CN109162713A - 一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式 - Google Patents
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Abstract
一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，包括根据导水裂隙带发育高度、水体采动等级和水体允许采动破坏程度划分开采区域：根据所述划分开采区域确定开采模式；可开采区域，直接进行开采；在不宜开采区域仍不满足安全需求的情况下，采用短壁机械化开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产；若选择所述短壁机械化开采，在安全系数计算中将煤层埋深置换为压力拱高度计算，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽；根据所述开采模式进行不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采；所述开采模式代替仅采用长壁大采高开采，大大减小了采煤过程中对环境的破坏，有利于人与自然和谐相处。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井开采领域，具体地说是一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式。
背景技术
我国水资源和煤炭资源呈逆向分布，存在“有煤的地方缺水，有水的地方缺煤”的局面，而我国煤矿主要分布在区域缺水的华北和西北地区，其中 70％的矿区缺水，40％的矿区严重缺水，煤炭工业的发展受到水资源的严重制约。因此，我国大部分煤矿除受到水害的威胁，在煤矿区及其周围地区也面临着排水-供水-生态环境保护之间的矛盾问题。
我国长壁大采高体系下的现代化采煤技术非常成熟，大采高综采成为 3.5～6.0m煤层安全高效开采的主要途径，综放开采已成为7.0m以上厚煤层的首选方法，由于厚煤层分层开采生产效率低，目前已较少采用。长壁体系下的大采高采煤法具有单产高、采煤系统简单、对地质条件适应性强等优点，是我国采用最为普遍的一种采煤方法。然而，这类采煤法是在对环境扰动不重视的情况下发展起来的，大规模、高强度的开采对上覆岩层及地表破坏相当大，对含水层结构、地下水系统和生态环境造成了巨大的影响，平均吨煤排水量达2.0～4.0m3，是一种浪费水资源和生态环境为代价的采煤法。基于完全成本理论，长壁大采高开采是高效率但是低效益。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，用于代替传统的仅采用长壁大采高开采，以解决目前采煤技术中对于生态环境的污染问题。
本发明提供了一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式。一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，包括：根据水文地质条件确定水体采动等级和水体允许采动破坏程度；根据累积采厚确定导水裂隙带发育高度；
根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度划分开采区域：没有波及到上覆水体或波及到弱富水体划分为可开采区域，波及到中等及强富水体划分为不宜开采区域，根据所述划分开采区域确定开采模式；
在所述不宜开采区域仍不满足安全需求的情况下，采用短壁机械化开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产；
若选择所述短壁机械化开采，在安全系数计算中将煤层埋深置换为压力拱高度计算，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽；
根据所述开采模式进行不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采。
可选的，所述安全系数计算，包括：
其中，F为安全系数，σp为煤柱强度，σa为作用在煤柱上的应力。在传统的计算作用在煤柱上的应力时，采用的公式是：
其中，γ为上覆岩层平均容量，25KN/m3；H为所述煤层埋深；Re为采出率。
由于压力拱存在煤柱所受的力不是上覆岩层到地表的全部重量，而是所述压力拱下方的岩体重量，上述公式中的所述H应为所述压力拱高度H′，即：
其中，f为普氏系数，W0为工作斜面长，h0为采高，为岩体的内摩擦角。
可选的，所述水文地质条件评价，包括：根据各个钻孔含水层厚度参数，绘制研究区域含水层厚度等值线图，得到含水层厚度以及主采煤层与上覆水体之间隔水层厚度的特征结果；根据含水层厚度、钻孔单位涌水量、渗透系数、粘土层所占底部含水层比例4个参数，基于物元可拓模型，得到含水层富水性等级。
可选的，所述导水裂隙带发育高度在计算时，根据岩石抗压强度将煤层顶板分别划分为煤层顶板上覆岩层类型为坚硬、煤层顶板上覆岩层类型为中硬、煤层顶板上覆岩层类型为软弱以及煤层顶板上覆岩层类型为极软弱四种情况计算。
可选的，所述可开采区域，直接进行开采；
所述不宜开采区域，减小采高实行限高开采或分层开采，根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度确定是否满足所述安全需求，若仍不满足所述安全需求，采用所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采。
可选的，所述直接进行开采，实行长壁大采高开采。
可选的，所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采中，保证煤柱屈服区宽度和屈服煤柱宽度匹配，避免临界煤柱的出现。
可选的，所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采中，所述屈服煤柱能够支撑所述压力拱下方的覆岩，所述压力拱为整个区段回采完之后形成的最大稳定压力拱。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，使用根据导水裂隙带发育高度、水体采动等级和水体允许采动破坏程度划分可开采区域与不宜开采区域，所述可开采区域，直接进行开采；所述不宜开采区域，减小采高实行限高开采或分层开采，重新根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度进行分区评价，若仍不满足安全需求，可采用短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采。所述短壁机械化开采是以短工作面为主要特征，设备投资少，出煤快，矿山压力显现较弱，对上覆岩层破坏规模、导水裂隙带高度、地表下沉程度的影响均减小；所述限高开采或分层开采是一种控制采厚的采煤方法，其覆岩的垮落带高度和裂隙带高度比一次采全高要小很多，对含水层下安全采煤十分有利。在以往单纯追求煤炭开采效率情况下所述短壁机械化开采、限高开采、分层开采一直不受重视。以一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式代替传统的仅采用长壁大采高开采，以解决目前采煤技术中对于生态环境的污染问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要的附图做简要介绍，显而易见地，下面中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的其他技术人员来讲，在不断付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的开采方法优化流程图；
图2为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的薄基岩区第四系松散层总厚度图；
图3为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的薄基岩区第四系松散层底界面标高等值线图；
图4为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的第四系松散层沉积物钻孔对比图；
图5为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的松散层底部含水层厚度分布规律；
图6为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的富水性等级分区图；
图7为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的基岩厚度等值线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
作为一个实施例，本发明提供的一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式。一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，包括：
步骤101：根据水文地质条件确定水体采动等级和水体允许采动破坏程度；根据累积采厚确定导水裂隙带发育高度。
可选的，对所述水文地质条件进行评价，包括：
根据各个钻孔含水层厚度参数，绘制研究区域含水层厚度等值线图，得到含水层厚度以及主采煤层与上覆水体之间隔水层厚度的特征结果；
根据含水层厚度、钻孔单位涌水量、渗透系数、粘土层所占底部含水层比例4个参数，基于物元可拓模型，得到含水层富水性等级。
可选的，所述导水裂隙带发育高度在计算时，根据岩石抗压强度将煤层顶板分别划分为煤层顶板上覆岩层类型为坚硬、煤层顶板上覆岩层类型为中硬、煤层顶板上覆岩层类型为软弱以及煤层顶板上覆岩层类型为极软弱四种情况计算。
可选的，根据累积采厚通过公式计算所述导水裂隙带发育高度：所采用的公式依次为：
①煤层顶板上覆岩层类型为坚硬时：
②煤层顶板上覆岩层类型为中硬时：
③煤层顶板上覆岩层类型为软弱时：
④煤层顶板上覆岩层类型为极软弱时：
式中：HLi——导水裂隙带高度(m)；
∑M——累计采厚(m)。
根据所述水文地质条件确定所述水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度的方式如表1所示：
表1上覆水体采动等级及允许采动程度
步骤102：根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度划分开采区域：没有波及到上覆水体或波及到弱富水体划分为可开采区域，波及到中等及强富水体划分为不宜开采区域，根据所述划分开采区域确定开采模式；在所述不宜开采区域仍不满足安全需求的情况下，采用短壁机械化开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产。
可选的，所述可开采区域，直接进行开采；所述直接进行开采，实行长壁大采高开采。所述不宜开采区域，减小采高实行限高开采或分层开采，根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度确定是否满足所述安全需求，若仍不满足所述安全需求，采用所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产。
步骤103：若选择所述短壁机械化开采，在安全系数计算中将煤层埋深置换为压力拱高度计算，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽。
可选的，计算安全系数的具体公式为：
其中，F为安全系数，σp为煤柱强度，σa为作用在煤柱上的应力。在传统的计算作用在煤柱上的应力时，采用的公式是：
其中，γ为上覆岩层平均容量，25KN/m3；H为所述煤层埋深；Re为采出率。
由于压力拱存在煤柱所受的力不是上覆岩层到地表的全部重量，而是所述压力拱下方的岩体重量，上述公式中的所述H应为所述压力拱高度H′，即：
其中，f为普氏系数，W0为工作斜面长，h0为采高，为岩体的内摩擦角。
步骤104：根据所述开采模式进行不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采。
以兴源矿第四系松散含水层下薄基岩区开采为例，该矿含煤地层为中生界侏罗系下-中统下花园组，现阶段主采煤层为6煤，厚1.00～3.65m，平均 2.60m，夹厚0.25～0.78m泥岩，煤层顶板岩性为泥岩、粉砂质泥岩，局部辉绿岩，底板岩性为粉砂岩及泥岩。井田含水层包括奥陶系灰岩含水层、侏罗系下花园组煤系砂岩含水层、侏罗系九龙山组砂砾岩含水层和第四系砂砾石含水层，其中，对主采煤层6煤影响最大是第四系砂砾石含水层。
目前，该矿主要采用一次采全高综合机械化采煤技术，顶板管理方式为全部垮落法，但是由于四采区南部6煤与第四系砂砾石含水层之间基岩厚度小于导水裂隙带发育高度，经常发生顶板溃水事故，以6402工作面为例，该工作面基岩厚度48～70m，探水钻孔涌水量15m3/h，水压0.85MPa。采用分采高、分区段回采的方法，开始按采高2.2m回采，至50m(初压来压)时采空区出现涌水，峰值涌水量达到116m3/h，后期稳定在20m3/h。
现准备回采的是6412工作面，该工作面设计时采用一次采全高综合机械化采煤法，但是在超前探放水时发现工作面基岩厚度极不均匀，根据12-9钻孔，基岩厚度为95.28m，但是探放水钻孔实际揭露的基岩厚度多为38.4～50m 之间，涌水量为0～12m3/h，最大水压为2.0MPa。因此，粗糙的地质勘探资料导致了矿井在采掘工程布置时产生一定的决策失误。
考虑到研究区域受顶板第四系松散含水层水害威胁较大，可采用本发明提供的一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式进行回采，具体地，图1为本发明实施例一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式的开采方法优化流程图，所述一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式包括以下步骤：
根据水文地质条件确定水体采动等级和水体允许采动破坏程度；根据累积采厚确定导水裂隙带发育高度。
根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度划分开采区域：没有波及到上覆水体或波及到弱富水体划分为可开采区域，波及到中等及强富水体划分为不宜开采区域，根据所述划分开采区域确定开采模式。
在所述不宜开采区域仍不满足安全需求的情况下，采用短壁机械化开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产。
若选择所述短壁机械化开采，在安全系数计算中将煤层埋深置换为压力拱高度计算，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽。
根据所述开采模式进行不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采。
在本实施例中所述水文地质条件评价通过以下方式：
图2为薄基岩区第四系松散层总厚度图，图3为薄基岩区第四系松散层底界面标高等值线图。根据各个钻孔含水层厚度参数，绘制研究区域含水层等值线图，如图2所示；根据底界面标高参数绘制图3。
基于各个钻孔水文地质参数，划分含水层组和相应的隔水层组，确定对开采影响最大的底部含水层层组，绘制图4第四系松散层沉积物钻孔对比图以及图5松散层底部含水层厚度分布规律，图7为基岩厚度等值线图。
根据含水层厚度、粘土层所占“底含”比例、钻孔单位涌水量、渗透系数4个因素，基于物元可拓模型，得到含水层富水性等级，建立松散含水层富水性分类等级，即将第四系底部含水层富水性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，相应的富水程度为极强、强、中、弱，见表2，得到图6的含水层富水性综合分区图，详情请见图6。
表2松散含水层富水性分类等级
所述导水裂隙带发育高度在计算时，根据岩石抗压强度将煤层顶板分别划分为煤层顶板上覆岩层类型为坚硬、煤层顶板上覆岩层类型为中硬、煤层顶板上覆岩层类型为软弱以及煤层顶板上覆岩层类型为极软弱来四种情况计算。所采用的公式依次为：
①煤层顶板上覆岩层类型为坚硬时：
②煤层顶板上覆岩层类型为中硬时：
③煤层顶板上覆岩层类型为软弱时：
④煤层顶板上覆岩层类型为极软弱时：
式中：HLi——导水裂隙带高度(m)；
∑M——累计采厚(m)。
所述可开采区域，直接进行开采。
所述不宜开采区域，减小采高实行限高开采或分层开采，重新根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度进行分区评价，若仍不满足安全需求，可采用短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产，见图1。对于地下水静、动储量丰富的含水层，在人工干预水文地质条件效果不明显、技术不可行或经济不合理的情况下，当长壁大采高开采无法保障控水采煤时，将其优化为高效益短壁机械化开采，采用“不改变覆岩水文地质条件+ 短壁机械化开采”模式。
所述直接进行开采，实行所述长壁大采高开采。
所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采中，煤柱屈服区宽度和屈服煤柱宽度要匹配，避免临界煤柱的出现，否则会导致煤柱高应力集中，引起煤柱突然失稳破坏，不利于扩大压力拱的形成。
所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采中，覆岩中存在，上覆岩层在变形过程中能够产生离层，进而形成所需要的稳定压力拱，所述压力拱支撑拱上方的覆岩重量；所述屈服煤柱具有足够的强度支撑所述压力拱下方的覆岩重量，所述压力拱应为整个区段回采完之后形成的最大稳定压力拱。
在进行所述短壁机械化开采时，根据煤柱强度和作用在煤柱上的应力计算安全系数，所述安全系数计算中的煤层埋深置换为压力拱高度，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽；计算安全系数的具体公式为：
其中，F为安全系数，σp为煤柱强度，σa为作用在煤柱上的应力。
在传统的计算作用在煤柱上的应力时，采用的公式是：
其中，γ为上覆岩层平均容量，25KN/m3；H为所述煤层埋深；Re为采出率。
由于压力拱存在煤柱所受的力不是上覆岩层到地表的全部重量，而是压力拱下方的岩体重量，上述公式中的所述H应为所述压力拱高度H′，即：
其中，f为普氏系数，W0为工作斜面长，h0为采高，为岩体的内摩擦角。
具体地，将安全系数计算中的煤层埋深置换为压力拱高度来计算安全系数，进而确定合理的采宽和留宽，如表3所示，通过该开采方案使得6412工作面安全回采。
表3不同方案煤柱安全系数
将顶板岩梁简化为固支梁力学模型，根据岩梁不因最大拉应力超过其强度极限而破坏的极限跨距为6.67m，因此采宽选择5m和6m。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，包括：
根据水文地质条件确定水体采动等级和水体允许采动破坏程度；根据累积采厚确定导水裂隙带发育高度；
根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度划分开采区域：没有波及到上覆水体或波及到弱富水体划分为可开采区域，波及到中等及强富水体划分为不宜开采区域，根据所述划分开采区域确定开采模式；
在所述不宜开采区域仍不满足安全需求的情况下，采用短壁机械化开采，其中满足所述安全需求是指工作面涌水量不影响正常生产；
若选择所述短壁机械化开采，在安全系数计算中将煤层埋深置换为压力拱高度计算，通过所述安全系数确定所述短壁机械化开采的采宽留宽；
根据所述开采模式进行不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采。
2.根据权利要求1所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，所述安全系数计算，包括：
其中，F为安全系数，σp为煤柱强度，σa为作用在煤柱上的应力。在传统的计算作用在煤柱上的应力时，采用的公式是：
其中，γ为上覆岩层平均容量，25KN/m3；H为所述煤层埋深；Re为采出率。
由于压力拱存在煤柱所受的力不是上覆岩层到地表的全部重量，而是所述压力拱下方的岩体重量，上述公式中的所述H应为所述压力拱高度H′，即：
其中，f为普氏系数，W0为工作斜面长，h0为采高，为岩体的内摩擦角。
3.根据权利要求1所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，所述导水裂隙带发育高度在计算时，根据岩石抗压强度将煤层顶板分别划分为煤层顶板上覆岩层类型为坚硬、煤层顶板上覆岩层类型为中硬、煤层顶板上覆岩层类型为软弱以及煤层顶板上覆岩层类型为极软弱四种情况计算。
4.根据权利要求1所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于：所述根据所述划分开采区域确定开采模式包括：
所述可开采区域，直接进行开采；
所述不宜开采区域，减小采高实行限高开采或分层开采，根据所述导水裂隙带发育高度、水体采动等级和所述水体允许采动破坏程度确定是否满足所述安全需求，若仍不满足所述安全需求，采用所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采。
5.根据权利要求4所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，所述直接进行开采，实行长壁大采高开采。
6.根据权利要求1所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，所述短壁机械化开采实现煤水双资源型矿井开采中，保证煤柱屈服区宽度和屈服煤柱宽度匹配，避免临界煤柱的出现。
7.根据权利要求6所述的不改变覆岩水文地质条件的煤水双资源矿井开采模式，其特征在于，所述屈服煤柱能够支撑所述压力拱下方的覆岩，所述压力拱为整个区段回采完之后形成的最大稳定压力拱。
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