CN103628876B - 急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法 - Google Patents

Abstract

针对建(构)筑物下急倾斜深部压煤范围大、传统的倾向条带方法采出率低、生产效率低的问题，本发明公开一种急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法。以建(构)筑物群保护煤柱为中心，将倾角大于45°的急倾斜煤层按开采水平、沿煤层走向划分多个块段式采区，布置开采块段和条带煤柱。依据非充分开采沉陷原理和煤柱稳定性要求，确定块段式采区的宽度和倾向条带煤柱宽度，在采区内布置多个俯伪斜工作面。采区内进行自上而下、切眼平齐、多工作面联合回采，采区之间采取跳采区间歇布置、跨采区协调开采。本发明能平衡煤柱开采各阶段的沉陷影响，控制地表移动变形，既提高了保护煤柱的回收率，又提高了生产效率，对煤层倾角有更好的适合性。

Description

急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法

技术领域

本发明涉及一种煤层开采方法，特别涉及一种急倾斜煤层岩层移动控制的深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法。

技术背景

随着急倾斜煤层开采深部化，我国急倾斜矿井三下压煤问题日益严重。如北京木城涧煤矿大台井，侏罗系煤层倾角45～88°，开采深度大于500m。可采煤层8个，涉及地面受护对象种类多，结构差别大，村庄、铁路、井筒与工业广场压压煤达1100万吨，占矿井总储量的三分之一。

为了保证井上下保护对象的安全，大台井要求本区煤柱开采对地面一般建(构)筑物的影响不超过II级破坏；井筒、生产设备、铁路等工业设施设备满足《建筑物、铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称三下采煤规程)的保护要求。

而大台井采用的是俯伪斜走向长壁采煤法，工作面两侧顺槽的伪倾角约25°。如果留设倾斜煤柱，必将减小工作面走向推进长度，降低生产效率，提高巷道掘进率，这对于保证矿井的生产能力和经济效益极其不利，这也是该矿在八十年代条带法试采不成功的主要原因。同样，留设走向条带也存在上述不利因素，同时会极大地影响条带煤柱的稳定性。

又如开滦马家沟矿井田范围内厂企和村庄下急倾斜深部压煤严重，仅耿家营、开平镇就压煤536.1万吨，还涉及半钢集团和鸿达集团的采动影响，建筑物下深部开采已成为关乎本矿生存和长远发展的关键技术问题。

资源滞压造成矿井生产接替紧张，严重制约企业的长远发展。如果采用传统的倾斜窄条带法开采，进行单一采区布置，不仅采出率低、生产效率低、掘进率高；而且会带来变形分布不均、矿压集中等问题。

过去几十年来，我国建筑物下采煤主要采取条带法开采、长壁大面积协调开采、充填开采、建(构)筑物加固技术等。条带开采应用简便，减沉效果好，在我国得到广泛应用。条带采煤法的实质是将开采煤层按一定的尺寸划分留设煤柱和开采空间，用留设的煤柱来支撑煤层的上覆岩层，控制地表的移动和变形。实践表明，条带采煤法同全采方法相比，采出率虽然低一些，但它能大幅度降低地表的下沉值和变形值，特别是煤层上覆岩层中有较厚坚硬岩层，煤层底板岩层也较坚硬时，控制效果就更加明显。

常规条带开采可分为倾向条带和走向条带两种布置方式。倾向条带就是条带长轴沿煤层倾斜方向布置，其特点是适应性强，煤柱的稳定性好，缺点是工作面搬家次数频繁。走向条带是指条带煤柱的长轴沿煤层的走向布置，适应于煤层倾角较小的煤层，其优点是解决了工作面搬家次数频繁的问题，但增加了巷道的掘进率。

在急倾斜煤层开采条件下，由于煤层倾角较大，岩石重力方向与岩石层面所成的夹角变小，使上覆岩层荷载垂直岩石层面的分量减小，平行于岩石层面的分量大大增加，煤柱的受力状态与缓倾斜开采条件完全不同。在急倾斜煤层群开采条件下，不同煤层煤柱之间的相互作用能力减小，煤层群之间相互影响产生的应力集中效应减弱，就有可能同时开采更多煤层而不对煤柱的稳定性造成较大破坏。因此，进行急倾斜煤层群煤柱开采，条带煤柱留设需要考虑的问题更加复杂，对顶底板岩层移动实施控制的技术难度更大。

综上所述，应综合考虑煤柱开采问题，加大条带采宽，创新开采与布置方法。针对建(构)筑物下急倾斜深部压煤范围大、传统的倾向条带方法采出率低、生产效率低的问题，本发明公开一种急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对煤层倾角大于45°的急倾斜煤层，提供一种能够有效地控制岩层与地表的移动和变形、能够减小采动损害，并且提高煤炭回收率的岩层移动控制的急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法。

本发明通过以下技术方案实现：急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，以建(构)筑物群保护煤柱为中心，将倾角大于45°的急倾斜煤层按开采水平、沿煤层走向划分多个块段式采区，在块段式采取内布置开采块段和倾向条带煤柱；依据非充分开采沉陷原理和煤柱稳定性要求，确定块段式采区的宽度和倾向条带煤柱宽度，在采区内布置多个俯伪斜工作面；采区内进行自上而下、切眼平齐、多工作面联合回采，采区之间采取跳采区间歇布置、跨采区协调开采。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，每个开采水平的垂高为100米，上下开采水平之间的倾向条带煤柱中心对齐。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，每个开采水平的垂高为100米，进行多采区联合布置，实行跳采区间歇布置、跨采区协调开采；煤层局部区域可跨两个水平布设工作面。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，倾向条带煤柱的宽度对煤柱的稳定性和对岩层控制效果影响大。在急倾斜煤层开采条件下，岩石重力方向与岩石层面所成的夹角变小，使上覆岩层荷载沿岩层法向的分量减小，切向分量大大增加，缓倾斜开采条带煤柱设计常用的极限强度理论不再适用于急倾斜煤柱的稳定性分析。本发明在进行大量实验的基础上，总结出中硬围岩条件下条带煤柱宽度设计公式：倾向条带煤柱宽度的最小尺寸为：其中：H为采深，M为煤厚，H和M的单位均为米；倾向条带煤柱宽度是指沿煤层走向的长度，单位为米；其它岩性的围岩，倾向条带煤柱宽度的最小尺寸根据具体情况做相应调整。

当采深H为500m、煤厚M为1m或3m时，倾向条带煤柱宽度的最小尺寸W_p分别为54m或62m【采深：煤层开采深度；煤厚：煤层开采厚度，下同】；

当采深H为600m、煤厚M为1m或3m时，条带煤柱宽度的最小尺寸分别为64m或72m；

当采深H为800m、煤厚M为1m或3m时，条带煤柱宽度的最小尺寸W_p分别为84m或92m。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，根据非充分开采原理和大台井岩性条件，块段式采区条带开采法的块段式采区最大长度按式下式计算：

由于块段式采区宽度与煤层开采厚度和覆岩岩性有关，对于中硬岩层来说，块段式采区宽度的最大尺寸为其中：H为采深，M为煤厚；块段式采区宽度是指沿煤层走向的长度；其它岩性的围岩，块段式采区宽度依据开采沉陷规律做相应调整。

当采深H为400m时，薄煤层(M≤1.3m)，块段式采区宽度W_b的最大尺寸为100m和133m；

当采深H为500m时，厚煤层(M＞3m)，块段式采区宽度W_b的最大尺寸为125m，最佳为100m；

当采深H为600m时，厚煤层(M＞3m)，块段式采区宽度W_b的最大尺寸为150m，最佳为120m；

对于1.3m＜M≤3m的中厚煤层来说，H1/4＜W_b＜H1/3，如果M距离1.3m较近，则选择距离H1/3距离较近的数；如果M距离3m较近，则选择距离H1/4较近的数。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，采区之间采取跳采区间歇布置、跨采区协调开采；即开采顺序的安排是：先隔一个采区跳采一个采区，然后回采其余采区，采区内的工作面按自上而下的顺序推进、当上工作面推进到与下工作面切眼平齐时，上下工作面进行同步联合回采。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，在多煤层情况下，根据每个煤层与受保护建筑物群或构筑物群的距离，按先远后近顺序，进行同水平逐层煤回采；如果同一采区必须进行两层煤同时开采，则同时开采的两层煤之间最小间距应满足下式：

上式中h为阶段垂高，单位：米；α为煤层倾角，单位：度；β为煤层顶板垮落角，单位：度。

上述急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，当两层煤之间距离小于D时，应先开采上部煤层，即先开采与受保护建筑物群或构筑物群距离较小的煤层。

在本发明的技术方案中：

1)布置方式：以受护建(构)筑物群为中心，布置长走向采区，或进行多采区联合布置，以两个水平(垂高200m)实行跨采区、跨水平协调开采，以避免在走向上将形成多个长期的开采边界和对地表的多轮次开采影响，改善煤柱回采过程中的地表变形分布，控制地表动态变形值。

2)开采方法：采取倾向块段式宽条带布置，应用走向非充分开采原理，优化块段条带的采宽，控制地表移动变形幅度；利用断层煤柱、石门煤柱作为条带煤柱，一柱多用，提高煤柱效率，避免断层活化引起非连续变形。

3)开采顺序：实行多煤层逐层间歇开采。重点受护对象的煤柱按照先远后近顺序开采；其他受护对象的煤柱，按照协调布置、平衡影响的原则设计开采顺序。同时考虑压力解放层优先、上行与下行开采相邻影响。

4)保障措施：上下水平之间控制保护煤柱高度，避免上部采空区发生抽冒。通过地表移动观测和建(构)筑物的变形监测，根据实际地质揭露及时修改方案，保障井上下的生产安全。

在本发明中，开采块段内部采用的采煤方法为柔性金属掩护支架采煤法(煤厚＞1.6m)和俯伪斜走向分段密集采煤法(煤厚＜1.6m)，这是目前急倾斜煤层开采安全、可靠的开采方法。

本发明开采急倾斜煤层群时，除煤层顶板冒落移动外，在一定条件下，底板岩层也可能移动滑落。如果煤层间距较近，不仅要考虑下层煤开采对上层煤的影响，还必须考虑上层煤开采对下层煤的影响。

一般来说，影响煤层群开采顺序的主要因素有：(1)煤层受其它煤层采动影响后的可采性问题。当两层煤间距较小时，如果首先开采下部煤层，或者开采下部煤层时没有采取保护性开采措施，下部煤层的冒落带发展到上部煤层，造成上部煤层的破坏而无法正常开采。(2)煤层群开采后保留煤柱的稳定性问题。考虑到大台井永久煤柱的开采涉及地表一些重要的建筑物需要保护，不可避免地需要留设一定的条带煤柱来控制上覆岩层的移动和破坏。如果两层煤间距较小，则同时保留倾向条带煤柱产生的应力集中将不利于保持这些煤柱的长期稳定。(3)煤层开采后上覆岩层的移动破坏对其它煤层煤柱的稳定性影响问题。其它煤层冒落带、裂缝带的扩展对煤柱长期稳定性的影响。(4)是否存在优先开采解放层的问题。在有冲击矿压危险性的条件下，应优先开采解放层。

根据国家《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐，进行建筑物下开采煤层群时，如果煤层之间的距离允许，可以采用上行开采顺序，但上层煤的开采应在下层煤开采引起的岩层移动基本稳定后进行，使上层煤的开采处于岩层移动终止的范围内。建议在下层煤开采结束至少6个月后再开采相临的上层煤。即需进行间歇开采。

无论煤层群开采顺序如何，同一采区各煤层的开采范围在走向方向上应保持一致，以保证采区边界煤柱相互对齐，确保边界煤柱的稳定性。

本发明的技术方案具有如下有益的技术效果：本发明的技术方案适用于煤层倾角大于45°的急倾斜煤层。通过扩大采区、扩大开采水平、跨采区工作面布设、协调块段开采顺序、留设倾向条带煤柱、走向伪斜长壁开采以及多煤层跨采区、跨水平协调间歇布置等技术措施，对急倾斜煤层群深部开采地表变形进行控制，减少地表不均匀沉降和变形，使地表形成均匀的下沉盆地，提高深部三下开采效率和资源采出率，总体上控制急倾斜煤层群长走向煤柱开采过程中的变形

本发明通过条带协调间歇开采，实行急倾斜煤层群深部开采岩层移动与变形的时空协调控制，减小地表下沉，减缓地表变形，从而实现急倾斜煤层群深部三下采煤；同时，提高了急倾斜煤柱的采出率和生产效率，避免岩层抽冒和地面发生突发性的塌陷。

附图说明

图1为急倾斜煤层群采煤区的倾向剖面块段布置图；

图2为急倾斜煤层单水平跨采区块段式倾向条带布置立面图；

图3为急倾斜煤层跨水平跨采区块段式倾向条带联合石门布置立面图；

图4a-4g为大台井-210m水平西八～西十一采区各煤层开采设计立面图：图4a 3槽开采设计立面图(图中图例与图4b-4g相同)；图4b 4槽开采设计立面图；图4c 5槽开采设计立面图；图4d 6槽开采设计立面图；图4e N8槽开采设计立面图；图4f 10槽开采设计立面图；图4g 11槽开采设计立面图；图4a-4g中相同图例的含义相同。

图5为大台井-210m水平各阶段开采后地表移动变形曲线图；在图5中自上而下分别是：第一阶段开采后地表移动变形曲线图，第二阶段开采后地表移动变形曲线图，第三阶段开采后地表移动变形曲线图和对应的地址剖面图；这自上而下的四幅图是密不可分的，它们的横坐标是对应的：起点均在底板，终点在顶板一侧对地表移动变形影响以外的地方；从图5能够看出不同开采阶段对地表移动变形的影响。

图6a-6c为大台井-210m水平各阶段地表下沉等值线图，其中：图6a为第一阶段，图6b为第二阶段，图6c为第三阶段；洋红色代表地表建筑物或构筑物情况，黑色方框代表工作面开采区域，蓝色代表下沉等值线。

图7a-7b为急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向煤柱协调开采地表移动变形曲线图，其中：图7a为急倾斜煤层跨采区跳采，图7b为急倾斜煤层跨采区全采；

图8a-8b为急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向煤柱协调开采地表下沉等值线图，其中：图8a为急倾斜煤层跨采区跳采，图8b为急倾斜煤层跨采区全采。

具体实施方式

下面通过实例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

煤层群开采顺序如图1所示，急倾斜煤层群含可采煤层6个，从下到上分别为3#、5#、6#、8#、10#和12#煤；对大台井急倾斜煤层群采煤区进行开采，倾向剖面划分成2个开采水平，从上到下分别为-110m水平和-210m水平，阶段垂高各100m；共开采12个块段，从左到右、从上到下分别为块段1、块段2、……、块段12。煤层群分水平开采顺序为先开采上水平，再开采下水平，同一开采水平开采顺序为块段1、块段3、块段2、块段4、块段5和块段6。

跨采区块段式开采顺序如图2所示，将大台井西八～西十一采区划分成2个开采水平，从上到下分别为-110m水平和-210m水平，阶段垂高为100m；3个条带煤柱，从左到右分别为煤柱1、煤柱2和煤柱3；4个采区，从左到右分别为采区1、采区2、采区3和采区4。其中采区1包含6个工作面，-110m水平：工作面11、12、13，-210m水平：工作面14、15、16；采区2包含6个工作面，-110m水平：工作面21、22、23，-210m水平：工作面24、25、26；采区3包含6个工作面，-110m水平：工作面31、32、33，-210m水平：工作面34、35、36；采区4包含5个工作面，-110m水平：工作面41、42，-210m水平：工作面43、44、45。一个采区内工作面的开采顺序总体为自上而下、切眼平齐、多工作面联合回采，例如采区2上水平有3个工作面21、22和23，回采时先开采22工作面，当22工作面开切眼与23工作面平齐时，22与23工作面同时回采，随工作面推进，切眼与21工作面平齐时，三个工作面联合回采。

跨水平跨采区块段式开采顺序如图3所示，将大台井西八～西十一采区划分成1个开采水平，为-210m水平，阶段垂高为200m；3个条带煤柱，从左到右分别为煤柱1、煤柱2和煤柱3；4个采区，从左到右分别为采区1、采区2、采区3和采区4。采区1包含3个工作面，-210m水平：工作面11、12、13；采区2包含4个工作面，-210m水平：工作面21、22、23、24；采区3包含3个工作面，-210m水平：工作面31、32、33；采区4包含4个工作面，-210m水平：工作面41、42、43、44。

图2和图3中均首先开采采区2和采区4，此时为非充分开采，采区1、采区3和4个条带煤柱对两侧采空区扩展和应力连续分布起到了很好的阻隔作用，对地表的沉降变形起到了一定的控制作用，岩层和地表移动变形值较小；然后开采采区1和采区3，此时为充分开采，使地表形成均匀的下沉盆地，对地表变形进行了控制。

实施例2

如图4a-4g、图5及图6a-6c所示，大台井-210m水平西八～西十一采区为急倾斜煤层群，可采煤层有7层，由上到下分别为11槽、10槽、N8槽、6槽、5槽、4槽、3槽。煤层走向NE45°～NE54°，倾向北西，煤层倾角60°～70°，平均65°，走向长度平均约1200m，开采标高-210m～-110m，开采垂高100m，开采深度460m～560m，煤层累计厚度为10.78m。煤层的开采顺序为多煤层联合开采，即第一阶段开采4槽、N8槽、11槽；第二阶段开采3槽、6槽；第三阶段开采5槽、10槽。西十采区断层多，无法布置工作面，此处以断层为中心留设保护煤柱。若使用本发明急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，通过利用发明人开发的“急倾斜煤层开采沉陷预测分析系统(此预测分析为现有技术)”模拟计算。-210m水平各阶段开采后地表移动变形最大值见表1。

表1 -210m水平各阶段开采地表移动变形最大值

实施例3

某矿为急倾斜煤层群，下边界采深600m，煤层倾角70°，采厚3m，阶段垂高100m，工作面走向长250m，煤柱留宽80m，覆岩整体为中硬岩性。通过利用发明人开发的“急倾斜煤层开采沉陷预测分析系统(此预测分析为现有技术)”模拟计算。采用急倾斜多煤层深部跨采区协调开采方法开采后的地表移动变形分布。由图7a和8a可知，采区1、采区3和采区5开采后，采区2、采区4和采区间条带煤柱对两侧采空区扩展和应力连续分布起到了很好的阻隔作用，使地表处于非充分开采状态，对地表的沉降变形起到了一定的控制作用，岩层和地表移动变形值较小，地表形成浅下沉盆地，变形也较小；然后开采采区2和采区4，如图7b和8b，使地表同步下沉，形成均匀的下沉盆地，对地表变形进行了控制，抵消了地表动态变形对地表建(构)筑物的影响。

总之，急倾斜煤层群浅部开采时，影响范围小，可以不受保护地表建(构)筑物的限制进行开采，通常布置为小阶段、小采区、小工作面，采用短壁柔性金属掩护支架采煤法(煤厚＞1.6m)和俯伪斜走向分段密集采煤法(煤厚＜1.6m)进行煤柱回采。随着矿井开拓深部化，建(构)筑下采煤受到控制地表移动变形的制约，本发明在不改变采煤方法的前提下，通过扩大采区、扩大开采水平等技术措施，减少地表不均匀沉降和变形，提高深部三下开采效率，提高采出率，总体上控制急倾斜煤层群长走向煤柱开采过程中的变形。

Claims (1)

1.急倾斜煤层深部跨采区块段式倾向条带协调开采方法，其特征在于，以建筑物群或构筑物群的保护煤柱为中心，将倾角大于45°的急倾斜煤层按开采水平、沿煤层走向划分多个块段式采区，在块段式采区内布置开采块段和倾向条带煤柱；依据非充分开采沉陷原理和煤柱稳定性要求，确定块段式采区的宽度和倾向条带煤柱宽度，在采区内布置多个俯伪斜工作面；采区内进行自上而下、切眼平齐、多工作面联合回采，采区之间采取跳采区间歇布置、跨采区协调开采；

每个开采水平的垂高为100米，上下开采水平之间的倾向条带煤柱中心对齐；

进行多采区联合布置，实行跳采区间歇布置、跨采区协调开采；煤层局部区域跨两个水平布设工作面；

对于中硬岩层，倾向条带煤柱宽度的最小尺寸为：其中：H为采深，M为煤厚，H和M的单位为米；倾向条带煤柱宽度是指沿煤层走向的宽度，单位为米；

对于中硬岩层来说，块段式采区宽度的最大尺寸为其中：H为采深，M为煤厚；块段式采区宽度是指沿煤层走向的长度；

采区之间采取跳采区间歇布置、跨采区协调开采；即开采顺序的安排是：先隔一个采区跳采一个采区，然后回采其余采区，采区内的工作面按自上而下的顺序推进、当上工作面推进到与下工作面切眼平齐时，上下工作面进行同步联合回采；

在多煤层情况下，根据每个煤层与受保护建筑物群或构筑物群的距离，按先远后近顺序，进行同水平逐层煤回采；如果同一采区必须进行两层煤同时开采，则同时开采的两层煤之间最小间距应满足下式：

<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>h</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

上式中h为阶段垂高，单位：米；α为煤层倾角，单位：度；β为煤层顶板垮落角，单位：度；

当两层煤之间距离小于D时，应先开采上部煤层，即先开采与受保护建筑物群或构筑物群距离较小的煤层。