煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法

摘要

本发明公开了一种煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法。实行留设煤柱+部分充填+部分开采的协调式充填开采，以留设的煤柱为核心，使煤柱、充填体、垮落体协调支撑上覆岩体，控制岩层与地表的移动变形值。单侧充填模式是在留设煤柱一侧，依次布置充填工作面和不充填工作面；双侧充填模式则两侧依次布设。先采充填工作面、后回采不充填工作面，或者充采合并同时回采。留设煤柱宽度应满足基本稳定要求；充填工作面、不充填工作面宽度，按极不充分开采要求确定。本发明与条带开采相比，煤柱侧充改善了煤柱的应力状态，提高了采出率。与全采全充相比，减少了充填量，却增强了充填体与煤柱的支撑强度，提高了岩层控制效果，节省了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层开采方法，特别涉及一种煤矿岩层移动控制 的“采-充-留”耦合协调开采方法。

技术背景

开采势必造成地表沉降和变形。在潜水位较高地区，按常规开采 方式回采煤炭资源，会在地表形成的沉陷盆地内大量积水，若建筑物 或构筑物位于沉陷盆地内，会造成建筑物或构筑物长期积水或过度潮 湿，影响正常使用；当地表变形较大时还会引起建筑物或构筑物的损 坏。因此，当地表建(构)筑物较多，压煤量大时，目前一般采取地 表建(构)筑物异地搬迁，或采取井下充填开采和条带开采措施，以 避免或减小地表建(构)筑物的开采损害影响程度。不同措施具有如 下特点：

1、异地搬迁

把建(构)筑物从开采影响区，搬迁到不受开采影响的地方。该 方法可从根本上解决建(构)筑物受开采的影响，是避免采动损害的 最为有效的途径。但该方法存在征地困难、资金投入较大、搬迁周期 长、工农关系难以协调等问题。

2、常规开采

指综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板的采煤方法。该法资源 回收率最高，高产高效，系统布置简单，巷道掘进量小，但对地表建 筑物、构筑物的损害最为严重。

3、条带开采

把开采煤层划分为条带形状，按一定采留比，采一条，留一条， 间隔顺序开采，使留下的条带煤柱支撑上覆岩层，从而达到减小地表 移动变形的方法。该方法可较好的控制地表的移动和变形，建(构) 筑物受到采动影响较小，但丢煤严重、资源回收率低，回采率仅为 40％左右，采深较大时回采率更低。若煤柱留设宽度较大时丢煤严重， 过小时，会造成煤柱失稳，起不到控制覆岩移动的作用。

4、充填开采(全采全充)

充填开采是指井下工作面开采后，采用矸石、废弃物或膏体、高 水材料等充填到采空区，以抑制顶板下沉，从而起到控制岩层与地表 移动变形的开采方法。该方法可有效控制地表下沉及变形，资源回收 率高；开采与充填交替作业、相互影响，使得产量低。资金一次性投 入大，吨煤成本增加，充填材料无保证的矿区难以实施该方法。

实测及试验研究表明，地表及岩层移动主要受控于关键层，当主 要关键层完整时，其上方岩层随关键层的移动而移动，地表的下沉和 变形均较小；主要关键层的破断会导致地表下快速下沉，地表下沉速 度随主关键层周期性破断而呈现周期跳跃性变化，当关键层的移动变 形传至地表松散层时，松散层会调整吸收关键层的非均匀下沉，若松 散层较薄时，不足以全部吸收非均匀变形，地表会发生较大变形，而 松散层足够厚时，关键层破断引起的非连续变形将被全部吸收，地表 表现为连续变形。矿业工程近几十年来的研究取得了突出成就，尤其 关键层理论的提出，解决了现场许多技术问题，并为支护设计、瓦斯 抽放技术提供了理论依据。覆岩中关键层可以控制其上方覆岩的移 动，主关键层不破断并长期稳定的情况下，地表发生的移动变形较小， 这是设计开采“三下(建/构筑物下、铁路下和水体下)”煤炭资源的 基本原则。

以上各种开采方法从本质上来讲，是侧重于资源的高效回收或地 表的有效保护，不能二者兼顾。目前我国“三下”压煤问题普遍存在， 有的矿区压煤量甚至达到100％，搬迁费用企业难以承受，条带开采 资源的回收率太低，全部充填开采成本太高。因此，在“三下”开采 中迫切需要一种安全、高回收率、低成本的开采技术。

综上所述，对于搬迁措施难以实施，地表沉陷后易积水、压煤量 大、分布广泛的建(构)筑物下开采；就要寻求一种既能减小下沉和 地表变形，以达到保护地表建(构)筑物的安全使用、保证资源回收 率要求，又能节约成本的开采措施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地控制岩层与 地表的移动和变形、能够减小采动损害、减少面积充填率，并且提高 煤炭回收率的煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法。

本发明通过以下技术方案实现：煤矿岩层移动控制的“采-充- 留”耦合协调开采方法，将煤矿采区划分成m个开采单元，m为正整 数；开采单元的开采分为单侧充填和双侧充填两种模式，每个开采单 元实行留设煤柱、部分充填和部分开采的协调式充填开采，以留设的 煤柱为核心，使煤柱、充填体和垮落体协调支撑上覆岩体，控制岩层 与地表的移动变形值。

上述煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法，按照 单侧充填模式，每个开采单元均采用单侧填充模式进行开采：单侧充 填模式是在留设煤柱一侧，依次布置一个充填工作面和一个不充填工 作面；首先在第N个开采单元的充填法开采单元区内进行充填工作面 回采并充填形成充填体；然后在第N个开采单元的全部垮落法开采单 元区进行不充填工作面回采，形成采空区，n均为正整数且m小于等 于n；相邻两个开采单元的煤柱与采空区相邻。

上述煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法，按照 双侧充填模式，每个开采单元采用双侧填充模式进行开采，双侧充填 模式是在留设煤柱的一侧依次布设一个充填工作面和一个不充填工 作面，并在留设的煤柱的另一侧布设另一个不充填工作面；首先在第 N个开采单元的充填法开采单元区内进行充填工作面回采并充填形成 充填体；然后在第N个开采单元的全部垮落法开采单元区进行不充填 工作面回采，形成采空区，n均为正整数且m小于等于n；相邻两个 开采单元采用填充体与采空区相邻。

上述煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法，整个 煤矿采区内，一部分开采单元的煤柱只在一侧有充填体，另一部分开 采单元的煤柱的两侧均有充填体；相邻两个开采单元采用填充体与采 空区相邻或者采用煤柱与采空区相邻。

上述煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法，充填 工作面和不充填工作面合并，同时回采。

需要特别指出的是：留设煤柱的宽度可按基本稳定要求确定，充 填工作面、不充填工作面宽度，可根据具体地质采矿条件按非充分开 采或极不充分要求确定；这对本领域技术人员来说是公知常识，在此 无须赘述。

本项发明的有益效果是：本发明煤矿岩层移动控制的“采-充- 留”耦合协调开采方法特别适用于建(构)筑物及水体下，缓倾斜或 近水平且直接顶较完整、覆岩岩性为中硬或坚硬岩层的煤层开采。煤 层开采采取“小煤柱+两(单)侧充填面+两(单)侧极不充分开 采面”。控制覆岩垮落范围，从而减小覆岩移动变形程度，达到既可 控制地表移动变形，又可提高资源回收率的目的。

本发明煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法，通 过减小留设煤柱宽度提高资源回收率，利用充填体充填以减小采动空 间，使上覆岩层中关键层位移及变形发展的空间减小，与小煤柱共同 支撑上覆关键层的压力，起到辅助支撑作用，并向煤(岩)体和顶底 板围岩提供一定的抵抗力，减缓煤柱和关键层中的应力集中现象(应 力集中是造成覆岩变形与破坏导致地面损害的根本原因)，从而使充 填体与煤柱载荷共同支承关键层的支撑体系，起到减小地表移动变形 的作用；另一方面充填体对小煤柱产生侧向压力，使小煤柱处于双向 或三向应力状态，改善了小煤柱的围岩状况，提高了其抗变形的能力， 使其具有较好的完整性和稳定性。

通常采用的条带开采，煤柱两侧为采空区，煤柱处于单向应力或 双向应力状态，采空区处顶板受到范围较大的移动变形。应用本发明 煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开采方法可以减小条带煤 柱留设宽度，且能够有效控制顶板的变形范围，保证覆岩中主关键层 不破断并长期稳定，可以达到减小顶板移动变形由下至上的扩展，使 地表不受或受到较小开采影响。

本发明与条带开采相比，煤柱侧充改善了煤柱的应力状态，提高 了采出率。与全采全充相比，减少了充填量，却增强了充填体与煤柱 的支撑强度，提高了岩层控制效果，节省了成本。

附图说明

图1a为采煤区的剖面图；

图1a’为采用本发明煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协 调开采方法在图1a所示采煤区采煤的煤柱单侧“采-充-留”开采平 面图；

图1b为另一个采煤区的剖面图；

图1b’为采用本发明煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调 开采方法在图1b’所示采煤区采煤的煤柱两侧“采-充-留”开采平面 图；

D采-采用全部垮落法开采的常规开采工作面；

D充-采用全部充填法开采的工作面；

D留-留设的支撑上覆岩层的小煤柱；

图1c为为本发明煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合协调开 采方法在一部分煤柱单侧“采-充-留”开采及在另一部分煤柱双侧“采 -充-留”开采的平面图。

图2a-2d为某矿采用“采-充-留”耦合协调开采与全部垮落法全 采、全部充填法开采地表移动变形曲线比较图，其中：图2a为地表 下沉对比图，图2b为地表倾斜对比图，图2c为地表水平移动对比图， 图2d为地表水平变形对比图。

图3a-3e为某矿首采区部分区域开采地表破坏等级云图，其中： 图3a为“采-充-留”耦合协调单侧充填方法开采地表破坏等级云图， 图3a-1为图3a经WORD图片工具处理后的黑白图；图3b为“采-充- 留”耦合协调双侧充填方法开采地表破坏等级云图，图3b-1为图3b 经WORD图片工具处理后的黑白图；图3c为全部垮落法管理顶板常规 开采地表破坏等级云图，图3c-1为图3c经WORD图片工具处理后的 黑白图；图3d为全部充填法全采后地表破坏等级云图，图3d-1为图 3d经WORD图片工具处理后的黑白图；图3e为条带开采后地表破坏 等级云图，图3e-1为图3e经WORD图片工具处理后的黑白图。

图中：1-煤矿采区，n-第N个开采单元，n+1-第N+1个开采单元； n+2-第N+2个开采单元；n+3-第N+3个开采单元；MZ-煤柱；CTT-充 填体；CKQ-采空区。图3a-3e中：“空白区域”代表全采工作面，“空 白处填充有黑点区域”代表充填工作面，“黑色区域”代表留设煤柱， “蓝色区域”代表I级破坏(极轻微)，“黄色区域”代表I级破坏(轻 微)，“绿色区域”代表II级破坏。

具体实施方式

下面通过实例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1a和图1a’所示，本实施例煤矿岩层移动控制的“采-充- 留”耦合协调开采方法，将煤矿采区1划分成m个开采单元，m为正 整数；每个开采单元均采用单侧填充模式进行开采：单侧充填模式是 在留设煤柱MZ一侧，依次布置一个充填工作面和一个不充填工作面； 首先在第N个开采单元n的充填法开采单元区内进行充填工作面回采 并充填形成充填体CTT；然后在第N个开采单元n的全部垮落法开采 单元区进行不充填工作面回采，形成采空区CKQ，n均为正整数且m 小于等于n；相邻两个开采单元的煤柱MZ与采空区CKQ相邻。以留 设的煤柱MZ为核心，使煤柱MZ、充填体CTT和垮落体协调支撑上覆 岩体，进行岩层与地表的移动变形值控制。

实施例2

如图1b和图1b’所示，本实施例煤矿岩层移动控制的“采-充- 留”耦合协调开采方法，将煤矿采区1划分成m个开采单元，m为正 整数；每个开采单元采用双侧填充模式进行开采，双侧充填模式是在 留设煤柱MZ的一侧依次布设一个充填工作面和一个不充填工作面， 并在留设的煤柱MZ的另一侧布设另一个不充填工作面；首先在第N 个开采单元n的充填法开采单元区内进行充填工作面回采并充填形 成充填体CTT；然后在第N个开采单元n的全部垮落法开采单元区进 行不充填工作面回采，形成采空区CKQ，n均为正整数且m小于等于 n；相邻两个开采单元采用填充体CTT与采空区CKQ相邻。

实施例3

如图1c所示，本实施例煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合 协调开采方法，将煤矿采区1划分成m个开采单元，m为正整数；在 整个煤矿采区1内，一部分开采单元的煤柱MZ只在一侧有充填体CTT， 另一部分开采单元的煤柱MZ的两侧均有充填体CTT；相邻两个开采 单元采用填充体CTT与采空区CKQ相邻或者采用煤柱MZ与采空区CKQ 相邻。首先在第N个开采单元n的充填法开采单元区内进行充填工作 面回采并充填形成充填体CTT；然后在第N个开采单元n的全部垮落 法开采单元区进行不充填工作面回采，形成采空区CKQ，n均为正整 数且m小于等于n。

实施例4

某矿一采区位于井田东北部，煤系地层为山西组和太原组，煤层 倾角为10°，平均煤厚2.7m，该区地面平坦，标高+46m左右，井下 煤层标高-550～-850m，覆岩整体为中硬岩性，上覆岩层中有一厚约 50m的细砂岩岩层，为覆岩内主要关键层。

图2a-2d为某矿采用“采-充-留”耦合协调开采与全部开采、全 部充填(固体充填)法开采后的地表移动变形曲线比较图。

通过利用本专利申请发明人戴华阳在本专利申请的申请日之前 开发并在本专利申请的申请日之前已经公开发表的“倾斜煤层开采沉 陷预测分析系统”模拟计算，由图2a可以看出，条带开采地表最大 下沉值最小，全采法地表下沉值最大，“采-充-留”耦合协调开采法 的地表最大下沉值与充填开采相差较小，减沉效果基本相同。

由图2b可以看出，各开采方法相比，条带开采的地表倾斜变形 最大值最小，全采法最大，但“采-充-留”耦合协调开采法的倾斜变 形较大值的影响范围较充填和全采法的影响范围小，且倾斜变形值与 充填法差值较小。

由图2c可以看出，条带开采的水平移动的最大值最小，全采法 最大，“采-充-留”耦合协调开采与充填开采水平移动值相差较小。

由图2d可以看出，条带开采的地表水平变形的最大值最小，全 采法最大，“采-充-留”耦合协调开采的水平变形最大值与全部充填 法基本相同，较大值的影响范围较集中。

由附图3a～3e可知，全采法地表建(构)筑物损坏程度可达II 级，条带开采在I级以内，“采-充-留”耦合协调开采以充填开采相 同，损坏程度大部分为I级，个别区域达到II级损坏。

总之，相比与全采法，“采-充-留”耦合协调开采地表的损害程 度大大减轻，地表下沉量明显减小；与条带开采相比，资源回收率大 大提高，计算示例中条带的回采率不到40％，“采-充-留”耦合协调 开采回收率大于70％；与全采全充的充填开采相比，“采-充-留”耦 合协调开采地表的下沉值和移动变形以及对地表建筑物的损坏程度 基本一致，但“采-充-留”耦合协调开采的充填材料需求量大大减少， 充填成本大大降低，工作面回采效率大大提高。由此可见，在地表潜 水位较高、企业难以承受较高投入成本、资源回收率要求高、地表破 坏等级要求较高的矿区，采用煤矿岩层移动控制的“采-充-留”耦合 协调开采方法既可满足井下开采要求，又可减小地表建(构)筑物的 采动损坏。

本发明依据“开采面极不充分+充填体与煤柱联合支撑顶板+顶板 主关键层不破断”的原则，顾及松散层调整吸收关键层破断引起非连 续变形能力的条件下，设计小煤柱、充填工作面和开采工作面的尺寸。

适用于建(构)筑物及水体下，缓倾斜或近水平且直接顶较完整、 覆岩岩性为中硬或坚硬岩层的煤层开采。煤层开采采取留设煤柱双 (单)侧进行充填开采，在充填面的另一侧采用常规开采的方式，依 次进行留设煤柱、充填和常规开采；充填体减小了覆岩下移的空间， 与留设煤柱共同支撑顶底板压力，从而减缓关键层及煤柱中的应力集 中现象；此外，充填体位于煤柱一侧或双侧，对煤柱产生侧向压力， 使煤柱处于两向或三向应力状态，改变了煤柱的围岩状况，提高了煤 柱承载力，使煤柱具有较好的完整性、整体性和稳定性，从而有效减 缓了关键层中的应力集中现象，控制了覆岩的移动和垮落范围，大大 降低了地表的开采损害程度，提高了资源回收率。由于关键层得到有 效支撑，不破断且能够保持长期稳定性，使关键层上覆岩层及松散层 随关键层弯曲动而同步移动，从而起到减缓地表下沉及变形的作用。

另外，在实施例1至实施例3中，也可以采取充填工作面和不充 填工作面合并，同时回采。