CN103184871A - 一种保护重要水体的煤柱留设开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保护重要水体的煤柱留设开采方法，包括：1）对目标水体实测，得水体边界与岩层夹角θ和目标水体至煤层底板水头压力差P；2）实测得塌陷角δ；3）对采煤工作面实测，得最大导水裂隙带高度H₁；4）确定矿区临界突水系数T_S；5）计算出满足强度要求的最小煤柱留设宽度L₁；6）对目标水体含水层抽水，得渗透系数K；7）测定任一断面含水层水位h及与目标水体接触处含水层水位h₁，计算出含水层4的入渗强度W；8）计算出不发生渗流的最小煤柱留设宽度L₂；9）H₁≥M，L=max（L₁，L₂）；H₁＜M，L=L₁；10）煤层回采至距离保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L时停止回采。该方法简单易实施，能够有效保护水资源，减少矿井涌水量，安全回采资源。

Description

一种保护重要水体的煤柱留设开采方法

技术领域

本发明属于矿井水文地质与采矿工程交叉领域，涉及一种基于岩体力学和地下水动力学，针对重要水体保护煤柱留设的开采方法，特别适用于干旱—半干旱缺水矿区珍贵水体保护的煤柱留设开采方法。

背景技术

目前，我国主要原煤开采地区水资源普遍匮乏，生态环境脆弱，这些干旱—半干旱矿区的生态灌溉、工、农业用水及生活用水多数依靠浅部重要水体。因此，煤炭开采的同时保护这些天然或人工的重要水体有着重大的生态和社会意义。

目前，保护重要水体的主要办法是煤柱留设，使用现有煤柱留设方法时，工作面采空区虽然没有发生大型突涌水现象，但重要水体的水资源仍然逐渐衰减。其中主要的一个原因是：目前的煤柱留设方法只考虑煤体和岩体的抗压强度，没有考虑含水层的渗流特性，煤层回采后含水层水位下降，导致保护的目标水体通过含水层渗流进入采空区。综上，现有的重要水体的煤柱留设方法表现出以下几个问题：1）不能达到很好保护重要水体的目的；2）井下涌水量增加，排水费用增加；3）存在突水溃沙的隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保护重要水体的煤柱留设开采方法，该方法能够很好保护重要水体，有效减少井下涌水量和排水费用；能够杜绝突水溃沙的隐患

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种保护重要水体的煤柱留设开采方法，该方法包括下述步骤：

步骤一：对矿区保护的目标水体进行实测，得到水体边界与岩层的夹角θ和目标水体至煤层底板之间的水头压力差P；

步骤二：对矿区采煤工作面的塌陷角进行实测，得塌陷角δ；

步骤三：对矿区采煤工作面充分开采产生的最大导水裂隙带发育高度实测，得最大导水裂隙带高度H₁；

步骤四：依据矿区采煤工作面观测，确定矿区临界突水系数T_S；

步骤五：依据步骤一～步骤四实测的基础参数，计算出满足强度要求的最小煤柱留设宽度：

$L_1=(\frac{P}{T_S}+10)\csc \mathrm{\θ}+H_1(\cot \mathrm{\θ}+\cot \mathrm{\δ});---\left(1\right)$

步骤六：对矿区保护的目标水体接触的含水层进行抽水试验，获得含水层的渗透系数K；

步骤七：在矿区保护的目标水体与已经充分开采的采煤工作面之间，测定任一断面含水层的水位h及与保护的目标水体接触处含水层的水位是h₁，计算出含水层的入渗强度：

$W=K[\frac{{h_1}^2}{(l_1+l_2)l_2}+\frac{h^2-{h_1}^2}{l_1{l}_2}];---\left(2\right)$

式中，l₁为距离保护的目标水体边界的距离，l₂为距离已经充分开采的采煤工作面边界的距离；

步骤八：当含水层的分水岭刚好处于保护的目标水体处时，保护的目标水体不会发生渗漏且煤炭资源得到最大程度的开采，依据步骤六与步骤七实测的基础参数，计算出满足保护的目标水体不通过含水层发生渗流的最小煤柱留设宽度：

$L_2=\sqrt{\frac{K}{W}}{h}_1;---\left(3\right)$

步骤九：设定M为隔水层的厚度，当H₁≥M时，保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L=max（L₁，L₂）；当H₁＜M时，L=L₁；

步骤十：煤层回采至距离保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L时停止回采，达到煤炭资源最大程度上的开采与重要水体保护的目的，防止保护的目标水体通过隔水层突涌到采空区，同时防止保护的目标水体通过含水层渗流到采空区。

本发明的优点在于：1）简单易实施；2）最大限度开采煤炭资源的同时能够有效保护水资源；3）减少矿井涌水量；4）安全回采煤炭资源有保障。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明保护重要水体的煤柱留设示意图。

图中：1、保护的目标水体与岩层的边界，2、开采煤层的底板，3、隔水岩层，4、含水层，5、水头线，6、分水岭，7、工作面停采线，8、入渗补给。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明一种保护重要水体的煤柱留设开采方法步骤流程见图1所示，该方法包括下述步骤：

步骤一：对矿区保护的目标水体进行实测，得到水体边界与岩层的夹角θ和目标水体至煤层底板之间的水头压力差P；

步骤二：对矿区采煤工作面的塌陷角进行实测，得塌陷角δ；

步骤三：对矿区采煤工作面充分开采产生的最大导水裂隙带发育高度实测，得最大导水裂隙带高度H₁；

步骤四：依据矿区采煤工作面观测，确定矿区临界突水系数T_S；

步骤五：依据步骤一～步骤四实测的基础参数，计算出满足强度要求的最小煤柱留设宽度：

$L_1=(\frac{P}{T_S}+10)\csc \mathrm{\θ}+H_1(\cot \mathrm{\θ}+\cot \mathrm{\δ});---\left(1\right)$

步骤六：对矿区保护的目标水体接触的含水层4进行抽水试验，获得含水层4的渗透系数K；

步骤七：在矿区保护的目标水体与已经充分开采的采煤工作面之间，测定任一断面含水层4的水位h及与保护的目标水体接触处含水层4的水位是h₁，计算出含水层4的入渗强度：

$W=K[\frac{{h_1}^2}{(l_1+l_2)l_2}+\frac{h^2-{h_1}^2}{l_1{l}_2}];---\left(2\right)$

式中，l₁为距离保护的目标水体边界的距离，l₂为距离已经充分开采的采煤工作面边界的距离；

步骤八：当含水层4的分水岭6刚好处于保护的目标水体处时，保护的目标水体不会发生渗漏且煤炭资源得到最大程度的开采，依据步骤六与步骤七实测的基础参数，计算出满足保护的目标水体不通过含水层4发生渗流的最小煤柱留设宽度：

$L_2=\sqrt{\frac{K}{W}}{h}_1;---\left(3\right)$

步骤九：设定M为隔水层3的厚度，当H₁≥M时，保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L=max（L₁，L₂）；当H₁＜M时，L=L₁；

步骤十：煤层回采至距离保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L时停止回采，达到煤炭资源最大程度上的开采与重要水体保护的目的，防止保护的目标水体通过隔水层突涌到采空区，同时防止保护的目标水体通过含水层渗流到采空区。

如图2所示，为发明保护重要水体的煤柱留设示意图。为使得矿区保护的目标水体不通过隔水层3突涌入工作面，需要测定工作面开采产生的岩层塌陷角δ、保护的目标水体边界与岩层的夹角θ、保护的目标水体至工作面开采的煤层底板2之间的水压P及矿区临界突水系数T_S，进而计算出满足强度要求的最小煤柱留设宽度L₁；为使得保护的重要水体不通过含水层4渗流进入采煤工作面，需要水头线5中的分水岭6处于保护的重要水体与采煤工作面之间，需要测定含水层4的渗透系数K、含水层4的入渗强度W，含水层4接受入渗强度为W的入渗补给8（在保护的目标水体与充分开采的工作面之间，测定任一断面A-A’含水层4水位h及断面距离保护的目标水体边界及充分开采的工作面边界的距离l₁、l₂，并依据地下水动力学获取入渗补给强度W）及保护的目标水体与岩层接触处含水层4的水位h₁，进而计算出满足渗流要求的最小煤柱留设宽度L₂。当H₁≥M时，M为隔水层3的厚度，保护的目标水体与岩层的边界1至工作面停采线7之间的最优煤柱留设宽度L=max（L₁，L₂）；当H₁＜M时，L=L₁。采煤工作面开采至距离保护的重要水体L处停止开采，保护的目标水体既不会通过隔水层3突涌进入工作面，也不会通过含水层4缓慢渗流进入工作面，达到全面保护目标水体的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种保护重要水体的煤柱留设开采方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

步骤一：对矿区保护的目标水体进行实测，得到水体边界与岩层的夹角θ和目标水体至煤层底板之间的水头压力差P；

步骤二：对矿区采煤工作面的塌陷角进行实测，得塌陷角δ；

步骤三：对矿区采煤工作面充分开采产生的最大导水裂隙带发育高度实测，得最大导水裂隙带高度H₁；

步骤四：依据矿区采煤工作面观测，确定矿区临界突水系数T_S；

步骤五：依据步骤一～步骤四实测的基础参数，计算出满足强度要求的最小煤柱留设宽度：

$L_1=(\frac{P}{T_S}+10)\csc \mathrm{\θ}+H_1(\cot \mathrm{\θ}+\cot \mathrm{\δ});---\left(1\right)$

步骤六：对矿区保护的目标水体接触的含水层进行抽水试验，获得含水层的渗透系数K；

步骤七：在矿区保护的目标水体与已经充分开采的采煤工作面之间，测定任一断面含水层的水位h及与保护的目标水体接触处含水层的水位h₁，计算出含水层的入渗强度：

$W=K[\frac{{h_1}^2}{(l_1+l_2)l_2}+\frac{h^2-{h_1}^2}{l_1{l}_2}];---\left(2\right)$

式中，l₁为距离保护的目标水体边界的距离，l₂为距离已经充分开采的采煤工作面边界的距离；

步骤八：当含水层的分水岭刚好处于保护的目标水体处时，保护的目标水体不会发生渗漏且煤炭资源得到最大程度的开采，依据步骤六与步骤七实测的基础参数，计算出满足保护的目标水体不通过含水层发生渗流的最小煤柱留设宽度：

$L_2=\sqrt{\frac{K}{W}}{h}_1;---\left(3\right)$

步骤九：设定M为隔水层的厚度，当H₁≥M时，保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L=max（L₁，L₂）；当H₁＜M时，L=L₁；

步骤十：煤层回采至距离保护的目标水体的最优煤柱留设宽度L时停止回采，防止保护的目标水体通过隔水层突涌到采空区，同时防止保护的目标水体通过含水层渗流到采空区。

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