CN102865079B - 一种基于生态环境保护的井工采煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于生态环境保护的井工采煤方法，用于解决井工矿区生态环境不断恶化和由此引发的环境代价的问题，减少对生态环境的损伤。该方法通过勘查煤田地质属性，在井工开采时采用超大工作面(超长工作面长度、超长推进距离和超大采高)开采工艺，同时通过设计合理的推进速度，不但满足了传统方法的防灾减灾效用，而且使得地表整体沉降，减少对地面的扰动次数，减少地表裂缝。该方法不但有利于煤炭高回收率的实现，还有利于对地表生态环境的保护。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采领域，主要涉及一种减小对生态环境损伤的井工采煤方法。
背景技术
煤矿开采过程中，不可避免地对生态环境(如地表、植被)造成扰动，打破原有的生态环境平衡。以往，针对煤矿开采引发的生态环境问题(地表塌陷、地表裂缝和植被破坏)，除在某些特殊区域，如建筑物密集区域、铁路区或水体下等，采取特殊的采煤方法或技术措施，大多数则采用“采后治理”或“边采边治”的修复补救措施，注重防灾减灾和灾后治理，属于被动式修复。
为减少对地表损伤，采用的采煤方法包括柱式采煤法、条带采煤法和充填采煤法等；技术措施包括保护煤柱设计和限厚开采等。这些采煤方法和技术措施对于减少地表损伤起到了积极作用，但同时也产生了一系列问题，如柱式采煤法、条带采煤法以及保护煤柱设计和限厚开采等方法措施，虽然对上层地表起到了保护作用，但由于少采弃采，造成了煤炭资源的浪费；充填采煤法虽然能够提高煤炭回采率，但由于充填材料制备成本较高，难以大规模推广应用。
针对煤炭开采所造成的地表损伤，如地表裂缝、塌陷，目前多采用土地复垦，如对裂缝填充、塌陷区域整平等措施，同时进行绿化复垦工作，这些措施在一定程度上削减了煤炭开采对地表造成的损害，但由于传统采煤工艺方法局限，形成的地表塌陷面多、地表裂缝密集，同时由于残留煤柱带的存在，使得地表起伏不平，地表生态环境恢复成本较高。裂缝充填对地表土壤营养成分分布、地表水径流都有很大影响，对于植被修复都提出了严峻挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于生态环境保护的井工采煤方法，用于解决矿区生态环境不断恶化和由此引发的环境代价的问题，减少对生态环境的损伤。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于生态环境保护的井工采煤方法，所述方法应用于近水平或缓倾斜煤层，包括以下步骤：
a、进行煤田地质勘查，获取煤田地质属性数据；
b、根据煤田地质属性数据，将煤田划分为多个超大工作面，确定推进速度；
c、采煤过程中，在工作面上方设置地表移动监测点，获取地表移动数据；
d、根据地表移动数据，对工作面推进速度进行调整：当地表移动呈现出小坡度和多起伏的特征时，增大开采速度；当地表呈现大裂缝特征时，减小开采速度。
优选地，步骤d中所述小坡度是指的坡度范围是10度-15度，多起伏是指起伏数不少于3个。
优选地，步骤d中所述大裂缝是指宽度大于15cm的裂缝。
优选地，步骤b中通过下式确定工作面推进速度：
v＝N×B
式中，N为机采工作面昼夜割煤刀数；B为采煤机截深。
优选地，所述超大工作面是指工作面长度在300米以上和推进距离大于4000米的一次采全高的工作面。
由上述技术方案可见，本发明的提供的这种基于生态环境保护的井工采煤方法，在井工开采时采用超大工作面(超长工作面长度、超长推进距离和超大采高)开采工艺，同时通过设计合理的推进速度，不但满足了传统方法的防灾减灾效用，而且使得地表整体沉降，减少对地面的扰动次数，减少地表裂缝。该方法不但有利于煤炭高回收率的实现，还有利于对地表生态环境的保护。
附图说明
图1为地表移动影响因素分析示意图；
图2为传统工作面与超大工作面的对比示意图；
图3为传统工作面与超大工作面对地表的影响示意图；
图4为图3在I-I处的截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
煤炭开采时，由于在地下空间内形成采空区，上覆岩层由于重力作用自然垮落，由此产生的岩层移动波及到地表，使地表产生移动、变形和破坏(统称为地表移动)，表现为地表移动盆地、裂缝和塌陷坑等。
如图1所示，煤炭开采所引起的地表移动过程不仅与矿区固有的煤田地质属性(煤层厚度、煤层稳定性、煤层倾角、煤层顶底板、地质构造、煤的自燃性、瓦斯含量和地下水赋存)相关，还很大程度上受到后续的煤炭开采影响，包括采深、采厚、采煤方法和相应的防护技术措施等，是一个多因素共同作用的过程。
本发明的基于生态环境保护的井工采煤方法，用于近水平或缓倾斜煤层，即煤层倾斜度小于25度的煤层，比如西部晋陕蒙生态脆弱区的一些煤层，主要步骤如下：
首先在开采工作进行前，对煤田地质属性数据进行勘查，煤田地质属性是影响工作面尺寸的重要因素。一般来说，为减少工作面开采难度，在采区、盘区或带区内划分工作面时，落差大于采高的断层、较大的褶曲、陷落柱，或当煤层厚度急剧变化，或岩浆岩侵入区均可作为工作面上下或左右的边界；在分析地质因素约束后，则根据生产装备和技术水平对工作面尺寸进行进一步划分，使工作面尺寸在生产装备和技术水平的承受范围内。
通过上述对煤田地质属性数据的分析，进一步可以结合数值模拟和相似材料模拟试验将煤田划分为多个超大工作面。如图2所示，超大工作面是指工作面长度在300米以上和推进距离大于4000米的一次采全高的工作面。
传统工作面参数工作面长度×推进距离×开采高度(w×l×h)最大可达到240m×2000m×5.5m，如果采用传统工作面开采，随着采煤工作面的推进，形成采空区，上覆岩层在重力作用下垮落，波及地面，形成地表塌陷。由于各个工作面之间留有煤柱，则在地表形成多个塌陷坑，且随工作面的不断推进，塌陷坑不断增加，地表起伏不平。而采用超大工作面，比如400m×4000m×7m，由于一次采煤面增大，地表塌陷面积(一次沉降面积)增大，提高了地表水平变化的均匀性。传统工作面与超大工作面对地表的影响如图3和图4所示，其中1为传统工作面，2为超大工作面。
同时，理论上分析可以得知，工作面推进速度越快，地表越容易实现一次稳定沉降，减少地表扰动次数；另一方面，由于一次塌陷面积增加，相比较传统工作面，减少了地表裂缝。但是，工作面推进速度受到多种因素制约，如煤层厚度、采深、顶底板矿压和开采技术装备水平等。例如，选用适合快掘快采的大功率高可靠性重型配套设备，已达到工作快速推进的要求。
在采煤前，一般可以采用下述方法选择工作面推进速度：
采煤设备一旦选定，工作面日推进速度(m/d)计算公式为：
v＝N×B (1)
式(1)中，N为机采工作面昼夜割煤刀数；B为采煤机截深；
其中，机采工作面昼夜割煤刀数N计算公式为：
式(2)中，t3为采煤机进刀时间，h；t2为采煤机跑空刀时间，h；K为采煤机的日开机率；Tc为采煤机往返一次割一刀煤的时间，min。
开采过程中，在工作面上方地标设置监测点，例如，在工作面上方设置多个地标移动观测站，通过全站仪等设备观测，以便掌握地表的移动情况，比如地表塌陷、裂缝等。
设采煤对地表生态影响为G，工作面为M，工作面推进速度为v，则有如下关系式：
MinG＝MinF(M，v) (3)
M＝f(l，w，h)
约束条件：煤层地质条件和生产装备技术水平，
其中，l为工作面推进长度，w为工作面长度，h为工作面开采高度。
由式(3)可知，在一定煤层地质条件和生产装备技术水平的条件下，采煤对地表生态影响只与工作面参数(工作面长度、推进长度和开采高度)和推进速度有关。
因此，结合得到的地表监测数据对地标移动情况进行分析，进一步对工作面推进速度进行调整，当地表移动的中部区域呈现出10度-15度的小坡度和不少于3个的多起伏的特征时，可在开采设备和开采技术允许的情况下适当增大开采速度，例如将开采速度提高5％-20％；当地表呈现明显大裂缝特征时，比如裂缝宽度达到15厘米以上，可以适当减小开采速度，例如将开采速度减小5％-20％，以更好的减小对地表的损伤。根据上述情况工作面推进速度调整后，进一步还需根据地表移动监测的反馈结果调整，直至监测到的地标移动情况符合要求，实现最小地面扰动为宜。
实施例
将该方法应用于晋陕蒙生态脆弱区某地下煤矿开采，通过对该矿区煤层地质数据进行勘查，煤层平均厚度3m，实施超大工作面开采工艺，工作面参数由原有的小工作面(w×l×h＝240m×2000m×3m)调整为超大工作面进行开采(w×l×h＝360m×4200m×3m)，经理论分析和数值模拟，推进速度初步定为10m/d，能够有效减轻了采煤沉陷区的地表损伤，通过后期对地表监测数据进行分析，地表出现起伏不平现象，因此将工作面推进速度调整为11.6m/d，实现了最小的地表扰动。
通过对前后两种采煤方法的对比分析，得出：采用超大工作面开采后，减少土地扰动次数3次以上，缩短扰动时间3个月以上，沉陷裂缝损毁土地面积减少20％；同时通过对工作面前端边缘裂缝发育土壤表层相对含水量的大量监测数据，观测获知17天后基本得到恢复，可以得出结论，在该矿区采用超大工作面后，在地表产生的裂缝对土壤表层相对含水量影响可忽略。
Claims (1)
1.一种基于生态环境保护的井工采煤方法，其特征在于，所述方法应用于近水平或缓倾斜煤层，包括以下步骤：
a、进行煤田地质勘查，获取煤田地质属性数据；
b、根据煤田地质属性数据，将煤田划分为多个超大工作面，确定推进速度；
c、采煤过程中，在工作面上方设置地表移动监测点，获取地表移动数据；
d、根据地表移动数据，对工作面推进速度进行调整：当地表移动呈现出小坡度和多起伏的特征时，将开采速度提高5％-20％；当地表呈现大裂缝特征时，将开采速度减小5％-20％；所述小坡度是指的坡度范围是10度-15度，多起伏是指起伏数不少于3个；所述大裂缝是指宽度大于15cm的裂缝；
其中，所述超大工作面是指工作面长度在300米以上和推进距离大于4000米的一次采全高的工作面；
其中，步骤b中通过下式确定工作面推进速度：
v＝N×B
式中，N为机采工作面昼夜割煤刀数；B为采煤机截深。
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