CN106337685B - 一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法 - Google Patents
一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法。实施方法是在煤层与其伴生油页岩位于合理开采层间距范围内时，先开采位于下部的煤炭资源，充分利用矿山支承压力使位于上覆岩层中的伴生油页岩发生破坏、强度降低。然后再滞后开采上部的伴生油页岩，实现煤炭与其伴生油页岩两种资源联合开采。这样能够避免油页岩单独开采时，因油页岩强度较大而导致采煤机破岩困难的缺点。该开采方法能够充分利用已有的基础设施和井巷工程，减少巷道掘进量，减少投资、成本低，可有效杜绝或减少与煤炭伴生的油页岩丢弃严重的现象，提高资源利用率，经济价值巨大，对缓解常规能源供需压力、调整能源结构和保障能源安全具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明专利涉及到煤炭与其伴生资源的开采工艺技术领域，具体涉及一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法。
背景技术
我国油页岩资源储量丰富，在一些地区的煤矿也伴生油页岩资源。随着能源紧缺矛盾日益突出，必须合理使用现有资源并且积极进行伴生资源的开采利用。油页岩是一种储量十分丰富但尚未被很好利用的矿产资源，与煤炭伴生的油页岩资源的开采利用，可以接替部分常规油气，缓解我国能源压力。为此，国家“十三五”对矿产资源开发初步提出了“稳油、兴气、控煤、增铀”的规划思路。
目前，煤炭开采有分层开采、一次采全高、放顶煤开采等方式。油页岩的开采方式主要有两种：直接开采和地下转化工艺技术(ICP)。其中，直接开采包括露天开采和井下开采。在油页岩井下开采中，因其赋存特点比较接近煤炭，我国多数油页岩矿的开采方法均参考或直接借用煤炭的开采方法。由于我国多数伴生油页岩的煤矿只注重煤炭这一单一资源，加之投资成本的限制以及油页岩强度较大，直接开采油页岩会造成采煤机破岩困难、降低采煤机破岩效率等问题，因此目前往往只回采煤层而不及时开采与煤炭伴生的油页岩。从而导致油页岩层遭到破坏不利于今后的回采，造成有益矿产资源的浪费与损失。即使将来回采油页岩，整个生产系统也必须重新布置，并且会与现行煤炭生产系统发生严重干扰，投资成本、安全风险及管理难度将大大增加，回采工艺难度也会加大，不利于煤矿的可持续发展。所以，在一些矿区探索煤炭与其伴生油页岩的联合开采是实现煤矿可持续发展的一条新途径。
因此，有必要设计一种合理的联合开采方法来开采近距离赋存的煤炭与其伴生油页岩。本发明提出的煤炭与其伴生油页岩联合开采方法是指煤层与其伴生油页岩位于合理开采层间距范围内时，先开采处于下部的煤炭资源，充分利用矿山支承压力使位于上覆岩层中的伴生油页岩发生破坏，降低油页岩的强度，然后再滞后开采上部的伴生油页岩。这样可避免油页岩单独开采时，因油页岩强度较大而导致采煤机破岩困难的缺点。该开采方法能够充分利用已有的基础设施和井巷工程，减少巷道掘进量，降低投资成本，经济价值巨大，煤炭和伴生油页岩两种能源的有效回收对缓解常规能源供需压力、调整能源结构和保障能源安全具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是为解决近距离赋存的煤炭与其伴生油页岩的开采问题，而设计了一种安全高效、可持续、低成本、资源回收率高、生产工序简单的煤炭与其伴生油页岩两种资源联合开采方法。
为实现上述目的，该方法的具体步骤如下：
1)根据煤炭的实际地质赋存情况计算下部煤层开采后采空区上覆岩层中垮落带和裂隙带的最大高度，确定煤层与其上部伴生油页岩的合理开采层间距范围，当伴生油页岩处于垮落带范围内时，油页岩强度较低，有利于采煤机切割，但其整体连续性受到严重破坏，容易产生较大的台阶错动，导致油页岩开采时需要挑顶或卧底；当伴生油页岩处于弯曲下沉带范围内时，其整体连续性较好，但油页岩强度仍然较高，不利于采煤机切割，因此，伴生油页岩应处于裂隙带内，这样既能保证油页岩产生一定程度的损伤破坏，降低其强度，又能避免其发生台阶错动，煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距范围D为：Hk＜D＜Hl，式中，Hk为垮落带最大高度，m；Hl为裂隙带最大高度，m；
2)在煤层与其上部伴生油页岩位于合理开采层间距范围内时，采用与煤层赋存特点相符合的煤炭开采技术先开采下部的煤层，煤层采出后采空区上覆岩层在矿山支承压力作用下发生变形、移动、弯曲和破坏，使上覆岩层中的油页岩发生破坏、强度降低；
3)在下部煤层已开采一定距离后，伴生油页岩在上覆岩层的重力作用下被重新压实，待油页岩被重新适当压实后，再开采上覆岩层中的油页岩；
4)伴生油页岩工作面的回采巷道布置于下部煤层开采后，油页岩中的应力降低区，采用全空间协同控制技术支护；
5)在滞后开采上部伴生油页岩资源过程中，上部油页岩工作面布置于顶板运动破坏稳定区，采煤机先开采靠近煤层强度更低的油页岩，使远离煤层的油页岩发生进一步的卸荷破坏。
所述步骤1)中垮落带和裂隙带的最大高度参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列公式，根据煤层倾角，将煤层分成缓、中、急倾斜三类，煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算用表1所列公式：
表1煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算公式
表1煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算公式(续)
公式中：D为煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距范围，m；h为开采阶段垂高，m；M为煤层采高，m；ΣM为煤层累计采高，m；公式适用范围：单层开采高度不超过3.0m，累计采高不超过15m；公式中±号项为中误差。
所述步骤1)中伴生油页岩若位于下部煤层的垮落带内，下部煤层采用充填式开采方法。
所述步骤2)中的煤炭开采技术采用分层开采或一次采全高或放顶煤开采。
所述步骤3)中的伴生油页岩滞后开采的距离不能太长，否则油页岩被重新压实后，强度升高，不利于油页岩的开采，合理的煤层与其伴生油页岩的工作面间距采用l＝H(cotψ0+cotδ0)公式计算，式中：l为采煤工作面与其伴生油页岩工作面的水平间距，m；H为煤层与其伴生油页岩间距，m；δ0为走向边界角，度；ψ0为走向充分采动角，度。
所述步骤3)中采煤工作面与其伴生油页岩工作面开采阶段防片帮、冒顶的措施有：适当提高工作面支架的初撑力和工作阻力、及时支护、加快工作面推进速度、提高煤体强度、减小顶板空顶距。
所述步骤3)中采煤工作面与其伴生油页岩工作面进行作业时，为防止出现漏风现象，应及时排查漏风通道，针对通风构筑物、巷道、煤柱漏风，通过对与构筑物、巷道、煤柱接触处裂缝喷涂聚氨酯堵漏材料进行漏风治理；针对采空区漏风通过在工作面倾向方向设置纵向风障、在工作面上隅角设置临时挡风墙、向采空区注浆增加压实密度控制漏风。
所述步骤4)中的全空间协同控制技术使用的是全空间预应力桁架锚索协同控制技术。
所述步骤5)中的顶板运动破坏稳定区指的是下部煤层工作面采空区顶板依次出现的顶板开始运动区、顶板急剧运动破坏区、顶板运动破坏稳定区中的最后一个顶板状态。
本发明与以往矿产资源开采方法相比，具有以下优点：
第一，将煤炭与其伴生油页岩两种原本单独开采的矿产资源联合开采，充分利用已有的基础设施和井巷工程，减少巷道掘进量，降低开采成本，对缓解常规能源供需压力、调整能源结构和保障能源安全具有重要的现实意义。第二，该方法通过先开采位于下部的煤炭资源，充分利用矿山支承压力的作用对位于顶板的伴生油页岩进行预破坏，能够避免油页岩单独开采时，因油页岩强度较大而导致采煤机破岩困难的缺点。第三，在上部伴生油页岩开采过程中，采煤机先开采靠近煤层强度更低的油页岩，使得远离煤层的油页岩发生进一步卸荷破坏，降低油页岩开采难度。第四，将伴生油页岩工作面布置在采空区顶板运动破坏稳定区，这样能够在保证采煤机破岩效率的前提下，降低围岩控制难度。第五，在开采伴生油页岩时，将回采巷道布置在油页岩中的应力降低区，利用全空间预应力桁架锚索协同控制技术进行巷道的支护控制，有利于维持巷道长期稳定，避免反复修复，大大降低成本。
附图说明
图1为煤炭与其伴生油页岩联合开采模型示意图
图2为煤炭与其伴生油页岩联合开采模型A－A剖面图
图3为图2中I处的局部放大图
图中：1.弯曲下沉带；2.裂隙带；3.垮落带；4.伴生油页岩；5.伴生油页岩工作面；6.煤层；7.采煤工作面；8.采空区；9.顶板开始运动区；10.顶板急剧运动破坏区；11.顶板运动破坏稳定区；12.煤柱；13.伴生油页岩回采巷道；14.锚索；15托架；16.拉杆；17.锚杆；18.钢丝网；19.钢带。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明针对煤炭与其伴生油页岩近距离赋存的条件下，进行两种资源联合开采，该方法的具体步骤如下：
1)首先确定煤层(6)与其伴生油页岩(4)的合理开采层间距。根据煤炭的实际地质赋存情况，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列公式计算下部煤层(6)开采后，用垮落法开采时采空区(8)上覆岩层中垮落带(3)和裂隙带(2)的最大高度，确定煤层(6)与其上部伴生油页岩(4)的层间距范围。当下部煤层(6)开采后，上部伴生油页岩(4)处于垮落带(3)范围内时，伴生油页岩(4)强度较低，有利于采煤机切割，但其整体连续性受到严重破坏，容易产生较大的台阶错动，导致伴生油页岩(4)开采时需要挑顶或卧底；当伴生油页岩(4)处于弯曲下沉带(1)范围内时，其整体连续性较好，但伴生油页岩(4)强度仍然较高，不利于采煤机切割。因此，伴生油页岩(4)应处于裂隙带(2)内，这样既能保证伴生油页岩(4)产生一定程度的损伤破坏，降低其强度，又能避免其发生台阶错动。所以，煤层(6)与伴生油页岩(4)的合理开采层间距范围D为：
Hk＜D＜Hl
式中，Hk为垮落带最大高度，m；Hl为裂隙带最大高度，m。
若伴生油页岩(4)位于下部煤层(6)的垮落带(3)内，则下部煤层(6)采用充填式开采方法，用以支撑上覆岩层，减少岩层变形和垮落的幅度，使煤层(6)与其伴生油页岩(4)位于合理开采层间距范围内。
其中，根据煤层倾角，将煤层(6)分成缓、中、急倾斜三类，煤层(6)与其伴生油页岩(4)的合理开采层间距计算可用表1所列公式：
表1煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算公式
公式中：D为煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距范围，m；h为开采阶段垂高，m；M为煤层采高，m；ΣM为煤层累计采高，m；公式适用范围：单层开采高度不超过3.0m，累计采高不超过15m；公式中±号项为中误差；
2)在煤层(6)与其上部伴生油页岩(4)位于合理开采层间距范围内时，根据煤层(6)的实际赋存情况合理地选择分层开采或一次采全高或放顶煤开采等煤炭开采技术先开采下部煤层(6)，随着煤层(6)被采出，采空区(8)上覆岩层在矿山支承压力的作用下发生变形、移动、弯曲和破坏，位于上覆岩层中的伴生油页岩(4)随之发生破坏，使伴生油页岩(4)的强度降低；
3)在下部煤层(6)已开采一定距离后，位于裂隙带(2)中的伴生油页岩(4)在上覆岩层的重力作用下被重新压实，待伴生油页岩(4)被重新适当压实后，再开采上覆岩层中的伴生油页岩(4)，伴生油页岩(4)滞后开采的距离不能太长，否则伴生油页岩(4)被重新压实后，强度升高，不利于伴生油页岩(4)的开采，合理的采煤工作面(7)与其伴生油页岩工作面(5)间距采用l＝H(cotψ0+cotδ0)公式计算，式中：l为采煤工作面(7)与其伴生油页岩工作面(5)的水平间距，m；H为煤层(6)与其伴生油页岩(4)间距，m；δ0为走向边界角，度；ψ0为走向充分采动角，度。在采煤工作面(7)与其伴生油页岩工作面(5)的开采阶段为防片帮、冒顶的发生采取适当提高工作面支架的初撑力和工作阻力、及时支护、加快工作面推进速度、提高煤体强度、减小顶板空顶距措施。为防止工作面作业期间出现漏风现象，应及时排查漏风通道。针对通风构筑物、巷道、煤柱的漏风问题，通过对与构筑物、巷道、煤柱接触处裂缝喷涂聚氨酯堵漏材料进行漏风治理；针对采空区漏风通过在工作面倾向方向设置纵向风障、在工作面上隅角设置临时挡风墙、向采空区注浆增加压实密度控制漏风；
4)根据伴生油页岩工作面(5)的实际地质条件掘进伴生油页岩工作面的回采巷道(13)，将回采巷道(13)布置于下部煤层(6)开采后，上部伴生油页岩(4)中的应力降低区，并且采用全空间预应力桁架锚索协同控制技术对巷道进行支护；
5)在滞后开采上部的伴生油页岩(4)过程中，伴生油页岩工作面(5)布置于顶板运动破坏稳定区(11)，选择与伴生油页岩(4)开采高度配套的采煤机先开采靠近煤层强度更低的油页岩，使远离煤层的油页岩发生进一步的卸荷破坏。
本发明针对煤层与其伴生油页岩位于合理开采层间距范围内时，先开采位于下部的煤炭资源，充分利用矿山支承压力使位于上覆岩层中的伴生油页岩发生破坏、强度降低。然后再滞后开采上部的伴生油页岩，实现煤炭与其伴生油页岩两种资源联合开采。该开采方法可有效杜绝或减少与煤炭伴生的油页岩丢弃严重的现象，提高资源利用率，降低开采成本，弥补煤矿亏损现状，对煤矿的可持续发展具有重要的现实意义。
Claims (6)
1.一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，该方法的具体步骤如下：
1)根据煤炭的实际地质赋存情况计算下部煤层开采后采空区上覆岩层中垮落带和裂隙带的最大高度，确定煤层与其上部伴生油页岩的合理开采层间距范围，当伴生油页岩处于垮落带范围内时，油页岩强度较低，有利于采煤机切割，但其整体连续性受到严重破坏，容易产生较大的台阶错动，导致油页岩开采时需要挑顶或卧底，当伴生油页岩处于弯曲下沉带范围内时，其整体连续性较好，但油页岩强度仍然较高不利于采煤机切割，因此，伴生油页岩应处于裂隙带内，这样既能保证油页岩产生一定程度的损伤破坏，降低其强度，又能避免其发生台阶错动，煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距范围D为：Hk＜D＜Hl，式中，Hk为垮落带最大高度，m；Hl为裂隙带最大高度，m；
2)在煤层与其上部伴生油页岩位于合理开采层间距范围内时，采用与煤层赋存特点相符合的煤炭开采技术先开采下部的煤层，煤层采出后采空区上覆岩层在矿山支承压力作用下发生变形、移动、弯曲和破坏，使上覆岩层中的油页岩发生破坏、强度降低；
3)在下部煤层已开采一定距离后，伴生油页岩在上覆岩层的重力作用下被重新压实，待油页岩被重新适当压实后，再开采上覆岩层中的油页岩；
4)伴生油页岩工作面的回采巷道布置于下部煤层开采后，油页岩中的应力降低区，采用全空间协同控制技术支护；
5)在滞后开采上部伴生油页岩资源过程中，上部油页岩工作面布置于顶板运动破坏稳定区，采煤机先开采靠近煤层强度更低的油页岩，使远离煤层的油页岩发生进一步的卸荷破坏。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，其特征在于：所述步骤1)中垮落带和裂隙带的最大高度参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列公式，根据煤层倾角，将煤层分成缓、中、急倾斜三类，煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算用表1所列公式：
表1 煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算公式
表1 煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距计算公式(续)
公式中：D为煤层与其伴生油页岩的合理开采层间距范围，m；h为开采阶段垂高，m；M为煤层采高，m；ΣM为煤层累计采高，m；公式适用范围：单层开采高度不超过3.0m，累计采高不超过15m；公式中±号项为中误差。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，其特征在于：所述步骤2)中的煤炭开采技术采用分层开采或一次采全高或放顶煤开采。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，其特征在于：所述步骤3)中的伴生油页岩滞后开采的距离不能太长，否则油页岩被重新压实后，强度升高，不利于伴生油页岩的开采，合理的煤层与伴生油页岩的工作面间距采用l＝H(cotψ0+cotδ0)公式计算，式中：l为采煤工作面与其伴生油页岩工作面的水平间距，m；H为煤层与伴生油页岩层间距，m；δ0为走向边界角，度；ψ0为走向充分采动角，度；采煤工作面与伴生油页岩工作面防片帮、冒顶采取的措施有：适当提高工作面支架的初撑力和工作阻力、及时支护、加快工作面推进速度、提高煤体强度、减小顶板空顶距，采煤工作面与伴生油页岩工作面进行作业时，应及时排查漏风通道，针对通风构筑物、巷道、煤柱的漏风问题，通过对与构筑物、巷道、煤柱接触处裂缝喷涂聚氨酯堵漏材料进行漏风治理；针对采空区漏风问题，通过在工作面倾向方向设置纵向风障、在工作面上隅角设置临时挡风墙、向采空区注浆增加压实密度控制漏风。
5.根据权利要求1所述的一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，其特征在于：所述步骤4)中的全空间协同控制技术使用的是全空间预应力桁架锚索协同控制技术。
6.根据权利要求1所述的一种煤炭与其伴生油页岩联合开采方法，其特征在于：所述步骤5)中的顶板运动破坏稳定区指的是下部煤层工作面采空区顶板依次出现的顶板开始运动区、顶板急剧运动破坏区、顶板运动破坏稳定区中的最后一个顶板状态。
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