CN1139973A - 尤其在硬煤煤层中优化定位回采工作面的方法 - Google Patents

Abstract

一种设计回采工作面的方法，在受地质构造应力影响的沉积矿层里，尤其是硬煤煤层里要确定回采方向、回采长度、回采速度和回采顺序。这种方法应针对设计基础进行改进。这里将受地质构造能量作用的岩层里的松动、挤压和压缩以及由此引起的地质构造的质量传送用作为设计基础来确定矿层，并且确定所设计工作面的方位。此时应考虑所得出矿层体内的可采性和/或二次冒落特性和/或瓦斯特性和/或粉尘特性和/或巷道特性和/或应力释放和/或所确认的应力集中。

Description

尤其在硬煤煤层中 优化定位回采工作面的方法

说明

本发明涉及一种设计回采工作面的方法。在有地质构造应力的沉积矿层里，尤其是硬煤煤层里要确定回采方向、回采长度、回采速度和回采顺序，同时确定在矿体有地质断层处的回采工作面的方位，并将各种已知的地质断层的倾斜、走向和断层大小都作为设计基础用于确定所观测到和准备进行开采的矿体。

采矿设计时的首要目标是在要开采的矿体内确定工作面的方位，并合理布置，从而最终实现开采矿物时的低成本。若是这样，那就要根据所涉及的地质构造规定工作面的最佳回采方向、最佳回采顺序、最佳回采速度和最佳回采长度。但是问题在于对确定回采工作面方位影响最大的地质构造在许多情况下却并不了解，因此需要从已知的地质构造情况出发进行地质构造的规划。

这种定位的出发点就是现有的采矿勘探点，其主要形式有井巷工程、深钻孔和地震勘测。这些勘探点可以是点状、线状或者面状的。由这些勘探点必须得出要开采的煤层和地质断层的推测的位置，以作为设计、开拓和准备的基础。当所需矿层的结构作为设计基础时，那么地质断层的倾斜、走向和断层大小则都是所依据的基础。通常将已知的勘探点在几何关系上相连接起来，从而构成一个假定适合的作为设计基础的矿层图。勘探点之间的空缺常常是相当重要的，只能在几何关系的基础上用延长线来补缺。该延长线体现了要表示的平面如煤层或地质断层在空间相关的矿体里的位置。因此例如当设计有两个断层相互重合时的情况，那就要以年代学原理作基础，按此原理，年轻的断层会干扰老的断层。

因此可以认为这种开采设计是有缺点的，即并未考虑构造力学的过程，而且将设计仅仅限制于几何关系，那么只可能在表面上是准确的。在已知种类的开采设计时并没有考虑大约在断层形成之后还会发生在一个逆掩断层上的运动，但正是这些运动对于回采工作面的定位却有着重大影响。

本发明的基本目的就是按照设计基础的实质意义完善这种通常的方法，以便在为矿体内回采工作面定位时能可靠地保证有利的成本。

为达到这一目的解决方案包括按照附在本说明后面的权利要求书的内容对本发明进行有利的安排和进一步的发展。

本发明的基本思想规定，由地质构造能量作用引起的岩层的松动、挤压和压缩以及由此影响的地质构造上的质量传递应该作为设计基础以确定矿层体，而且所设计的回采工作面的定位与由此所得出的可采性和/或二次冒落性和/或瓦斯情况和/或粉尘情况和/或巷道情况和/或应力释放和/或确认的在矿层体中的应力集中有关。使用本发明的优点是在进行开采设计时可以把所处矿层体的地质构造力学关系作为设计基础，有关地质构造的组织和特性方面更精确的数据则改善了开采设计的基础，同时附属于规则设计所须的开拓和准备方面的设计也得到了改善。在大地质构造和小地质构造之间或者初始的和随后的断层之间的关系就可以按目前未知的方式用于开采设计。这样考虑到构造力学的关系之后就允许提前说明，例如一个已知断层的落差是否可能保持相同，或者在这个或者其它走向方向上增加或减少。用本发明的方法就可以求出已知断层的走向方向和倾斜的变化大小并由此得出开采设计的结论。这样就有可能指明断层的断裂情况与岩层倾斜的关系，也即与逆断层状态之间的关系，并按此调整开采设计。此外也可能对大地质构造和小地质构造的结构和特性给出更精确的数据，从而改善开采设计的基础并因而有目的地改善开采设计本身。

按照本发明查明在被规划的回采工作面里褶皱能的特性并由此指导工作面的设计。褶皱能与岩体里面由岩体质量所产生的反压相对抗，并克服这反压的作用，同时通过构造断层的排列和演变而做功。从已了解的褶皱能变化情况就可以认识一个断层的结构以作为开采设计的基础。因此具体情况下的可采性主要取决于这具体情况下的褶皱能是否通过岩体传导，而不产生新的地质构造结构或使已有结构发生变化。

按照本发明示例性的实施例，在运动闭锁和运动自由区确定褶皱能的大小并在所涉及范围内得出其可采性。所依据的认识是，只要有一个自由空间，如地表面用于形成地质构造的结构，那么局部的褶皱能也就只是转变了。因此可采性取决于相对于运动闭锁区是否存在运动自由区。在运动闭锁区内的可采性一般认为要有利于在运动自由区内。

举例来说，在松动区的相邻范围内，即在远离褶皱能方向的松动区侧，其可采性尤其好。同样，在一个直接包围有松动区的核心区内也是这样，因为在这些情况下褶皱能在包围的松动区里被吸收了，因此在所述的核心区内就不再产生地质构造应力了。

岩体内的运动过程是褶皱能引起应力的结果，因而产生压缩区、挤压区和松动区。按照本发明的示例性实施例，上述这些都可以求得作为开采设计的基础，并且用于在具体情况下对回采工作面定位。由于褶皱能和岩体材料强烈地相互作用从而形成压缩区，所以在这些区内岩体小构造断层处的运动可能性就受到限制，因此按本发明的建议这里优先对回采工作面定位。挤压区的特点是在褶皱能和岩体材料相互进入作用时，使该地区的开采虽受到限制，但在具体情况下还有可能实现。相反，在褶皱能和岩体材料相互分离作用时，那么就存在松动区，与此相关连的松动作用就提供了形成和布置小地质构造断层的自由空间。在这种区域里那就很难进行开采了。

压缩区、挤压区和松动区的存在也包含了位于这之间的区域，这里存在着由此决定的构造力学的质量传送。质量传送对于预期的小构造有很大的作用，因此本发明建议，尤其是在从挤压或压缩进入松动的质量传送的范围内则在很大程度上不能考虑开采设计。

构造力学的质量传送在具体情况下受地质结构很大的影响：一方面如岩块的生成；另一方面如断层、平移断层和逆掩断层，因此要求出褶皱能的大小及由此引起的涉及断层、平移断层和逆掩断层的质量传送，以得出断层区内的伴生构造并且将回采工作面布置在伴生构造最小的范围内。

求出查明最佳回采方向先要确定最佳回采长度，它往往也就是最大可能的回采长度。采煤工作面的搬家费用很大，因此以技术和经济原因来看，开采设计时必须使回采长度尽可能长。

若回采方向选为平行于剪切面，在此面上松动区被填充，或者挤区被松开，那么就有长的回采长度。这仅适合于水平方向所测量离断层大约1000m之内的距离，或者直至岩块的中心，只要限定该岩块的断层的距离小于2000m。

当断层落差有变化时就会产生松动区，该区在位移处被填充上。该位移的走向方向通常与断层的走向方向在断层落差增加的方向上形成约30g的角度。若所指岩块的宽度大于2000m，那么回采长度至少可达2000m。而在其它情况下则回采长度对应于岩块宽度。

在断层有大落差的范围里岩体被压缩，而且在那里因此不再有小地质构造断层3，这就改善了可采性。在那里并没有松动区，它在位移处被填充上了，同时在这种情况下选择回采方向为平行于岩块所限制的断层，只要这岩块的宽度小于大落差断层的走向长度，而且可以选择相应的机器和支护设备来适应煤层的倾斜。

当岩块所限定的断层落差减小时则形成松动，而且在那里位移的走向方向对于选择最佳回采方向和回采长度来说至关重要。如果具有大落差的断层断面里断层的走向长度小于岩块宽度，那么就选择回采方向垂直于断层的走向。

沉积矿层尤其如硬煤矿层的特点是有楼层式构造，其特点是在深部方向上形成此逆掩断层，其走向或多或少是垂直于断层的。若矿层为波浪形，有或无小地质构造的位移和/或逆掩断层，或者小构造位移和/或无波浪形岩层的位移，这种矿层开拓时其顶部范围则没有受干扰，或者说上部并无勘探点，那就向着深部形成大的逆掩断层。在这种情况下，若在煤层水平上测量的逆掩断层的距离小于岩块所限定的断层的距离，那么最佳回采方向就要选择在平行于逆掩断层。

有时迂到波浪形岩层，有或无小构造位移，或者说小构造逆掩断层时，为了改善这些基础，在进行开采设计时必须在相应的开采区内向下钻孔，以便求出逆掩断层的特性和准确位置。同时要考虑到使这具有波形岩层和/或小构造逆掩断层的范围在结构上延长横向巷道得出此逆掩断层，以便确定所钻的孔，例如作为全钻孔和在这样求出的逆掩断层范围内作为岩芯钻孔。

若在一个断层处的松动和挤压区距离小于600m，相互靠近，或者说断层处的松动区位于能量流的方向上，那么尤其是因为较小的位移而使断层顶板上的干扰达200m。在此情况下，开采设计时也要规定有目标的钻孔，以求出走向上的拐点和较大断层的倾斜。在逆掩断层时有铲雪作用和漏斗作用。铲雪作用与松动相连系，而漏斗作用则与挤压相连系。如果铲雪作用与漏斗作用之间的距离小于900m，那么相应的范围，即在逆掩断层的顶板里100m和底板里50m内，就比较强烈地受到干扰，尤其是对于较小的逆掩断层。在此情况下开采设计时也要规定有目标的钻孔，以便求出走向上的拐点和较大逆掩断层的倾斜。在一定情况下，逆掩断层和断层附近的小构造就可能成为指明松动区的基础，以便在设计规划区内有目标地钻孔指向各具体的断层断面。在出现上述地质构造条件时，于断层前200m或离逆掩断层100m，规定一个安全距离，或者使工作面定位指向断层，这样有可能实现最佳回采长度。

开采设计时要考虑的另外一个重要方面是由于地质构造应力而引起的围岩二次冒落性，这不仅直接影响可达到的回采速度，而且也大大影响到原煤中的含矿石量，巷道的稳定性以及与此相关的维护费用。

开采设计时考虑二次冒落性的一个方面就是岩层移动。在逆断层时，层移的结果是向斜和背斜；而在逆掩断层的结束范围内为向上和向下发生层移；另外还在断层倾斜上的折曲范围内发生层移。如果这些平行层面的滑移由于煤层顶板里厚层的稳定岩层或双层煤的剪切和插入作用而受到干扰，结果是使二次冒落加大，这个因素不仅在回采区内而且在设计巷道支架时都必须加以考虑，例如采用较强的工作面支架、无支护滞后的开采方法、掘进时及时安设巷道支架、并采用较小排距和重型型钢的巷道支架。

当层移和剪切相重合以及出现交叉剪切时同样是这样，在这种情况下交叉剪切几乎总是因松动和挤压而引起的。

最后，回采工作面的设计也要考虑所谓瓦斯特性，只要回采工作面定位于挤压区内，那么开采设计中就必须考虑抽放瓦斯的措施，尤其是在出现平行层理的滑动时，在岩体内有相反方向的运动时，在逆掩断层下时，在压缩区时，在岩块内有漏斗作用和铲雪作用时以及当煤层受压缩时都要规定这些措施。有时要从地面开始钻孔来抽放瓦斯，那么在以下情况时也要考虑这些措施，如在未达到复盖岩层的逆掩断层时、在具有层移的断层的挤压区、在离一个断层有较大距离的挤压区、在有大落差尺寸的断层处的压缩区内、在逆掩断层下以及在有逆掩断层的背斜范围内。

在以上的说明书、权利要求书和摘要中公开了该文件主题的特点，在其各实施例中无论是单个的特点还是相互间的任意组合对于实现本发明都可能是重要的。

Claims (19)

1.在受构造应力影响的沉积矿层里，尤其是在硬煤矿层里通过规定回采方向、回采长度、回采速度和回采顺序来设计回采工作面的方法，回采工作面的位置由沉积矿层内的地质断层来定位，而分别识别的地质断层的倾斜、走向和落差大小被用作设计基础，以便估计被判明和准备回采的沉积体。其特征在于把由地质构造能量作用的岩体内的松动、挤压和压缩以及因此而受影响的地质构造的质量传送用来作为确定矿层体的设计基础，而且设计的回采工作面的定位与这样求出的可采性有关，并且(或者)与二次冒落性和/或瓦斯特性和/或粉尘特性和/或巷道特性和/或应力释放和/或确认的应力集中等有关。

2.按要求1的方法，其特征在于确定开采范围内的褶皱能的变化并用于工作面的设计。

3.按要求1、或2的方法，其特征在于确定褶皱能在运动闭锁区和运动自由区处的变化并与此相关确定所指范围内的可采性。

4.按要求1至3中之一的方法，其特征在于根据已知断层的倾斜、走向、落差大小和其在水平和垂直方向上的大小变化，确定压缩区、松动区和挤压区。

5。按要求4的方法，其特征在于回采工作面集中在压缩区，而松动区则在很大程度上排除于开采设计之外。

6.按要求1至5中之一的方法，其特征在于从一个挤压区或压缩区至松动区进行质量传送的区域被排除在开采设计之外。

7.按要求1至6中之一的方法，其特征在于确定有无断层、平移断层和逆掩断层的褶皱能的特性，以判定构造断层区里的伴生构造，并且将回采工作面布置在伴生构造最小的范围里。

8.按要求1至7中之一的方法，其特征在于当一个地质岩块构造的岩块走向宽度小于2000m时，回采方向就平行于剪切面布置，至限定的构造所确定的水平距离小于1000m，在剪切面上使松动区填充上或者使挤压区放松开。

9.按要求1至7中之一的方法，其特征在于选择回采方向使其垂直于大落差断层的走向，该断层的走向长度小于由其限制的岩块的宽度。

10.按要求1至7中之一的方法，其特征在于选择回采方向平行于大落差断层的走向，该断层的走向长度大于由其限制的岩块宽度。

11.按要求1至10中之一的方法，其特征在于只要在煤层水平里所测的距离小于岩块限制的断层之间的距离，那么若位移的走向与断层成一定角度，则选择回采方向平行于逆掩断层。

12.按要求1至11中之一的方法，其特征在于在逆掩断层终结的范围内找出褶皱能的变化并由此变化得出对小构造的结论。

13.按要求1至12中之一的方法，其特征在于对于所指的范围进行开采设计时求出岩层滑移，若由此导出顶板围岩的二次冒落性增高了，那就要采取措施控制顶板并减小支护滞后。

14.按要求1至13中之一的方法，其特征在于当岩层滑移和剪切相重合时，则要采取措施控制顶板并减小支护滞后。

15.按要求1至12中之一的方法，其特征在于在对所指范围进行开采设计时求出岩层滑移，若由此导出顶板围岩的二次冒落性增高，那就要加强巷道支架。

16.按要求1至12中之一的方法，其特征在于当开采范围内有交叉的剪切时就要采取措施控制顶板并减小支护滞后。

17.按要求1至12中之一的方法，其特征在于当开采范围内有交叉的剪切时就要采取措施加强巷道支架。

18.按要求1至17中之一的方法，其特征在于在设计回采工作面时，在挤压区应考虑抽排瓦斯的必要性，尤其是在具有平行层理滑动的范围内、在有相反方向运动时、在逆掩断层之下时、在压缩区时、在漏斗作用时、在铲雪作用以及在煤层受压缩的情况下都要考虑。

19.按要求1至18中之一的方法，其特征在于在设计回采工作面时，在以下情况时应考虑从地面钻孔来抽放瓦斯：逆掩断层未达到覆岩时，或者在断层的挤压区和具有岩层滑移的逆掩断层，或者在离一个断层有较大距离的挤压区，或者在与具有大落差的断层相连系的压缩范围，或者在逆掩断层下，或者在有逆掩断层的背斜范围内。