CN104564074A - 一种实现煤矿区保水采煤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现煤矿区保水采煤的方法，采用分层间歇式开采法和限高开采法相结合的采煤方法为实施保水采煤的技术方案。煤矿2^-2煤层第一分层开采后地表移动变形的延续时间平均约为630天，在第一分层开采后，应间隔630天以后再开采其下第二分层。煤矿导水裂隙带最大发育高度约为25倍的采高。开采2^-2煤层时需进行采高控制，以达到控制导水裂隙带高度的目的，实现保水采煤。其隔水层隔水稳定性的判据为：H≥25h+40。本发明煤矿首采工作面开采2^-2煤层时，最佳的保水采煤为采用分层限高开采的方法，上分层限采高度为7m，工作面长度为300m。

Description

一种实现煤矿区保水采煤的方法

技术领域

本发明涉及一种采煤中的方法，尤其涉及了一种实现煤矿区保水采煤的方法。

背景技术

矿井涌水的形式、涌水量的大小对采煤生产的产生危害，其程度危害取决于两个条件：①充水水源的富水性和补给、径流、排泄的条件；②井巷和开采层与充水水源间相对隔水层厚度及其破坏的程度。因此，在分析研究煤矿充水条件和预测矿井涌水量的基础上，充分利用隔水层和隔水构造，制订出适用于该煤矿科学的开采措施，合理选择“保水采煤”的技术方案是十分必要的。

发明内容

本发明所要结解决的技术问题是提供一种实现煤矿区保水采煤的方法，克服了现有技术的缺点，具有高效开采及保水采煤的技术效果。。

本发明所要结解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种实现煤矿区保水采煤的方法，包括以下步骤：采用分层间歇式开采法和限高开采法相结合的采煤方法；在限制分层开采采高的前提下采用分层间歇式开采，待第一分层开采覆岩达到稳定状态后，再继续开采第二分层。

所述分层间歇式开采法的导水裂隙带发育最大高度按以下公式计算：

式中，H_裂为导水裂隙带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)；n为煤层开采层数

所述层间歇开采的间歇时间根据地表移动延续时间的计算公式计算：

T＝2.5H₀          (1)

式中，H₀为工作面平均采深(m)；T为间歇天数(d)。

所述煤矿2^-2煤层第一分层开采后地表移动变形的延续时间平均约为630天；在所述第一分层开采后，间隔630天以后再开采其下第二分层。

还包括：井田隔水层隔水稳定性按下式评判：H≥H_裂+40(2)；

还包括：所述煤矿导水裂隙带最大发育高度约为25倍的采高；

所述煤矿开采2^-2煤层时需进行采高控制，隔水层隔水稳定性的判据为：H≥25h+40。

所述开采2^-2煤层时，还包括煤矿首采工作面开采2^-2煤层时，通过采用分层限高开采的方法，上分层限采高度为7m，工作面长度为300m。

目前常用的方法中，可供选择的采煤方法主要有：长壁综合机械化一次采全高采煤法、限高开采法、分层间歇式开采法、长壁综合机械化放顶煤采煤法、短壁综合机械化采煤法、条带采煤法和充填开采方法。

(1)长壁综合机械化一次采全高采煤法

长壁综合机械化一次采全高采煤法是国有重点煤矿应用和发展的现代化采煤方法，这种方法采用的是高阻力、大功率、信息化控制、超长工作面和高速推进的安全高效模式，日产万吨以上。它在“保水采煤”中的应用，必须保证在开采中能够形成稳定的“三带”，且隔水层处于弯曲下沉带并保持稳定。榆树湾煤矿2^-2煤层平均厚度11.62m，目前技术还不能采用大采高液压支架一次采全高。

(2)限高开采法

在保水采煤中，煤层的上方覆盖层厚度不能保证处于弯曲下沉带的隔水层保持隔水稳定性时，采用限高开采。限高开采指由于受到隔水层层位的限制，为了实现含水层下煤层的安全开采，通过采用限制开采高度的方式，以保证导水裂隙带高度不能发展到隔水层的临界高度。这种开采方法能够有效的保水，但由于采高的限制，损失了一部分煤炭资源，故采出率较低。

(3)分层间歇式开采法

分层间歇式开采法是指在厚煤层分层开采时，先采上一个分层，待开采该层所引起的地表移动和变形趋于稳定后，再开采下一个分层的开采方法。

根据《矿井水文地质规程》，结合研究区煤层顶板岩层的工程地质特征(20102工作面上覆基岩抗压强度54～88Mpa属于坚硬岩层)，其导水裂隙带发育最大高度按以下公式计算：

式中，H_裂为导水裂隙带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)，榆树湾煤矿累积采厚为12m；n为煤层开采层数。计算结果见表1。

表1导水裂隙带高度计算结果

从计算结果可以看出，这种分层开采的方法可以有效抑制开采导水裂隙带发育高度，使覆岩的导水裂隙带高度比一次采全高小，且可以提高煤炭资源的采出率。因此，选用分层间歇式开采技术，对“保水采煤”十分有利。

在无实测资料的情况下，分层间歇开采的间歇时间可根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》中给出的地表移动延续时间的计算公式计算：

T＝2.5H₀      (1)

式中，H₀为工作面平均采深(m)；T为间歇天数(d)。

(4)长壁综合机械化放顶煤采煤法

长壁综合机械化放顶煤采煤法是我国创新发展的开采特厚煤层的一种采煤方法，也是一直备受争议的采煤方法。主要是因为它的采出率低，有害气体在采空区上方聚集，驱散排出的难度较大，一次采全厚引起的地面沉陷大。榆树湾煤矿2^-2煤层厚度大，从提高开采效率的角度考虑，可以采用长壁综合机械化放顶煤采煤法，但是开采后引起的围岩破裂必然破坏隔水层，所以，从“保水采煤”的角度考虑，不宜采用放顶煤技术。

(5)短壁综合机械化采煤法

短壁采煤法主要包括房式采煤法、房柱式采煤法、巷柱式采煤法及特定条件下的短壁采煤法。短壁综合机械化采煤法的一次采动规模小，对隔水层稳定性的影响也比较小，是“保水采煤”的适用方法之一。但是这种方法的开采效率相对较低，采出率低，资源浪费量大，且由于生产系统及安全性等方面存在一定问题，已被列为非正规采煤法。基于榆树湾煤矿的开采条件以及近年来国内外高产高效综采工作面的生产经验，该矿不适宜采用这种采煤法。

(6)条带采煤法

条带采煤法是国内外“三下”保护性开采广泛应用的一种采煤方法，这种方法是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条，留一条，通过只采出煤层的一部分，而保留条带煤柱，来控制上覆岩层和地表的下沉，保护建筑物、道路和水体。但因为此方法的采出率很低，巷道掘进多，工作面效率低，故属于临时性特殊开采方法，不宜大范围推广采用，一般是在接近水体并对矿井安全产生威胁较大的地点，才采用此法。

(7)充填开采方法

充填或置换的开采方法是指利用矸石、粉煤灰等固体废弃物，添加粘结料，按照一定比例混合后对采空区进行充填，以体积换体积的方式，把煤炭资源置换出来。这种方法可将煤炭全部或大部采出，亦可使覆岩不出现冒落带，只有裂隙带和弯曲下沉带，从而大大减少覆岩的破坏高度。但此类方法涉及取沙或土进行大量的充填，如果大面积采用，不仅成本高，对环境也将产生不利影响，也不宜大量采用，只能在关键开采区域局部使用。

综合分析上述采煤方法，在榆树湾煤矿的具体条件下，长壁综合机械化放顶煤采煤法应当受到限制，分层间歇式开采法和限高开采法相结合的开采方法应为研究区实施保水采煤的主要途径，即在限制分层开采采高的前提下采用分层间歇式开采，待第一分层开采覆岩达到稳定状态后，再继续开采第二分层。间歇时间由式(1)确定，由此计算榆树湾煤矿2^-2煤层第一分层开采后地表移动变形的延续时间平均约为630天。这样既能保证煤炭资源开采的采出率，又能有效的保护环境，其前提条件是保障隔水层的稳定性。

煤层开采后，隔水层及其隔水性能的稳定性存在的问题：

煤层开采后，隔水层的隔水性能可能受到影响，影响程度的大小主要取决于隔水层处于“三带”(冒落带，裂隙带和弯曲下沉带)的什么部位，其具体影响如下：

(1)隔水层位于冒落带内时，其隔水性能将会完全破坏，此时隔水层上方含水层中的水将全部涌入井下；

(2)隔水层位于裂隙带内时，其隔水性能也被破坏，破坏程度由导水裂隙带的下部向上部逐渐减弱，当含水层位于导水裂隙带下部时，含水层中的水将全部涌入井下，位于导水裂隙带的上部时，则会部分涌入井下；

(3)隔水层位于上覆岩层的弯曲下沉带下部时，其隔水性能可能受到微小影响，此时位于该范围内的含水层和上方水体中的水将有少量涌入井下；

(4)隔水层位于覆岩弯曲下沉带中部或上部时，其隔水性能不受采动影响，其上覆含水层水不会对开采工作造成影响。

采动隔水层的隔水稳定性，决定着保水采煤的可行性。本发明将采动隔水层的隔水稳定性简称为采动隔水性，根据前人研究，采动隔水性主要受以下因素影响：

(1)上行裂隙带：是指采动过程中由下向上发育的导水裂隙带，俗称导水裂隙带，位于冒落带以上，弯曲下沉带以下。该带岩层的渗透性高于岩层的自然渗透性。在垂直剖面上可分为严重断裂、一般开裂和微小开裂。具有导水性的上行裂隙就是传统意义上的导水裂隙。

(2)下行裂隙带：隔水层上表面受拉伸作用，产生的沿层面法向向下的拉张裂隙。其主要特点是隔水层渗透性因下行裂隙而增大，是潜水向下渗透的主要通道。

(3)弥合性：对于粘土隔水层，下行裂隙遇水后，由于粘土层的膨胀，较小的裂隙将闭合。

上行导水裂隙和下行裂隙未贯通时，如果具有一定的安全隔离厚度，就不会导致潜水流失。根据榆树湾井田的钻孔资料及综合柱状的覆岩情况，2^-2煤层上覆基岩总厚度平均117.6m，基岩之上为新近系的三趾马红土层(63.9m)和第四系的离石黄土层(38.7m)，它们构成了连续分布的隔水层，其厚度平均为102.6m。隔水层之上广泛发育有萨拉乌苏组含水层，潜水资源较为丰富，该含水层是井田内的主要含水层，具有供水意义，并对生态环境起控制作用。如果隔水层受到破坏，该层含水层的水将渗漏到采空区。为了达到“保水采煤”的目的，开采过程中形成的导水裂隙带不能波及该含水层，且需要留设一定厚度的安全防水煤岩柱加以保护，确保采动后隔水层的隔水性。

之前关于安全煤岩层保护层厚度的确定，大多是根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，不同岩性，采动后最小安全隔水层厚度达到3～5倍采高时，认为可以达到工程安全需要。但本研究区赋存情况特殊，从第四章的数值模拟结果来看，导水裂隙已经扰动到粘土层。中国矿业大学常金源等^[99]专门对砂土基型区隔水层临界厚度进行了研究，结果表明，隔水层在受到采动扰动以后，仍具有一定的隔水性，并将40m定为临界值，即回采后导水裂隙带发育到隔水层，且隔水层剩余厚度大于40m的地区可以实现保水采煤。本发明将以此厚度作为研究区隔水层的有效隔水厚度，判断隔水层的隔水性。因本区地表有松散覆盖层，其下伏地层依次为含水层和隔水层，隔水层具有弥合性，下行裂隙对隔水层的影响很小，故本发明在研究过程中不考虑下行裂隙的影响。因此，研究区隔水层隔水稳定性的判据为：

H≥H_裂+40       (2)

式中，H为煤层顶界至含水层底界的岩层厚度，m；H_裂为导水裂隙带高度，m。

由公式2可知，导水裂隙带高度的确定对判断隔水层的隔水性能具有重要的意义。

附图说明

图1为工作面推进250m时地表位移曲线图

图1-(a)为采高5m地表位移曲线图

图1-(b)为采高6m地表位移曲线图

图1-(c)为采高7m地表位移曲线图

图1-(d)为采高12m地表位移曲线图

图2为工作面推进250m时应力矢量图

图2-(a)为采高5m应力矢量图

图2-(b)为采高6m应力矢量图

图2-(c)为采高7m应力矢量图

图2-(d)为采高12m应力矢量图

图3导水裂隙带高度发育对比图

图4为导水裂隙带对基岩影响分区图(m)

图4-(a)为采高7m导水裂隙带对基岩影响分区图(m)

图4-(b)为采高5m导水裂隙带对基岩影响分区图(m)

图5-(a)为采高7m导水裂隙带对隔水层影响分区图(m)

图5-(b)为采高5m导水裂隙带对隔水层影响分区图(m)

图6-(a)采高7m潜水漏失程度分区

图6-(b)采高5m潜水漏失程度分区图

图7为采高3m的潜水漏失程度分区图

图8为上分层合理采高分区图

图9地表最大下沉盆地对比图

图10地表最大下沉值对比图

图11工作面推进800m时的最大主应力对比图

图11-(a)工作面长度250m

图11(b)工作面长度300m

图11-(c)工作面长度350m

图12工作面推进800m时的最小主应力对比图

图12-(a)工作面长度250m

图12-(b)工作面长度300m

图12-(c)工作面长度350m

图13工作面推进500m时的剪应力增量对比图

图13-(a)工作面宽度250m

图13-(b)工作面宽度300m

图13-(c)工作面宽度350m

图14导水裂隙带高度发育对比图

具体实施方式

如图1-图11所示的，煤层采高与隔水层稳定性的关系：

采高越大，覆岩破坏越严重。因此，控制采高是降低覆岩破坏高度的重要方法。榆树湾煤矿目前采用分层开采技术，首分层采高5m，实现了保水采煤。但生产实践过程中，在保证生产安全的前提下，可根据实际情况调整工作面采高，以达到最佳的效率和效益。上述对采煤方法和隔水层及其隔水性能稳定性分析的基础上，进一步将采用RFPA数值(中文含义)模拟的方法研究合理的限采高度。

(1)实验模型的建立

为了使实验结果具有可靠性和可对比性，对模型外形尺寸、边界控制条件和覆岩物理力学性质进行研究。方案Ⅰ为一次采全高(采高12m)，方案Ⅱ为首分层限高开采(采高6m)，方案Ⅲ为首分层限高开采(采高7m)。

(2)模拟计算结果分析

数值试验结果显示，采高的变化对地表移动变形和覆岩的移动破坏具有较明显的影响。采高越大，引起的最大地表下沉值、倾斜、曲率、水平移动及水平变形等移动变形参数就越大，上覆岩层破坏高度也就越大。通过工作面推进250m时的地表位移量曲线图，如图1-(a)、图1-(b)、图1-(c)、图1-(d)，如图2-(a)、图2-(b)、图3-(c)、图4-(d)应力矢量图可以明显看出以上特点：工作面推进250m，采高5m时产生的地表最大下沉值为3193mm，导水裂隙带高度130m；采高6m时产生的地表最大下沉值为3414mm，导水裂隙带高度137.5m；采高7m时地表最大下沉值增加至3471mm，导水裂隙带高度增加至146.5m；而当一次采全高12m时的地表最大下沉值可以达到3720mm，导水裂隙带高度可达158m，虽然未导通红土隔水层，但上部岩层中已有渗流迹点出现。

将采高分别为5m、6m、7m和12m时，每一步所对应的导水裂隙带高度数据提取出来，做出导水裂隙带高度发育对比图，见图3。从图中可以看出，导水裂隙带发育高度随着采高的增大而赠大，随着工作面推进距离的增大而增大。但导水裂隙带的发育过程总是随着煤层的开采、覆岩的沉降、离层、破坏的形成从发生、发育(上升)、最大高度到回降、稳定，并且随工作面的推进，导水裂隙带高度发育的突跳点基本在同一位置。

由图3可见，当采高12m工作面推进300m时，导水裂隙带高度已经达到202m，并且导水裂隙带显然还有继续向上发展的趋势，并没有发育到最大高度，随着工作面的继续向前推进，预测导水裂隙带将会导通隔水层，穿透含水层底界。这样萨拉乌苏组含水层的水将流入到井下，造成地下水位降低，严重时可以导致地下水疏干，井泉干涸，从而造成井下突水或淹井灾害事故，并会对植被生长产生极为不利的影响，这明显不符合“保水采煤”的目标。

若要使用一次采全高的方法，在采高12m的情况下实现保水采煤，只能限制工作面的推进距离，由公式1计算得，H_裂≤181m才能保证安全开采，由图3可以看出，此时对应的最大工作面推进距离为275m，也就是说，选用一次采全高采煤法，要达到“保水采煤”，工作面只能推进275m就不能继续向前推进了。这样虽然实现了保水，但导致了大量的煤炭资源不能被采出，造成了资源浪费，故榆树湾井田范围内开采2^-2煤层时，不适宜采用长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤法。

当采高5m时，导水裂隙带最大高度为130m，裂隙刚刚进入红土层；当采高6m时，导水裂隙带最大高度发育到148m，即还留有73m的保护层厚度；当采高7m时，导水裂隙带最大高度发育到168m，裂隙约达到红土层三分之二的位置，隔水保护层厚度还有53m，此时还是可以实现保水采煤的。可以看出，若选用分层限高开采，采高为5m、6m和7m时，导水裂隙带的最大高度均没有达到其安全开采的极限高度，可以不必限制工作面的推进距离便可以实现保水采煤。

数值模拟得到的覆岩导水裂隙带最大高度与采高的关系见表2。

表2覆岩导水裂隙带最大高度与采高的关系

如果用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》中的经验公式计算采用不同采高时的导水裂隙带最大高度，如下：

模式一：

式中，H_裂为导水裂隙带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)。

模式二：

式中，H_裂为导水裂隙带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)。

计算结果见表3。

表3导水裂隙带高度计算结果

与表2对比可知，经验公式计算结果与数值模拟结果相差较大，这说明在此研究区，经验公式已经不能正确预计导水裂隙带高度了，故经验公式在研究区内不适用。

表2显示，采高5m、6m和7m时的导水裂隙带最大高度和采高的比值分别为26、24.67和24，因此，根据数值模拟结果预测榆树湾煤矿首采工作面2^-2煤开采达到充分采动后，导水裂隙带最大发育高度约为25倍的采高。据此推算，若采高为8m，导水裂隙带最大高度将发育到200m，此时隔水保护层厚度仅剩21m，这个高度已经不能保证安全开采了，也就是说采高8m时，无法保证萨拉乌苏组含水层的水不流入到井下。综上所述，可以得出榆树湾煤矿首采20102工作面开采2^-2煤层时，采用分层限高开采的方法，最大安全开采高度为7m，即在“保水采煤”的前提下，选用7m采高可以达到最佳的开采效率和效益。

对整个榆树湾井田而言，开采2^-2煤层时适宜采用分层间歇式开采方法，并需要根据覆岩厚度和结构的变化确定合理的采高，以达到控制导水裂隙带高度的目的和最佳的开采效率和效益，实现含水层下的安全开采。依据公式2得：

H≥25h+40        (6)

式中，H为煤层顶界至含水层底界的岩层厚度，而h为采高。

应用上式，对整个井田进行限采高度的合理分区。首先分别按照采高为7m、5m和3m计算导水裂隙带高度，并根据其对隔水层的影响程度将研究区划分为三个区域：I—保水采煤区、II—一般失水区、III—严重失水区，分区标准见表4。

表4分区标准

根据井田内钻孔数据，运用surfer8.0生成采高分别为7m、5m时的导水裂隙带对基岩影响分区图(基岩厚度－导水裂隙带发育高度)和导水裂隙带对隔水层影响分区图(基岩厚度+隔水层厚度－导水裂隙带发育高度)，如图4-(a)、图4-(b)、图5-(a)、图5-(b)所示。图4中小于零的区域为导水裂隙带导穿基岩顶面的区域，大于零的区域为未穿透基岩的区域，即属于保水采煤区的一部分。图5中小于零的区域为导水裂隙带导穿基岩和隔水层的区域，即严重失水区。

将图4-(a)、图4-(b)和图5-(a)、图5-(b)分别叠加后发现，图5中0～40的区域全部在导水裂隙带导穿基岩顶面的区域内，则此区域所显示的厚度即为隔水层的剩余厚度，也就是说，图5中0～40之间的区域就是一般失水区，大于40的区域即为保水采煤区。由此生成潜水漏失量分区图，如图5.6所示。

由图6-(a)可以看出，首采工作面位于保水采煤区，故榆树湾煤矿首采20102工作面开采2-2煤层时，首分层选用7m采高可以实现保水采煤。且采高为7m时，研究区范围内大部分区域可实现保水采煤，一般失水区和严重失水区集中分布在研究区的东部，在这两个区域内，潜水在煤层回采后可能会出现不同程度漏失，直至疏干，故需降低采高的方法减弱上覆岩层的破坏程度，以此扩大保水采煤区的范围。图6-(b)显示，采高为5m时，一般失水区和严重失水区的范围已大大缩小，但若使全区均实现保水采煤，需继续降低采高，使得图中东部的一般失水区和严重失水区成为保水采煤区。运用同样的方法，做出采高3m时的潜水漏失程度分区图(图7)，图中显示研究区全区均为保水采煤区，故当采高3m时，全区可实现保水采煤。

综合以上分析结果，叠加采高分别为7m、5m和3m的潜水漏失程度分区图，可以得出研究区上分层合理采高分区图，如图8所示。

在图8中，将整个研究区划分为7m保水区、5m保水区和3m保水区。故榆树湾煤矿开采2^-2煤层时，上分层开采限采高度应由此图确定。上分层开采后，经过一定时间的覆岩移动，待覆岩移动达到稳定状态后，再按上述规则确定下一分层的开采厚度。

工作面长度与隔水层稳定性的关系：

工作面长度是决定其产量和效率的主要因素，适当加大工作面长度，不仅可以减少工作面的准备工程量，提高回采率，而且可以减少工作面端头进刀等辅助作业的时间，有利于提高工作面产量和效率。但研究表明，采空区的倾向斜长是影响顶板导水裂隙带高度的重要因素。因此，要实现“保水采煤”，必须综合考虑，合理选择工作面长度。本节将在上一节对合理采高研究的基础上，采用FLAC^3D数值模拟的方法研究合理的工作面长度。

(1)实验模型的建立

为了便于对比和研究数值模拟的计算结果，保证模拟结果的可靠性，建立模型外形尺寸进行研究，即走向长1000m，宽550m，平均高度约283m；设置边界控制条件和覆岩物理力学性质。模拟开挖时，方案Ⅰ工作面长度250m，方案Ⅱ工作面长度300m，方案Ⅲ工作面长度350m。采空区的长度仍然为800m，模型两侧各预留100m煤柱，煤层开采高度为首采工作面的合理采高7m。

(2)模拟计算结果分析

通过FLAC^3D中的fish语言从分步结果中分别提取不同工作面长度情况下的地表结点垂直位移数据，用Excel绘制采空区主断面上的地表下沉曲线并进行对比，如图9所示。

图9为工作面推进800m时不同工作面长度下的地表下沉盆地曲线，可以看出，在推进距离一定的情况下，随着工作面长度的加大，地表下沉盆地的范围明显增大，地表最大下沉值亦相应的增加。当工作面长度为250m时，地表主断面上的最大下沉值和下沉盆地的范围均最小；当工作面长度为300m和350m时，主断面上的地表下沉盆地的范围相差不大，工作面长度越小，地表下沉值越小。

提取分步计算过程中的地表最大下沉值，绘出随着工作面的推进，地表最大下沉值的变化曲线进行对比分析。从图10可以看出，随着工作面的向前推进，地表最大下沉值不断增大，当走向推进达到充分采动后，最大地表下沉值将趋于稳定，不再增大，但地表下沉盆地的范围会继续随着采空区面积的增大而增大，盆地出现平底状；工作面长度越大，地表最大下沉值越大，且随工作面推进其增大的速度越快。当工作面长度为250m时，充分采动后地表最大下沉值为4.1m，工作面长度为300m时，地表最大下沉值为4.8m，而当工作面长度为350m时，地表最大下沉值会将达到5.2m。

接下来运用与前述相同的导水裂隙带高度确定方法，来判断不同工作面长度下的导水裂隙带发育规律。图11为走向推进800m，工作面长度分别为250m、300m和350m情况下的最大主应力图。

通过对比发现，最大主应力基本是以采空区中心线为轴对称分布。随着工作面长度的增大，相同推进距离下的采空区面积增大，采空区两端煤壁所受到的压应力逐渐增大。工作面长度为250m情况下，采空区两端煤壁所受最大压应力为5.5MPa，工作面长度为300时，煤壁上的最大压应力为6.5MPa，工作面长度增大到350m，煤壁上的最大压应力已增大到了7MPa。除此之外，出现明显变化的是压应力和拉应力的范围。拉应力主要分布在采空区两端附近的上覆岩层中，而在采空区中部则分布层位很低，甚至出现缺失，在采空区中部随着工作面长度的增大，逐渐形成高挤压应力区。工作面长度为250m时，采空区顶板上有连通的拉应力区，拉应力区之上为压应力区，最大压应力为1MPa；而随着工作面长度的增大到300m，拉应力区从近开切眼处断开，上部岩层的压应力区扩大，且值增大为1.5MPa；工作面长度350m时，顶部压应力区的范围继续扩大，最大值为2MPa。

从图12中可以看出工作面长度不同情况下最小主应力分布的不同，最小主应力压应力区主要集中在采空区两端煤壁处，其压应力随着工作面的长度的加大而增大，由18MPa增加到了22Mpa，而顶板压应力中心值减小。

工作面推进到500m时不同工作面宽度下的剪应变增量图见图13。对比发现，工作面宽度虽然不同，但在煤层上覆的基岩层中，高剪应变增量区表现为两端低中部高的特点；而在松散岩层底部，高剪应变增量区则表现出相反的特点。当工作面宽度有250m增加到350m时，采空区上部基岩中的高剪应变增量区主要分布范围向开切眼处略有收缩，而在停采线处则表现为向采空区中部伸展的特点；同时，在松散层与基岩层接触的层位，采空区两端的剪应变增量区，逐渐向地表发展，当工作面宽度达到350m时，剪应变增量近零线已经达到地表。

数值模拟结果综合分析表明，导水裂隙带高度随工作面长度的增长而其发育最大高度增高，故选择合理工作面长度可有效控制导水裂隙带的高度。综合判断采高为7m时不同工作面长度下的导水裂隙带高度发育情况，并做出对比图见图14。图中显示，工作面长度越长，导水裂隙带发育越高；不同工作面长度情况下，导水裂隙带随着工作面的推进其变化形态是基本相同的。当工作面长度为250m时，导水裂隙带高度随着工作面的推进而增高，当工作面走向推进到500m时达到最高值146m之后不再升高；当工作面长度为300m时，导水裂隙带最大高度升高到160m；当工作面长度加大到350m时，工作面推进到400m时的导水裂隙带高度已经到达163m，随着工作面继续推进，导水裂隙带会继续向上发展，工作面推进到500m前它已经穿透隔水层，到达地表。

从以上分析可知，当采高为7m时，工作面长度为250m和300m均不用限制工作面的走向推进距离就可以实现安全开采；要在工作面长度为350m的情况下实现保水采煤，则必须限制工作面的推进距离，由公式1计算得，要实现安全开采H_裂≤181m，也就是此时最大推进距离不能超过400m。故工作面长度为300m最为可行，此时导水裂隙带最大高度为160m，其上的隔水土层仍具有隔水性能，可以实现保水采煤。

综合以上分析结果可得，榆树湾煤矿首采工作面开采2^-2煤层时，最科学的“保水采煤”技术方案应为采用分层限高开采的方法，上分层开采高度为7m，工作面长度为300m。此方案即能实现“保水”，又能保证矿井的安全生产和最佳开采效率和效益，实现水资源、生态环境保护与煤炭资源开发并举的目标。

总结本发明的技术特征和优点：

(1)结合榆树湾煤矿的具体条件，对比分析现阶段的采煤方法，得出分层间歇式开采法和限高开采法相结合的采煤方法应为研究区实施保水采煤最科学的技术方案。

(2)根据经验公式，榆树湾煤矿2^-2煤层第一分层开采后地表移动变形的延续时间平均约为630天。所以，在第一分层开采后，应间隔630天以后再开采其下第二分层。

(3)榆树湾井田隔水层隔水稳定性按下式评判：H≥H_裂+40。

(4)榆树湾煤矿导水裂隙带最大发育高度约为25倍的采高。

(5)榆树湾煤矿开采2^-2煤层时需进行采高控制，以达到控制导水裂隙带高度的目的，实现保水采煤。其隔水层隔水稳定性的判据为：H≥25h+40。

(6)综合分析研究结果，将整个研究区划分为7m保水区、5m保水区和3m保水区，并得到合理采高分区图。榆树湾煤矿开采2^-2煤层时，上分层合理采高应据此图确定。上分层开采后，经过一定时间的覆岩移动，待覆岩移动达到稳定状态后，再按上述规则确定下一分层的开采厚度。

(7)榆树湾煤矿首采工作面开采2^-2煤层时，最科学的“保水采煤”技术方案应为采用分层限高开采的方法，上分层限采高度为7m，工作面长度为300m。

Claims (6)

1.一种实现煤矿区保水采煤的方法，包括以下步骤：采用分层间歇式开采法和限高开采法相结合的采煤方法；在限制分层开采采高的前提下采用分层间歇式开采，待第一分层开采覆岩达到稳定状态后，再继续开采第二分层；

所述分层间歇式开采法的导水裂隙带发育最大高度按以下公式计算：

式中，H_裂为导水裂隙带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)；n为煤层开采层数

所述层间歇开采的间歇时间根据地表移动延续时间的计算公式计算：

T＝2.5H₀   (1)

式中，H₀为工作面平均采深(m)；T为间歇天数(d)。

2.一种实现煤矿区保水采煤的方法，所述煤矿2^-2煤层第一分层开采后地表移动变形的延续时间平均约为630天；在所述第一分层开采后，间隔630天以后再开采其下第二分层。

3.根据权利要求1或2的一种实现煤矿区保水采煤的方法，还包括：井田隔水层隔水稳定性按下式评判：H≥H_裂+40；

4.根据权利要求1或2的一种实现煤矿区保水采煤的方法，还包括：所述煤矿导水裂隙带最大发育高度约为25倍的采高；

5.根据权利要求1或2的一种实现煤矿区保水采煤的方法，所述煤矿开采2^-2煤层时需进行采高控制，隔水层隔水稳定性的判据为：H≥25h+40。

6.根据权利要求1或2的一种实现煤矿区保水采煤的方法，所述开采2^-2煤层时，还包括煤矿首采工作面开采2^-2煤层时，通过采用分层限高开采的方法，上分层限采高度为7m，工作面长度为300m。