CN115341903A - 面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法 - Google Patents

面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法，属于煤粮主产复合区煤炭开采和耕地保护协同发展的技术领域。首先确定耕地下方煤层的地质信息，同时结合耕地的抗变形能力，确定耕地保护的设防指标，然后设计充实率
Figure DDA0003805745290000011
以及不同的垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a，计算出煤炭资源采出率，并基于等效采高模型和概率积分法模型计算出不同垮落工作面和充填工作面宽度组合下的地表移动与变形值，确定面向煤炭开采和耕地保护协同发展的垮落工作面和充填工作面宽度，完成煤炭地下采煤设计。其步骤简单，可操作性强，可在尽可能降低充填成本和提高资源采出率的同时又能快速恢复耕地生产力，具有重要的实践意义。

Description

面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法
技术领域
本发明涉及一种地下煤炭开采设计方法，尤其适用于一种面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法，属于煤粮主产复合区煤炭开采和耕地保护协同发展的技术领域。
技术背景
煤炭开发推动了矿区快速城镇化。
现行的煤粮复合区煤炭开发主要采用长壁开采全部垮落法管理顶板，覆岩破坏和地表沉陷剧烈，对平原地区耕地破坏尤为严重；采煤沉陷地治理一直走的是“先破坏后复垦”的传统之路。由于我国中东部矿区石炭二叠系多煤层开采、多构造赋存和分采区垮落法开采等地质采矿特点，地面耕地采动损毁具有周期长、多次采动特征，加之地下采煤规划与地面耕地保护缺乏相互协调；致使采煤损毁耕地复垦严重滞后或出现反复损毁重复治理、严重影响粮食生产等问题。因此，必须变被动为主动，需要结合充填开采、土地复垦领域的科学与技术成就，从采煤沉陷源头控制方向实现耕地保护和煤炭绿色开采协同发展。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种步骤简单，可操作性强，充填成本低，资源采出率高，且能快速恢复耕地生产力的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法。
为实现上述技术目的，本发明的一种面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法，其步骤如下：
步骤1：通过研究区域地质采矿条件确定潜水位埋深h、煤层采深H、采厚m和倾角α；
步骤2：结合该地区耕地的土壤种类和耕种农作物类型，分析耕地的抗变形能力，确定耕地保护的设防指标，包括允许地表下沉W标、允许地表倾斜I标、允许地表水平变形ε标和允许地表曲率变形K标；
步骤3：然后结合矿区生产能力、充填方法、充填体材料设计充实率
Figure BDA0003805745270000011
依据采动程度与下沉系数间的非线性关系确定出多组垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a，计算出煤炭资源采出率，并基于等效采高模型和概率积分法模型计算出不同垮落工作面和充填工作面宽度组合下的地表移动与变形值，包括地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率变形K；
步骤4：为高效利用岩层自身控制作用来控制岩层和地表变形，采用垮落、充填间隔设置开采方法，为满足充填体的长期稳定性和依靠充填体将相邻垮落工作面分割为独立的开采空间的因素，设计不同间隔宽度的垮落工作面宽度b以及充填工作面宽度a，然后将不同垮落工作面宽度和充填工作面宽度进行组合得到多组不同的组合作为预设计方案；
步骤5：计算出每一个预设计方案的变形值，并将其与耕地保护指标进行对比，择优确定最佳方案。
进一步，步骤1具体为：针对在煤粮复合区进行耕地下采煤区域，通过收集研究区域的地质条件、地层情况、钻孔柱状图、水文地质信息等资料，明确地质采矿条件，确定该地区的潜水位埋深h、待开采煤层的采深H、开采厚度m和煤层倾角α。
进一步，步骤3具体为：结合矿区生产能力、充填方法、充填体材料等设计充实率，并设计不同的垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn)和充填工作面宽度a(a1,a2,…,am)进行组合，获得多组工作面宽度预设计方案{[(b1,a1),(b1,a2),…(b1,am)]；[(b2,a1),(b2,a2),…(b2,am)]；[…]； [(bn,a1),(bn,a2),…(bn,am)]}，将设计方案数组表示为阵形式
Figure BDA0003805745270000021
然后利用公式：
Figure BDA0003805745270000022
计算出煤炭资源采出率，式中若垮落工作面的采出率为ρ1，垮落工作面总宽度为S1，充填工作面采出率为ρ2，充填工作面总宽度为S2，垮落工作面和充填工作面面长相同。
进一步，步骤4具体为：基于等效采高模型和概率积分模型，分别计算出步骤3所设计的不同垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn)和充填工作面宽度a(a1,a2,…,an)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1,a1),(b1,a2),…(b1,am)]；[(b2,a1),(b2,a2),…(b2,am)]；[…]；[(bn,a1), (bn,a2),…(bn,am)]}的地表移动与变形值，
具体包括：
地表下沉W(W11,W12,…,W1m；W21,W22,…,W2m；…；Wn1,Wn2,…,Wnm)、
地表倾斜I(I11,I12,…,I1m；I21,I22,…,I2m；…；In1,In2,…,Inm)、
地表水平变形ε(ε11,ε12,…,ε1m；ε21,ε22,…,ε2m；…；εn1,εn2,…,εnm)、
地表曲率变形K(K11,K12,…,K1m；K21,K22,…,K2m；…；Kn1,Kn2,…,Knm)，
将相同序号的地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率K分组组合，从而获得不同垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn)和充填工作面宽度a(a1,a2,…,an)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1,a1),(b1,a2),…(b1,am)]；[(b2,a1),(b2,a2),…(b2,am)]；[…]；[(bn,a1), (bn,a2),…(bn,am)]}，预设计方案下的地表移动与变形值数据组表示为：
Figure BDA0003805745270000031
根据计算得到的地表移动变形值来和耕地保护设防指标做比较，不满足设防指标得变形值所对应的方案需要剔除，然后在满足设防指标变形值对应的预设计方案值择优确定最佳方案作为最终的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方案。
进一步，步骤5具体包括：将得到的耕地保护设防指标W标、I标、ε标、K标与不同垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a组合下的地表移动与变形值数据组：
Figure BDA0003805745270000032
逐一进行比较，选择出满足Wi≤W标， Ii≤I标，εi≤ε标，Ki≤K标，且最接近指标W标、I标、ε标、K标的数据，择确定此组数据(Wi,Ii,εi,Ki) 为最佳值，根据最佳值(Wi,Ii,εi,Ki)对应的垮落工作面宽度bi和充填工作面宽度ai的组合完成煤炭地下采煤设计。
有益效果：本发明综合考虑煤粮复合区地下煤炭开采的地质采矿条件与地表耕地抗变形能力等因素，创造性的建立了一套完整的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法，从采煤沉陷源头控制的思路解决了煤粮复合区地下采煤与耕地保护协同发展的难题，其步骤简单，可操作性强，可在尽可能降低充填成本和提高资源采出率的同时又能快速恢复耕地生产力，具有重要的实践意义。
本方法通过预设计出几组垮落工作面宽度和充填工作面宽度，然后将其逐一组合，每一组组合均是一个预设计方案，然后计算出每一个预设计方案的变形值，并将其与耕地保护指标进行对比，择优确定最佳方案，设计时其精度要求选择在5m或10m倍数的宽度进行设计即可，其预设计方案个数有限，并可以通过编程实现自动化计算。此外，因为本方法的内在本质是依据采动程度和下沉系数间的非线性关系设计临界垮落工作面宽度，这样单一的非充分采动垮落工作面引起的地表移动变形很小，而充填工作面一方面起到了支撑作用，另一方面将各个垮落工作吗分割成了独立开采空间，如此便能充分利用岩层对自身沉降的控制作用，从而理论上可使地表移动变形值满足耕地移动变形设防指标，实现煤炭开采和耕地保护协同发展，本申请即是这种控制理论应用于地下采设计时的具体方法。
附图说明
图1为本发明的面向煤炭开采和耕地保护协同发的地下采煤设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的面向煤炭开采和耕地保护协同发的地下采煤设计方法，步骤如下：
通过研究区域地质采矿条件确定潜水位埋深h、煤层采深H、采厚m和倾角α，同时结合耕地的抗变形能力，确定耕地保护的设防指标，包括地表下沉W标、地表倾斜I标、地表水平变形ε标和地表曲率变形K标。然后设计充实率
Figure BDA0003805745270000041
以及不同的垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a，计算出煤炭资源采出率，并基于等效采高模型和概率积分法模型计算出不同垮落工作面和充填工作面宽度组合下的地表移动与变形值，包括地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率变形K。确定面向煤炭开采和耕地保护协同发展的垮落工作面和充填工作面宽度，完成煤炭地下采煤设计。
具体步骤为：
步骤1：针对在煤粮复合区进行耕地下采煤区域，通过收集研究区域的地质条件、地层情况、钻孔柱状图、水文地质信息等资料，明确地质采矿条件，确定该地区的潜水位埋深h、待开采煤层的采深H、开采厚度m和煤层倾角α。
步骤2：结合该地区耕地的土壤种类和耕种农作物类型，分析耕地的抗变形能力，确定耕地保护的设防指标，包括允许地表下沉W标、允许地表倾斜I标、允许地表水平变形ε标和允许地表曲率变形K标。
步骤3：结合矿区生产能力、充填方法、充填体材料等设计充实率，并设计不同的垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn)和充填工作面宽度a(a1,a2,…,am)进行组合，并计算出煤炭资源采出率。
步骤4：基于等效采高模型和概率积分模型，分别计算出步骤3所设计的不同垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn)和充填工作面宽度a(a1,a2,…,am)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1,a1),(b1,a2),…(b1,am)]；[(b2,a1),(b2,a2),…(b2,am)]；[…]；[(bn,a1),(bn,a2),…(bn,am)]} 的地表移动与变形值，包括地表下沉W(W11,W12,…,W1m；W21,W22,…,W2m；…；Wn1,Wn2,…,Wnm)、地表倾斜 I(I11,I12,…,I1m；I21,I22,…,I2m；....；In1,In2,…,Inm)、地表水平变形ε(ε11,ε12,…,ε1m；ε21,ε22,…,ε2m；…；εn1,εn2,…,εnm)和地表曲率变形 K(K11,K12,…,K1m；K21,K22,…,K2m；…；Kn1,Kn2,…,Knm)，将相同序号的地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率K分组组合，从而获得不同垮落工作面宽度b(b1,b2,…,bn) 和充填工作面宽度a(a1,a2,…,an)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1,a1), (b1,a2),…(b1,am)]；[(b2,a1),(b2,a2),…(b2,am)]；[…]；[(bn,a1),(bn,a2),…(bn,am)]}下的地表移动与变形值数据组
Figure BDA0003805745270000051
步骤5：将步骤2中得到的耕地保护设防指标W标、I标、ε标、K标与步骤4中得到的不同垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a组合下的地表移动与变形值数据组
Figure BDA0003805745270000052
逐一进行比较，选择出满足Wi≤W标， Ii≤I标，εi≤ε标，Ki≤K标，且最接近指标W标、I标、ε标、K标的数据，同时择确定此组数据(Wi,Ii,εi,Ki)为最佳值，根据最佳值(Wi,Ii,εi,Ki)对应的垮落工作面宽度bi和充填工作面宽度ai的组合完成煤炭地下采煤设计。

Claims (5)

1.一种面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过研究区域地质采矿条件确定潜水位埋深h、煤层采深H、采厚m和倾角α；
步骤2：结合该地区耕地的土壤种类和耕种农作物类型，分析耕地的抗变形能力，确定耕地保护的设防指标，包括允许地表下沉W标、允许地表倾斜I标、允许地表水平变形ε标和允许地表曲率变形K标；
步骤3：然后结合矿区生产能力、充填方法、充填体材料设计充实率
Figure FDA0003805745260000013
依据采动程度与下沉系数间的非线性关系确定出多组垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a，计算出煤炭资源采出率，并基于等效采高模型和概率积分法模型计算出不同垮落工作面和充填工作面宽度组合下的地表移动与变形值，包括地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率变形K；
步骤4：为高效利用岩层自身控制作用来控制岩层和地表变形，采用垮落、充填间隔设置开采方法，为满足充填体的长期稳定性和依靠充填体将相邻垮落工作面分割为独立的开采空间的因素，设计不同间隔宽度的垮落工作面宽度b以及充填工作面宽度a，然后将不同垮落工作面宽度和充填工作面宽度进行组合得到多组不同的组合作为预设计方案；
步骤5：计算出每一个预设计方案的变形值，并将其与耕地保护指标进行对比，择优确定最佳方案。
2.根据权利要求1所述的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤煤设计方法，其特征在于，步骤1具体为：针对在煤粮复合区进行耕地下采煤区域，通过收集研究区域的地质条件、地层情况、钻孔柱状图、水文地质信息等资料，明确地质采矿条件，确定该地区的潜水位埋深h、待开采煤层的采深H、开采厚度m和煤层倾角α。
3.根据权利要求1所述的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤煤设计方法，其特征在于，步骤3具体为：结合矿区生产能力、充填方法、充填体材料等设计充实率，并设计不同的垮落工作面宽度b(b1，b2，...，bn)和充填工作面宽度a(a1，a2，...，am)进行组合，获得多组工作面宽度预设计方案{[(b1，a1)，(b1，a2)，…(b1，am)]；[(b2，a1)，(b2，a2)，…(b2，am)]；[…]；[(bn，a1)，(bn，a2)，…(bn，am)]}，将设计方案数组表示为阵形式
Figure FDA0003805745260000011
然后利用公式：
Figure FDA0003805745260000012
计算出煤炭资源采出率，式中若垮落工作面的采出率为ρ1，垮落工作面总宽度为S1，充填工作面采出率为ρ2，充填工作面总宽度为S2，垮落工作面和充填工作面面长相同。
4.根据权利要求1所述的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤煤设计方法，其特征在于，步骤4具体为：基于等效采高模型和概率积分模型，分别计算出步骤3所设计的不同垮落工作面宽度b(b1，b2，...，bn)和充填工作面宽度a(a1，a2，...，an)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1，a1)，(b1，a2)，…(b1，am)]；[(b2，a1)，(b2，a2)，…(b2，am)]；[…]；[(bn，a1)，(bn，a2)，…(bn，am)]}的地表移动与变形值，
具体包括：
地表下沉W(W11，W12，...，W1m；W21，W22，...，W2m；...；Wn1，Wn2，...，Wnm)、
地表倾斜I(I11，I12，...，I1m；I21，I22，...，I2m；...；In1In2，...，Inm)、
地表水平变形ε(ε11，ε12，...，ε1m；ε21，ε22，...，ε2m；...；εn1，εn2，...，εnm)、
地表曲率变形K(K11，K12，...，K1m；K21，K22，...，K2m；...；Kn1，Kn2，...，Knm)，
将相同序号的地表下沉W、地表倾斜I、地表水平变形ε和地表曲率K分组组合，从而获得不同垮落工作面宽度b(b1，b2，...，bn)和充填工作面宽度a(a1，a2，...，an)组合得到的工作面宽度预设计方案{[(b1，a1)，(b1，a2)，…(b1，am)]；[(b2，a1)，(b2，a2)，…(b2，am)]；[…]；[(bn，a1)，(bn，a2)，…(bn，am)]}，预设计方案下的地表移动与变形值数据组表示为：
Figure FDA0003805745260000021
根据计算得到的地表移动变形值来和耕地保护设防指标做比较，不满足设防指标得变形值所对应的方案需要剔除，然后在满足设防指标变形值对应的预设计方案值择优确定最佳方案作为最终的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤设计方案。
5.根据权利要求4所述的面向煤炭开采和耕地保护协同发展的地下采煤煤设计方法，其特征在于，步骤5具体包括：将得到的耕地保护设防指标W标、I标、ε标、K标与不同垮落工作面宽度b和充填工作面宽度a组合下的地表移动与变形值数据组：
Figure FDA0003805745260000022
逐一进行比较，选择出满足Wi≤W标，Ii≤I标，εi≤ε标，Ki≤K标，且最接近指标W标、I标、ε标、K标的数据，择确定此组数据(Wi，Ii，εi，Ki)为最佳值，根据最佳值(Wi，Ii，εi，Ki)对应的垮落工作面宽度bi和充填工作面宽度ai的组合完成煤炭地下采煤设计。
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