下导水裂隙带高度进行了分析计算，用预计公式：H_L＝9.29M+10.6，确定不同采高M对应的薄基岩浅埋煤层导水裂隙带高度H_L；确定薄基岩浅埋煤层长壁工作面开采防水安全煤岩柱的保护层厚度为10m；根据不同松散含水层水体的富水性分类情况，确定不同采高所必需的基岩厚度；根据浅埋煤层上覆的松散含水层水体的富水性分类情况和不同采高，按基岩厚度划分保水开采。该方法水资源保护效果好，能安全生产、煤炭资源回收率高，具有广泛的实用性。

Description

一种薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法

技术领域

本发明专利涉及一种薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，尤其适用于薄基岩浅埋煤层上覆松散含水层水体的水资源保护、煤炭资源回收率的提高和安全生产的保障。

背景技术

浅埋煤田开发过程中地表和地下水渗漏与污染、潜水水位下降严重。如神府东胜矿区煤层赋存的埋藏浅(200m以内)，顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层的突出特点使得浅埋煤层的开采遇到了很大的困难。同时，在沙漠松散覆盖层下蕴藏着的宝贵的潜水，在矿体开采过程中大量流失，这对于地表植被、居民生活，甚至当地整个生态环境的保护都造成了巨大的危害。由于煤层浅埋和上覆松散充水含水层的大面积分布，保水防溃采煤问题一直是我国西部煤矿区面临的一个典型难题。该区由于煤田开采、矿坑排水，致使浅层的地下水被疏干、出现了地下水位下降，包气带厚度加大、下垫层改变、河川径流减少的现象。由于水资源的减少，造成农业用水及农村人畜用水困难。加之本区属半旱区位于毛乌素沙漠风沙草滩区，水资源对环境的影响十分显著，使可持续发展无法实现。自1987年采矿以来，沙暴、土壤侵蚀、洪水泥沙、河道淤积、水污染、滑坡和泥石流等人为环境灾害显著增加，大面积的乔、灌、草荒漠植物干枯死亡，草场退化，矿区生态环境恶化。同时，许多煤矿在开采浅埋煤层过程中都发生了顶板溃水溃沙等安全事故，影响正常安全生产。因此，浅埋煤田的开发最大的技术难点是如何在煤炭资源安全开采的同时，最大限度的保护水资源。

目前虽然已采用了间歇式开采或短壁综合机械化连采的保水采煤方法，但此类方法的煤炭资源回收率低。此外，局部区域虽然在液压支架合理选型的基础上，采用大尺寸长壁工作面快速推进辅以局部处理措施(局部降低采高或局部充填)的保水开采方法，但一直没有系统的保水开采分类方法进行指导，保水效果不尽人意，同时还对安全生产构成了隐患，因此，按照基岩厚度对薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件实施分类是急待解决的一大问题

发明内容

针对已有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种薄基岩浅埋煤层开采过程中水资源流失少、煤炭资源回收率高的薄基岩浅埋煤层长壁工作面保水开采适用条件分类方法。

本发明的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法如下：

a.首先根据浅埋薄基岩覆存的结构特征，综合考虑坚硬岩层和软弱岩层对导水裂隙发育的影响规律前提下，对不同采高条件下导水裂隙带高度进行分析计算，用预计公式：H_L＝9.29M+10.6，确定不同采高M对应的薄基岩浅埋煤层导水裂隙带高度H_L，；

b.确定薄基岩浅埋煤层长壁工作面开采的防水安全煤岩柱保护层厚度为10m；

c.根据不同松散含水层富水性分类情况，确定不同采高所必需的基岩厚度；

d..根据浅埋煤层上覆的松散含水层分类情况和不同采高，按基岩厚度划分保水开采。

基岩厚度大于75m，可以采用常规长壁开采方法；基岩厚度在60～75m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以采用长壁开采；当松散含水层富水性强时，长壁工作面采高在4～5.5m大采高之间进行相应选择；基岩厚度在45～60m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，长壁工作面采高可在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择；当松散含水层富水性强时，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或者用条带开采；基岩厚度在35～45m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高后采用常规长壁开采，短壁开采或者用条带开采；基岩厚度在25～35m之间，当松散含水层富水性弱时，长壁工作面采高可在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或者用条带开采；当松散含水层富水性强时，只宜采取短壁开采或条带开采；7基岩厚度在20～25m之间，当松散含水层富水性弱时，长壁工作面可降低采高，在2～3.5m之间进行相应选择；当松散含水层富水性中等到强时，只宜采取短壁开采或条带开采；基岩厚度小于20m，只宜采取短壁开采或条带开采。

采用上述方法，可以保证：①当于松散含水层富水性强时，基岩厚度大于导水裂隙带高度与保护层厚度之和；②对于松散含水层富水性中等的条件下，导水裂隙带在工作面推过后会逐步闭合，在此之后破坏岩体仍可起到隔水作用；③在富水性弱区段让导水裂缝带中的微小裂缝带进入含水层，岩体没有发生错动，其防沙能力完好，由于含水层富水性弱，其出水量是有限的，在工作面推过后导水裂隙带会逐步闭合，潜水位会逐步恢复。该方法水资源保护效果好，能安全生产、煤炭资源回收率高。

具体实施方式

本发明的保水开采适用条件分类方法，首先根据浅埋薄基岩覆存的结构特征，进行下列步骤：

1.导水裂隙带高度预计，导水裂隙带高度普遍计算公式为：

$H_L=\frac{100M}{a\·M+b}$ 或H_L＝aM+b

式中：H_L——裂隙带高度，m；

M——采高，m；

a，b——与采矿地质条件相关的系数；

常规的导水裂隙带经验公式对薄基岩浅埋煤层不很适用，根据浅埋薄基岩覆存的结构特征，综合考虑坚硬岩层和软弱岩层对导水裂隙发育的影响规律前提下，采用UDEC和RFPA^2D等数值计算软件，结合相关浅埋煤层开采的经验数据，对不同采高条件下浅埋薄基岩的导水裂隙带高度进行了分析计算，取部分典型计算结果如表1所示。

表1不同采高对应的导水裂隙带高度

采高/m	2	2.5	3	3.5	4	4.5	5	5.5
									导水裂隙带高度/m	29	35	39	43	49	54	58	61

由此得出覆岩裂隙带高度公式为：H_L＝9.29M+10.6    (1)

此外，垮落带高度可以按照“建筑物、水体、铁路及其主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”进行计算，为安全起见，按坚硬覆岩预计： $H_m=\frac{100M}{2.1M+16}---\left(2\right)$

2.防水安全煤岩柱的保护层厚度确定：

保护层直接位于导水裂隙带的上方是为了阻隔上覆含水层(体)通过导水裂隙带向工作面充水，保护层不仅要具有一定的厚度，更重要的是要达到一定的阻隔水能力。在目前大采高生产条件下，采高3.5～5.5m，如按“建筑物、水体、铁路及其主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”规定应留设防水类型安全煤岩柱，则取保护层厚度5倍采高约为17.5～27.5m，对于浅埋薄基岩来说明显偏大，限制了其回收率的提高。

同时，理论和实践均表明，在地质、采矿条件有利的情况下，如果导水断裂带与含水层之间具有最小厚度3m以上的有效黏土层，则可以有效阻隔上覆含水层(体)的水下泄。鉴于浅埋煤层覆岩中各岩层隔水性的差异，将具有隔水能力的3m黏土层作为“单位隔水层”。对于泥岩、风化岩层等其他隔水层则可按相同的隔水能力向单位隔水层进行折算，可以求出具有同等功效的隔水层厚度。浅埋煤层基岩顶部遍分布有风化带，其主要岩性为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，根据浅埋煤层基岩特征及其风化程度，结合理论研究和现场实践认为4～10m顶部基岩可以具有与“单位隔水层”相同的隔水功能，因此，可将薄基岩浅埋煤层长壁开采的防水安全煤岩柱保护层厚度确定为10m。

3.进行松散含水层水体富水性分类：

根据国内煤矿松散含水层水体下采煤的经验，传统上使用2表所示的分类方法，将薄基岩浅埋煤层上覆松散含水层水体划分成五种类型，针对不同类型的水体，在特定的采矿条件下，采取相应的开采方法。

表2松散含水层富水性分类

含水层类型	富水程度	厚度/m	单位涌水量/L.s-1.m-1	渗透系数/m.d-1
					IIIIIIIVV	极强强中弱极弱	＞3015～305～151～5＜1	＞105～100.1～50.005～0.1＜0.005	＞5010～501～100.01～1＜0.01

为简便起见，将松散含水层富水程度强及极强统称为松散含水层富水性强，将松散含水层富水程度弱及极弱统称为松散含水层富水性弱。

4.保水开采适用条件的分类方法：

(1)当松散含水层富水性强时，采用长壁开采必须有足够的基岩厚度或采用充填、限厚、分层开采以及条带开采等开采方案，即保证基岩厚度必须大于导水裂隙带高度与保护层厚度之和。

(2)工作面基本顶初次来压时的顶板动压最大，因此覆岩遭受破坏程度也最大，开切眼和基本顶初次来压处的裂高比正常回采地段裂高20～30％。因此对于松散含水层富水性中等的条件下，可以采用局部降低采高、局部充填、局部注浆等开采方案，保证从开切眼至工作面初次来压并经过2～3次周期来压后，顶板的受力状态由两端固支梁变为砌体梁，岩层断裂裂缝有超前工作面变为滞后工作面，进入正常回采。此后，可以逐步增加采高，或逐步撤除充填、注浆等方案。薄基岩浅埋煤层工作面初次来压步距约40m，周期来压步距10～25m左右，可以确定采用局部降低采高、局部充填、局部注浆等措施的范围为80m左右。充填高度和降低的采高相互对应，保证基岩厚度必须大于导水裂隙带高度与保护层厚度之和。当工作面初次来压并经过2～3次周期来压后，基本顶来压比较缓和，覆岩遭受的破坏程度小，导水裂隙带高度要比开切眼处的导水裂高低约20％。根据现场试验和模拟研究，此时，导水裂隙带在工作面推过后会逐步闭合，在此之后破坏岩体仍可起到隔水作用。

(3)由于松散含水层的差异性较大，侧向径流条件一般不好。因此为最大限度的采出煤炭，在富水性弱的区段可以允许导水裂缝带进入松散层，即相当于留设防砂煤柱开采。让导水裂缝带中的微小裂缝带进入含水层，岩体没有发生错动，其防沙能力完好，由于含水层富水性弱，其出水量是有限的，可基本达到保水效果。在工作面推过后导水裂隙带会逐步闭合，潜水位会逐步恢复。也可辅以在开切眼、工作面初次放顶等区域采取局部限厚开采等措施。

不同松散含水层富水性情况下，不同采高所必需的基岩厚度如表3所示。

当煤岩柱高度大于75m时，可以采用正常长壁开采方法，按目前综采设备最大采高5.5m计算，代入(1)式得导水裂缝带最大高度为62.3m，加上10m保护层厚度，得防水煤岩柱高度为72.3m，取整为75m。因此，在留75m煤岩柱时，可以实现5.5m厚煤层一次采全高。

当岩柱高度在60～75m之间，如果松散含水层富水性弱时，可以采用正常长壁开采方法。当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以采用长壁开采方法。采用局部降低采高、局部充填、局部注浆等开采方案，保证从开切眼至工作面初次来压并经过2～3次周期来压期间工作面不突水。当工作面初次来压并经过2～3次周期来压后，导水裂隙带高度要比开切眼处的最大导水裂高低约20％～30％，导水裂隙带高度可按最大导高的80％计算。按最大采高5.5m计算，代入(1)式得最大导水裂缝带高度为62.3m，正常回采期间导高为49.8m，加上10m保护层厚度并取整，得所需防水煤岩柱高度为60m。

当岩柱高度在60～75m之间，松散含水层富水性强时，长壁工作面采高可根据表3在4～5.5m大采高之间进行相应选择。

当岩柱高度在45～60m之间，如果松散含水层富水性弱时，可以采用正常长壁开采方法。当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，长壁工作面采高可根据表3在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择。采用局部降低采高、局部充填、局部注浆等开采方案，按采高3m计算，正常回采期间导高为31m，加上10m保护层厚度并取整，得所需防水煤岩柱高度为45m。

当岩柱高度在45～60m之间，如果松散含水层富水性强时，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或条带开采。可以根据表3选择对应的长壁开采，但煤炭采出率偏低，资源浪费严重。因此，应采用短壁或条带采煤方法进行回采，以最大限度的提高煤炭资源回收率。

当岩柱高度在35～45m之间，如果松散含水层富水性弱时，可以采用正常长壁开采方法。当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高后采用正常长壁开采方法，短壁开采或条带开采。

当岩柱高度在25～35m之间，如果松散含水层富水性弱时，长壁工作面采高可根据表3在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择。当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或条带开采。当松散含水层富水性强时，只宜采取短壁开采或条带开采。在留25m岩柱情况下采厚3.5m的导水裂缝带顶部约10m已进入含水层，即相当于导水裂缝带中的微裂缝带已进入含水层。按公式(2)计算，垮落带高度约15m，加上10m保护层厚度，满足防沙能力的要求。由于含水层富水性弱，其出水量是有限的，随着工作面推过后导水裂隙带的逐步压实闭合，水资源就不会流失。

当岩柱高度在20～25m之间，如果松散含水层富水性弱时，长壁工作面采高可根据表3降低采高，在2～3.5m之间进行相应选择。当松散含水层富水性中等到强时，只宜采取短壁开采或条带开采。

当岩柱高度小于20m时，只宜采取短壁开采或条带开采。

表3不同采高所必需的基岩厚度

采高/m		2	2.5	3	3.5	4	4.5	5	5.5
										松散含水层富水性弱	导水裂隙带高度/m	9.9	11.8	13.5	15.0	16.4	17.7	18.9	20.0
保护层厚度/m	10	10	10	10	10	10	10	10
									所需基岩厚度/m		20	25	25	25	30	30	30	30
松散含水层富水性中等	导水裂隙带高度/m	233	273	31.0	34.8	38.6	42.3	46.1											49.8
									保护层厚度/m	10	10	10	10	10	10	10	10
	所需基岩厚度/m	35	40	45	45	50	55	60										60
									松散含水层富水性强	导水裂隙带高度/m	292	34.1	38.8	43.5	48.2	52.9	57.6		62.3
保护层厚度/m	10	10	10	10	10	10	10	10
										所需基岩厚度/m	40	45	50	55	60	65	70	75

在此基础上，结合薄基岩浅埋煤层生产技术现状，根据松散层的含水性，按基岩厚度将该区保水开采的适用条件进行初步分类，如表4所示。

表4薄基岩浅埋煤层保水开采分类方法

类别			I	II	III	IV	V	VI	VII
										基岩厚度/m			＜20	20～25	25～35	35～45	45～60	60～75	＞75
保水开采工艺参数	弱含水性	开采方法	短壁机械化或条带开采		长壁综合机械化开采
										最大采高/m	5	5	3～5.5	5.5
		采速m/d			＞15	＞15	＞10	＞10	＞10
										中等含水性	开采方法	短壁机械化或条带开采			长壁综合机械化开采
	最大采高/m	5	5	5	2.5～3.5	3.5～5.5	5.5
									采速m/d					＞15	＞15	＞15	＞10
	措施				局部处理	局部处理	局部处理
									富含水性		开采方法	短壁机械化或条带开采				长壁综合机械化开采
	最大采高/m	5	5	5	5	2.5～4	4～5.5	5.5
										采速m/d					＞15	＞15	＞15

Claims (8)

1.一种薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：

a.首先根据浅埋薄基岩覆存的结构特征，综合考虑坚硬岩层和软弱岩层对导水裂隙发育的影响规律前提下，对不同采高条件下导水裂隙带高度进行分析计算，用预计公式：H_L＝9.29M+10.6，确定不同采高M对应的薄基岩浅埋煤层导水裂隙带高度H_L，；

b.确定薄基岩浅埋煤层长壁工作面开采的防水安全煤岩柱保护层厚度为10m；

c.根据不同松散含水层富水性分类情况，确定不同采高所必需的基岩厚度；

d..根据浅埋煤层上覆的松散含水层分类情况和不同采高，按基岩厚度划分保水开采。

2.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度大于75m，可以采用常规长壁开采方法。

3.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度在60～75m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以采用长壁开采；当松散含水层富水性强时，长壁工作面采高在4～5.5m大采高之间进行相应选择。

4.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度在45～60m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，长壁工作面采高可在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择；当松散含水层富水性强时，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或用条带开采。

5.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度在35～45m之间，当松散含水层富水性弱时，可以采用常规长壁开采；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高后采用常规长壁开采，短壁开采或条带开采。

6.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度在25～35m之间，当松散含水层富水性弱时，长壁工作面采高可在3.5～5.5m大采高之间进行相应选择；当松散含水层富水性中等时，局部采取措施，可以降低采高正常长壁开采方法，短壁开采或条带开采；当松散含水层富水性强时，只能采取短壁开采或条带开采。

7.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度在20～25m之间，当松散含水层富水性弱时，长壁工作面可降低采高，在2～3.5m之间进行相应选择；当松散含水层富水性中等到强时，只宜采取短壁开采或条带开采。

8.根据权利要求1所述的薄基岩浅埋煤层保水开采适用条件分类方法，其特征在于：基岩厚度小于20m，只宜采取短壁开采或条带开采。