CN114372374B - 矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法 - Google Patents

矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法 Download PDF

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CN114372374B CN202210034346.8A CN202210034346A CN114372374B CN 114372374 B CN114372374 B CN 114372374B CN 202210034346 A CN202210034346 A CN 202210034346A CN 114372374 B CN114372374 B CN 114372374B
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Abstract

本发明公开了一种矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，首先获取矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数；确定特厚煤层充填开采层数k、第1层采高h3和第2‑k层采高h4；确定特厚煤层各开采层的充填开采工艺；建立导水裂隙带高度H、第1层采高h3、充实率
Figure DDA0003467716210000011
矸石胶结材料强度σ和煤厚M关系模型，并通过计算得到工作面最优充实率和最优矸石胶结材料强度。本发明通过对煤层进行合理分层，对各层采取不同充填开采方法，并建立关系模型，得到开采层数k、第1层采高h3、第2‑k层采高h4、工作面的最优充实率和最优矸石胶结材料强度，从而提高矸石的利用率，减小煤炭开采对地下水资源的影响。

Description

矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法
技术领域
本发明属于矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定技术领域，具体涉及一种矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法。
背景技术
近些年来，我国对环境保护、资源回收利用愈发重视，煤炭资源开发利用面临过高的煤层厚度时，使用垮落法开采对地下水资源、地表造成了严重的破坏，同时，在开采过程中会伴随着矸石的大量堆积，不仅占用了大量的土地资源，还对土壤造成了严重的污染，因此，基于对环境的保护、资源的利用，本发明提供了一种矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，对特厚煤层开采、地下水资源保护、资源回收利用均具有重要意义，特厚煤层指煤层高度超过8m的煤层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，通过对煤层进行合理的分层，得到合适的分层层数以及各层的采高，针对不同分层采取不同的充填开采方式，并根据实际含水层的位置，结合煤层厚度与第一层采高计算工作面的最优充实率和最优矸石胶结材料强度参数，从而提高煤矸石的利用率，而且减小了煤炭开采对地下水资源的影响，弥补了特厚煤层开采的不足之处，在实际应用之中也简单方便，准确性高，并对特厚煤层开采、地下水资源保护、资源利用具有重要意义，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数：现场获取矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数，其中，所述特厚煤层煤岩体物理力学参数包括特厚煤层厚度、体积模量、剪切模量、抗拉强度、密度、粘聚力和内摩擦角；所述采煤工作面设备参数包括长壁工作面采煤机最大截割高度和短壁工作面连续采煤机的最大截割高度；
步骤二、确定矿区含水层下特厚煤层充填开采层数和每层煤层的采高：依据特厚煤层厚度和采煤工作面设备参数，当M≤h1时，则充填开采层数为k＝1层且煤层的采高为h3＝M，其中，M为特厚煤层厚度，h1为长壁工作面采煤机最大截割高度；
当M＞h1时，则特厚煤层充填开采层数为k层，k层开采层由上至下依次为第1层开采层、第2层开采层、...、第k层开采层，k为正整数；
其中，第1层开采层为矸石材料充填层，充填材料为矸石，第2层开采层至第k层开采层为矸石胶结材料充填层，充填材料为矸石胶结材料，矸石胶结材料包括水、水泥、粉煤灰和矸石粒，材料的组分配比不同，矸石胶结材料强度不同；
确定M＞h1时的开采层数k及各层采高，判断
Figure BDA0003467716190000021
是否为整数；
当
Figure BDA0003467716190000022
为整数时，
Figure BDA0003467716190000023
矸石材料充填层的采高为h3＝h1，矸石胶结材料充填层的各层采高h4等于h2，其中，h2为短壁工作面连续采煤机最大截割高度，且h4不大于h2；
当
Figure BDA0003467716190000024
为非整数时，
Figure BDA0003467716190000025
矸石材料充填层的采高为h3＝h1，矸石胶结材料充填层的各层采高
Figure BDA0003467716190000026
其中，[·]为向下取整函数；
步骤三、矿区含水层下特厚煤层充填开采：当M≤h1时，则特厚煤层充填开采层数为一层且煤层的采高为h3＝M，采用长壁矸石固体充填开采法进行充填开采，长壁矸石固体充填开采法过程为：使用滚筒采煤机割煤，采用充填液压支架支护，同时，通过带式输送机和抛矸机将破碎后的煤矸石抛至支架后方的采空区，并用夯实机千斤顶推动进行夯实，反复循环进行，直至煤层开采充填完成；
当M＞h1时，则特厚煤层充填开采层数为k层，为保证第1层底板稳定，采用短壁巷采充填方法充填开采第2层至第k层，采用长壁矸石固体充填开采法充填开采第1层，矿区含水层下特厚煤层充填开采过程如下：
步骤301、利用短壁巷采技术开采第k层开采层第一支巷，并用树脂锚杆和树脂锚索进行锚固，待第一支巷开采完毕后，采用跳采方式，开采第三支巷，同时对第一支巷进行充填，实现开采工序和充填工序在时间和空间上的独立性,第三支巷的采煤工序与第一支巷相同。
步骤302、第一支巷的充填工序具体为，在第一支巷顶部架设充填管路，其次，对第一支巷进行分区，依次排布为多个充填分区，设置第一支巷第一分区的挡墙，利用充填管路对第一分区的进行第一次充填层的充填，并反复多次进行，其中每次充填的高度不大于1.5m，充填材料为矸石胶结材料，直至充填高度达到挡墙高度的90％时，再对第一分区的最后一层充填层进行充填，其中最后一层充填层的充填材料为加入膨胀剂的矸石胶结材料，实现充填体与顶板的无缝衔接；此时第一支巷的第一分区充填完成，拆除第一充填分区的挡墙；
步骤303、设置第i充填分区的挡墙，对第一支巷的第i分区进行充填，第一支巷第i分区的充填过程与第一支巷第一分区的充填过程相同，i为分区编号且i＝2,3，...，g，g为本支巷的充填分区总数；其中各分区的充填顺序采用后退式，直至完成第一支巷的充填；
步骤304、待第一支巷的充填工序和第三支巷的采煤工序完毕后，采用上述相同的跳采和充填方式依次对第k层开采层的奇数标号支巷，即第j支巷进行第一轮充填开采，j为奇数，待第一轮的充填工序和采煤工序完毕后，对第k层开采层的偶数标号支巷，即第s支巷进行第二轮充填开采，s为偶数，其中第一、二轮的采煤工序和充填工序与上述第一支巷和第三支巷采煤工序和充填工序以及配合方式相同；直至完成第k层开采层的充填开采；其中，第j支巷的充填过程与第j+2支巷的开采过程同步进行，第s支巷的充填过程与第s+2支巷的开采过程同步进行；
步骤305、依次对第k-1层开采层，第k-2层开采层，...，第2层开采层进行上行充填开采，每层的充填开采过程与第k层开采层的过程相同；
步骤306、采用长壁矸石固体充填开采法充填开采第1层开采层，充填开采过程与M≤h1时的长壁矸石固体充填开采法相同；
步骤四、计算工作面最优参数：将第2层开采层至第k层开采层的多层矸石胶结材料充填层看作一个整体，矸石胶结材料强度为σ，第1层开采层的矸石材料充填层看作另一个整体，充实率为
Figure BDA0003467716190000041
根据实际充填开采参数，设计不同的矸石胶结材料强度σ与充实率
Figure BDA0003467716190000042
并将矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数带入FLAC3D数值模拟软件中构建矿区含水层下特厚煤层充填开采模型，分别得到煤层厚度M、矸石材料充填层采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure BDA0003467716190000043
与导水裂隙带高度H的关系；利用spss软件进行多元回归，得到煤层厚度M、矸石材料充填层采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure BDA0003467716190000044
与导水裂隙带高度H的关系表达式：
Figure BDA0003467716190000045
其中，a、b、c、d为关系表达式的各项系数，e为关系表达式的常数项，n1、n2、n3、n4为关系表达式的各项指数；
将实际煤层厚度M以及步骤二矸石材料充填层的采高h3带入关系表达式，并根据实际含水层位置，计算得到工作面的最优充实率和最优矸石胶结材料强度，从而提高矸石的利用率。
本发明的有益效果是，通过对煤层进行合理的分层，得到合适的分层层数以及各层的采高，针对不同分层采取不同的充填开采方式，并根据实际含水层的位置，结合煤层厚度与第一层采高计算工作面的最优充实率和最优矸石胶结材料强度参数，从而提高煤矸石的利用率，而且减小了煤炭开采对地下水资源的影响，弥补了特厚煤层开采的不足之处，在实际应用之中也简单方便，准确性高，并对特厚煤层开采、地下水资源保护、资源利用具有重要意义，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明地层分层分巷效果图。
图2为本发明支巷的第一充填分区充填一个充填层的效果图。
图3为本发明支巷的第一充填分区充填第二个充填层的效果图。
图4为本发明支巷的第一充填分区充填第三个充填层的效果图。
图5为本发明支巷的第一充填分区充填最后一层充填层的效果图。
图6为本发明支巷的第二充填分区分层充填的效果图。
图7为本发明支巷形成充填体的效果图。
图8为本发明跳采方式中第一支巷充填过程与第三支巷开采过程同步进行的效果图。
图9为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—矿区含水层； 2—上覆岩层；
3—矸石材料充填层； 4—短壁工作面连续采煤机；
5—矸石胶结材料充填层； 6—支巷；
7—挡墙； 8—充填层；
9—最后一层充填层； 10—树脂锚杆；
11—树脂锚索； 12—充填管路；
13—充填分区； 14—充填体。
具体实施方式
本发明的矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，包括以下步骤：
步骤一、获取矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数：现场获取矿区含水层1下特厚煤层煤岩体物理力学参数，具体见表1，并获取采煤工作面设备参数，其中，长壁工作面采煤机最大截割高度为h1＝8m和短壁工作面连续采煤机4的最大截割高度为h2＝6m；
表1
Figure BDA0003467716190000061
步骤二、确定矿区含水层下特厚煤层充填开采层数和每层煤层的采高：如图1所示，依据特厚煤层厚度和采煤工作面设备参数确定矿区含水层下特厚煤层充填开采层数和每层煤层的采高，该矿的含水层距煤层为65m，煤层厚度为M＝13m，其中，M＞h1且
Figure BDA0003467716190000062
不为整数，故可把该煤层分为
Figure BDA0003467716190000063
层，第1层采用长壁矸石固体充填开采方法，工作面采高为h3＝8m，第2层采用短壁巷采充填开采方法，工作面采高为h4＝5m；
步骤三、矿区含水层下特厚煤层充填开采过程如下：
如图8所示，首先利用短壁巷采技术开采第2层开采层第一支巷，并用树脂锚杆10和树脂锚索11进行锚固，待第一支巷开采完毕后，采用跳采方式，开采第三支巷，同时对第一支巷进行充填，实现开采工序和充填工序在时间和空间上的独立性,第三支巷的采煤工序与第一支巷相同；
第一支巷的充填工序具体为，在第一支巷顶部架设充填管路12，其次，如图2至图5所示，对第一支巷进行分区，依次排布为多个充填分区，设置第一支巷第一分区的挡墙，利用充填管路12对第一分区进行第一次充填层8、第二次充填层8、第三次充填层8的充填，其中每次充填的高度为1.5m，充填材料为矸石胶结材料，直至充填高度达到4.5m时，再对第一分区的最后一层充填层9进行充填，充填高度为0.5m,其中最后一层充填层的充填材料为加入膨胀剂的矸石胶结材料，实现充填体14与顶板的无缝衔接；此时第一支巷的第一分区充填完成，拆除第一充填分区的挡墙7；
如图6、图7所示，设置第i充填分区的挡墙7，对第一支巷的第i分区进行充填，第一支巷第i分区的充填过程与第一支巷第一分区的充填过程相同，i为分区编号且i＝2,3，...，g，g为本支巷6的充填分区总数；其中各分区的充填顺序采用后退式，直至完成第一支巷的充填；
待第一支巷的充填工序和第三支巷的采煤工序完毕后，采用上述相同的跳采和充填方式依次对第2层开采层的奇数标号支巷，即第j支巷进行第一轮充填开采，j为奇数，待第一轮的充填工序和采煤工序完毕后，随后对对第2层开采层的偶数标号支巷，即第s支巷进行第二轮充填开采，s为偶数，其中第一、二轮的采煤工序和充填工序与上述第一支巷和第三支巷采煤工序和充填工序以及配合方式相同；直至完成第2层开采层的充填开采；其中，第j支巷的充填过程与第j+2支巷的开采过程同步进行，第s支巷的充填过程与第s+2支巷的开采过程同步进行；
最后，采用长壁矸石固体充填开采法对第1层开采层进行充填开采，从而完成整个煤层的充填开采；
步骤四、计算工作面最优参数：将第2层开采层的矸石胶结材料充填层5看作一个整体，矸石胶结材料强度为σ，第1层开采层的矸石材料充填层3看作另一个整体，充实率为
Figure BDA0003467716190000071
根据充填开采实际工作参数，设计不同的矸石胶结材料强度σ与充实率
Figure BDA0003467716190000072
并将矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数带入FLAC3D数值模拟软件中构建矿区含水层下特厚煤层充填开采模型，分别得到煤层厚度M、矸石材料充填层3采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure BDA0003467716190000081
与导水裂隙带高度H的关系；利用spss软件进行多元回归，得到煤层厚度M、矸石材料充填层3采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure BDA0003467716190000082
与导水裂隙带高度H的关系表达式：
Figure BDA0003467716190000083
将实际煤层厚度M＝13m以及步骤二矸石材料充填层3的采高h3＝8m代入关系表达式，得到
Figure BDA0003467716190000084
将该矿的含水层距煤层距离65m代入，计算设计得到最优充实率为65％，最优矸石胶结材料强度为0.30MPa，为最佳工作面参数，从而提高矸石的利用率，而且减小了煤炭开采对地下水资源的影响，弥补了特厚煤层开采的不足之处，在实际应用之中也简单方便，准确性高，并对特厚煤层开采、地下水资源保护、资源利用具有重要意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.矿区含水层下特厚煤层充填开采及工作面参数确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数：现场获取矿区含水层(1)下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数，其中，所述特厚煤层煤岩体物理力学参数包括特厚煤层厚度、体积模量、剪切模量、抗拉强度、密度、粘聚力和内摩擦角；所述采煤工作面设备参数包括长壁工作面采煤机最大截割高度和短壁工作面连续采煤机(4)的最大截割高度；
步骤二、确定矿区含水层下特厚煤层充填开采层数和每层煤层的采高：依据特厚煤层厚度和采煤工作面设备参数，当M≤h1时，则充填开采层数为k＝1层且煤层的采高为h3＝M，其中，M为特厚煤层厚度，h1为长壁工作面采煤机最大截割高度；
当M＞h1时，则特厚煤层充填开采层数为k层，k层开采层由上至下依次为第1层开采层、第2层开采层、...、第k层开采层，k为正整数；
其中，第1层开采层为矸石材料充填层(3)，充填材料为矸石，第2层开采层至第k层开采层为矸石胶结材料充填层(5)，充填材料为矸石胶结材料，矸石胶结材料包括水、水泥、粉煤灰和矸石粒，材料的组分配比不同，矸石胶结材料强度不同；
确定M＞h1时的开采层数k及各层采高，判断
Figure FDA0003467716180000011
是否为整数；
当
Figure FDA0003467716180000012
为整数时，
Figure FDA0003467716180000013
矸石材料充填层(3)的采高为h3＝h1，矸石胶结材料充填层(5)的各层采高h4等于h2，其中，h2为短壁工作面连续采煤机(4)最大截割高度，且h4不大于h2；
当
Figure FDA0003467716180000014
为非整数时，
Figure FDA0003467716180000015
矸石材料充填层(3)的采高为h3＝h1，矸石胶结材料充填层(5)的各层采高
Figure FDA0003467716180000016
其中，[·]为向下取整函数；
步骤三、矿区含水层下特厚煤层充填开采：当M≤h1时，则特厚煤层充填开采层数为一层且煤层的采高为h3＝M，采用长壁矸石固体充填开采法进行充填开采，长壁矸石固体充填开采法过程为：使用滚筒采煤机割煤，采用充填液压支架支护，同时，通过带式输送机和抛矸机将破碎后的煤矸石抛至支架后方的采空区，并用夯实机千斤顶推动进行夯实，反复循环进行，直至煤层开采充填完成；
当M＞h1时，则特厚煤层充填开采层数为k层，为保证第1层底板稳定，采用短壁巷采充填方法充填开采第2层至第k层，采用长壁矸石固体充填开采法充填开采第1层，矿区含水层下特厚煤层充填开采过程如下：
步骤301、利用短壁巷采技术开采第k层开采层第一支巷，并用树脂锚杆(10)和树脂锚索(11)进行锚固，待第一支巷开采完毕后，采用跳采方式，开采第三支巷，同时对第一支巷进行充填，实现开采工序和充填工序在时间和空间上的独立性,第三支巷的采煤工序与第一支巷相同；
步骤302、第一支巷的充填工序具体为，在第一支巷顶部架设充填管路(12)，其次，对第一支巷进行分区，依次排布为多个充填分区，设置第一支巷第一分区的挡墙，利用充填管路(12)对第一分区的进行第一次充填层(8)的充填，并反复多次进行，其中每次充填的高度不大于1.5m，充填材料为矸石胶结材料，直至充填高度达到挡墙高度的90％时，再对第一分区的最后一层充填层(9)进行充填，其中最后一层充填层的充填材料为加入膨胀剂的矸石胶结材料，实现充填体(14)与顶板的无缝衔接；此时第一支巷的第一分区充填完成，拆除第一充填分区的挡墙(7)；
步骤303、设置第i充填分区的挡墙(7)，对第一支巷的第i分区进行充填，第一支巷第i分区的充填过程与第一支巷第一分区的充填过程相同，i为分区编号且i＝2,3，...，g，g为本支巷(6)的充填分区总数；其中各分区的充填顺序采用后退式，直至完成第一支巷的充填；
步骤304、待第一支巷的充填工序和第三支巷的采煤工序完毕后，采用上述相同的跳采和充填方式依次对第k层开采层的奇数标号支巷，即第j支巷进行第一轮充填开采，j为奇数，待第一轮的充填工序和采煤工序完毕后，对第k层开采层的偶数标号支巷，即第s支巷进行第二轮充填开采，s为偶数，其中第一、二轮的采煤工序和充填工序与上述第一支巷和第三支巷采煤工序和充填工序以及配合方式相同；直至完成第k层开采层的充填开采；其中，第j支巷的充填过程与第j+2支巷的开采过程同步进行，第s支巷的充填过程与第s+2支巷的开采过程同步进行；
步骤305、依次对第k-1层开采层，第k-2层开采层，...，第2层开采层进行上行充填开采，每层的充填开采过程与第k层开采层的过程相同；
步骤306、采用长壁矸石固体充填开采法充填开采第1层开采层，充填开采过程与M≤h1时的长壁矸石固体充填开采法相同；
步骤四、计算工作面最优参数：将第2层开采层至第k层开采层的多层矸石胶结材料充填层(5)看作一个整体，矸石胶结材料强度为σ，第1层开采层的矸石材料充填层(3)看作另一个整体，充实率为
Figure FDA0003467716180000031
根据实际充填开采参数，设计不同的矸石胶结材料强度σ与充实率
Figure FDA0003467716180000032
并将矿区含水层下特厚煤层煤岩体物理力学参数和采煤工作面设备参数带入FLAC3D数值模拟软件中构建矿区含水层下特厚煤层充填开采模型，分别得到煤层厚度M、矸石材料充填层(3)采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure FDA0003467716180000033
与导水裂隙带高度H的关系；利用spss软件进行多元回归，得到煤层厚度M、矸石材料充填层(3)采高h3、矸石胶结材料强度σ、充实率
Figure FDA0003467716180000034
与导水裂隙带高度H的关系表达式：
Figure FDA0003467716180000035
其中，a、b、c、d为关系表达式的各项系数，e为关系表达式的常数项，n1、n2、n3、n4为关系表达式的各项指数；
将实际煤层厚度M以及步骤二矸石材料充填层(3)的采高h3带入关系表达式，并根据实际含水层位置，计算得到工作面的最优充实率和最优矸石胶结材料强度，从而提高矸石的利用率。
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