一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法

摘要

本发明公开了一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，包括步骤：一、划分采区和工作面，二、确定工作面采煤方法为长壁覆岩协调沉降保水采煤方法：推进长度L形成第一条带，留设一个宽度为D1的充填煤柱，搬家后再推进长度L形成第二条带，再留设一个宽度为D2的支撑煤柱，相邻两个支撑煤柱间的区域为一个协调沉降区，三、确定长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数：301、协调沉降区长度L'的确定，302、条带推进长度L的确定，303、支撑煤柱的宽度D2的确定，304、充填煤柱的宽度D1的确定，四、工作面开采。本发明的采煤方法简单，实现方便，既大大提高了煤炭采出率，又保护了缺水矿区宝贵的水资源，确保了矿区的生态环境不被破坏，实用性强。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种长壁覆岩协调沉降保水 采煤方法。

背景技术

榆神府煤田处于干旱半干旱的毛乌素沙漠与黄土高原接壤地区，水资 源贫乏，土地贫瘠，植被稀疏，生态环境脆弱。自然状态下环境质量呈下 降趋势，煤炭工业的大规模开发更加快了该区这一趋势。煤田中赋存于萨 拉乌苏组的潜水对当地的生态环境起关键作用，而由于煤层埋藏浅，矿井 开采破坏会立即波及基岩面及地表，从而严重破坏潜水，导致水位大幅度 下降，植物枯萎、农作物旱死、荒漠化面积扩展，生态环境进一步恶化。 特别是煤炭资源的大面积连续开采会造成不可恢复的地下水资源破坏。如 神府矿区大柳塔煤矿第一个综合机械化1203采煤工作面，来压时顶板台 阶下沉直通地表，使风积沙下的丰富潜水直泻工作面，最大涌水量达 500m³/h，不仅淹没了工作面，影响了生产，而且导致靠近地表的宝贵水资 源流失殆尽。煤炭开采不仅使许多泉眼流量衰减幅度达72%～95%，甚至完 全干涸，而且引起河道断流。如窟野河是黄河一级支流，也是神木县工农 业生产、生态环境维护的主要水源，由于河水主要靠上游的各泉水补给， 泉水干涸后，窟野河断流也就不可避免。近年来，窟野河出现了连续断流 现象，据神木县水利局资料，自2000年以来每年断流100～200天，这种 情况不遏制，其完全干涸之日将为期不远。

陕北沙漠地区植被的生长条件与地下水位的埋藏深度关系密切。在地 下水埋藏深度小于2.5ｍ～4ｍ时，地表生态处于良性状态。地下水位埋深 增大时，部分植被出现病态，甚至枯萎，尤其是对乔木的影响最大，如大 柳塔镇附近的双沟村，由于煤炭开采引起地下水位下降，造成了大片杨树 死亡。煤炭开采引起的潜水流失，导致地表植物不能生长，引起土地荒漠 化，农田不能耕种，一些原已固定或半固定的沙丘开始复活。因此，煤炭 开采中潜水保护问题解决不好，将殃害千家万户和子孙后代，而决定该区 煤炭资源开发规模的关键，归根到底是生态环境对水土流失和沙漠化的承 载能力，所以保水开采是浅埋煤层开采的必然选择。正如有关专家所指出， 开发煤炭资源如不能对水资源进行有效保护，必将导致榆神府矿区宝贵的 水资源毁灭性的破坏，使其成为第二个“山西”。

某煤矿地处侏罗纪煤田，井田共有四层可采煤层，自上而下依次为2 ^－2、3^－1及5^－1煤层，目前开采2^-2煤层，2^－2煤层属于地表厚松散层浅埋煤 层，松散层下富含潜水，地形地貌特点属黄土丘陵沟壑区，坡陡沟深，地 形复杂，覆盖层厚度35m～115m。该矿在以前采用房柱式采煤方法，房柱 式采煤方法开采技术落后，搬家频繁，煤柱量大，浪费煤炭资源，也无法 获得较高的经济效益。而后又改为普通条带式开采，尽管实现了保水目的， 但煤炭的采出率一直受到限制，资源浪费严重。而附近矿区长壁工作面连 续推进开采实践证明，覆岩破坏会立即波及基岩面及地表，从而严重破坏 潜水，导致水位大幅度下降和井下涌水事故，造成矿区生态环境恶化和水 灾威胁。

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 种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，其采煤方法简单，实现方便，既大大 提高了煤炭采出率，又保护了缺水矿区宝贵的水资源，确保了矿区的生态 环境不被破坏，实用性强，推广应用价值高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种长壁覆岩协调沉 降保水采煤方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、划分采区和工作面：根据井田范围划分采区和工作面，每个 工作面的倾向长度为150m～180m；

步骤二、确定工作面采煤方法：确定工作面采煤方法为长壁覆岩协调 沉降保水采煤方法，其具体开采过程为：推进长度L形成第一条带，留设 一个宽度为D1的充填煤柱，搬家后再推进长度L形成第二条带，再留设一 个宽度为D2的支撑煤柱，相邻两个支撑煤柱间的区域为一个协调沉降区， 后一协调沉降区开采过程中，前一协调沉降区中的充填煤柱逐渐失稳；

步骤三、确定长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数，其具体过 程如下：

步骤301、协调沉降区长度L'的确定：根据公式L'≥l_j确定协调沉降区 长度L'，其中，l_j为协调沉降区上方隔水层的极限跨距且l_j=2Eh²/400q，E为 协调沉降区上方隔水层的弹性模量，h为协调沉降区上方隔水层的厚度，q 为协调沉降区上方隔水层的线载荷；

步骤302、条带推进长度L的确定：根据公式$\left(\begin{array}{c}L=\phi ·h_z\sqrt{\frac{2{\sigma }_z}{q_z}}\\ L>4\psi h_z\end{array}\right)$确定条带 推进长度L，其中，φ为协调沉降区上方岩层形成的组合关键层的组合效 应系数，h_z为协调沉降区上方岩层形成的组合关键层的厚度，σ_z为协调沉 降区上方岩层形成的组合关键层的抗拉强度，q_z为协调沉降区上方岩层形 成的组合关键层的面载荷，ψ为影响系数；

步骤303、支撑煤柱的宽度D2的确定：根据公式D2≥W确定支撑煤柱 的宽度D2，其中，W为能够保持永久稳定的稳定煤柱的宽度且r 为能够保持永久稳定的稳定煤柱的核区率且r=0.65，R_w为能够保持永久稳 定的稳定煤柱的屈服区宽度且H为能够保 持永久稳定的稳定煤柱的高度，θ为扰动因子；为煤层与顶底板接触面 的摩擦角，C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，σ_j为能够保持永久稳定的 稳定煤柱的极限强度，P_c为煤壁的侧向约束力，ε为屈服区与核区界面处 的侧压系数；

步骤304、充填煤柱的宽度D1的确定：根据公式确定充填煤 柱的宽度D1；其中，r_S为后一协调沉降区开采过程中前一协调沉降区中充 填煤柱失稳定的核区率且r_S=0.3；

步骤四、工作面开采：根据步骤三中确定的开采参数并根据步骤二中 确定的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法依次对工作面内的各个协调沉降 区进行开采。

上述的一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，其特征在于：步骤302 中所述条带推进长度L为40m～60m。

上述的一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，其特征在于：步骤303 中所述支撑煤柱的宽度D2为12m～16m。

上述的一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，其特征在于：步骤304 中所述充填煤柱的宽度D1为6m～8m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的采煤方法简单，设计合理，实现方便。

2、本发明充填煤柱的尺寸设计合适，在长壁工作面开采过后破坏并 充填于采空区内，煤柱的逐渐失稳使采空区上覆岩层协调运动破坏，避免 了由于长壁工作面连续推进而出现的全厚度垮落使导水裂隙贯通隔水层； 同时，由于采空区上覆岩层垮落减消了支撑煤柱上的压力，保证了支撑煤 柱的稳定，使老顶岩层的破坏形式演变成以支撑煤柱、采空区、支撑煤柱 为支撑点的“交接”结构，保证了隔水层的稳定，并限制了采空区大面积 范围内的破坏和运动，不再出现切落式的而波及含水层，能够将采用房柱 式开采方法20％的采出率和一般条带式开采方法40％的采出率提高到70 ％左右，既大大提高了煤炭采出率，又保护了缺水矿区宝贵的水资源，确 保了矿区的生态环境不被破坏。

3、本发明能够避免发生覆岩全厚度整体切落而导致潜水渗漏、保护 了缺水矿区宝贵的水资源，确保了矿区的生态环境不被破坏，实用性强， 推广应用价值高。

综上所述，本发明的采煤方法简单，实现方便，既大大提高了煤炭采 出率，又保护了缺水矿区宝贵的水资源，确保了矿区的生态环境不被破坏， 实用性强，推广应用价值高。

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为本发明的方法流程框图。

图2为本发明长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采状态示意图。

附图标记说明:

1—第一条带；  2—充填煤柱；      3—第二条带；

4—支撑煤柱；  5—协调沉降区。

具体实施方式

如图1所示的一种长壁覆岩协调沉降保水采煤方法，包括以下步骤：

步骤一、划分采区和工作面：根据井田范围划分采区和工作面，每个 工作面的倾向长度为150m～180m；

步骤二、确定工作面采煤方法：确定工作面采煤方法为长壁覆岩协调 沉降保水采煤方法，其具体开采过程为：推进长度L形成第一条带1，留 设一个宽度为D1的充填煤柱2，搬家后再推进长度L形成第二条带3，再 留设一个宽度为D2的支撑煤柱4，相邻两个支撑煤柱4间的区域为一个协 调沉降区5，后一协调沉降区5开采过程中，前一协调沉降区5中的充填 煤柱2逐渐失稳；开采状态如图2所示；

步骤三、确定长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数，其具体过 程如下：

步骤301、协调沉降区5长度L'的确定：根据公式L'≥l_j确定协调沉降 区5长度L'，其中，l_j为协调沉降区5上方隔水层的极限跨距且 l_j=2Eh_t²/400q，E为协调沉降区5上方隔水层的弹性模量，h_t为协调沉降 区5上方隔水层的厚度，q为协调沉降区5上方隔水层的线载荷；

步骤302、条带推进长度L的确定：根据公式$\left(\begin{array}{c}L=\phi ·h_z\sqrt{\frac{2{\sigma }_z}{q_z}}\\ L>4\psi h_z\end{array}\right)$确定条带 推进长度L，其中，φ为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的组合 效应系数，h_z为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的厚度，σ_z为协 调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的抗拉强度，q_z为协调沉降区5上 方岩层形成的组合关键层的面载荷，ψ为影响系数；具体地，所述条带推 进长度L为40m～60m，小于长壁工作面连续推进时老顶初次来压破断距， 保证了第二条带3开采时第一条带1内老顶不破断，改变了由于长壁工作 面连续推进老顶初次破断形成的覆岩全厚切落破坏，避免裂隙贯通隔水层 而导致潜水渗漏发生覆岩整体垮落的距离，以实现后一协调沉降区5开采 过程中，前一协调沉降区5中的充填煤柱2逐渐失稳，位于充填煤柱2两 侧的开采顶板因充填煤柱2失稳失去支撑而缓慢下沉破断；

步骤303、支撑煤柱4的宽度D2的确定：根据公式D2≥W确定支撑煤 柱4的宽度D2，其中，W为能够保持永久稳定的稳定煤柱的宽度且 r为能够保持永久稳定的稳定煤柱的核区率且r=0.65，R_w为能够 保持永久稳定的稳定煤柱的屈服区宽度且H为能够保持永久稳定的稳定煤柱的高度，θ为扰动因子；为煤层与顶 底板接触面的摩擦角，C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，σ_j为能够保持 永久稳定的稳定煤柱的极限强度，P_c为煤壁的侧向约束力，ε为屈服区与 核区界面处的侧压系数；具体地，所述支撑煤柱4的宽度D2为12m～16m；

步骤304、充填煤柱2的宽度D1的确定：根据公式确定充填 煤柱2的宽度D1；其中，r_S为后一协调沉降区5开采过程中前一协调沉降 区5中充填煤柱2失稳定的核区率且r_S=0.3；具体地，所述充填煤柱2的 宽度D1为6m～8m；当煤层强度较大时，所述充填煤柱2的宽度D1可以取 为6m，合理的充填煤柱2宽度，使得所述充填煤柱2在开采时能够支撑住 开采带顶板、该开采带采完后能逐渐失稳从而使位于充填煤柱2两侧的开 采顶板因充填煤柱2失稳失去支撑而缓慢下沉破断。

步骤四、工作面开采：根据步骤三中确定的开采参数并根据步骤二中 确定的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法依次对工作面内的各个协调沉降 区5进行开采。

实施例1

本实施例中，所开采的煤层为神府矿区杨伙煤矿1011工作面2-2煤 层，煤层平均倾角为1.5°，煤层平均厚度为2.0m，松散层平均厚度为35m， 隔水层的厚度为15m，属较强隔水层。在工作面上覆岩层中，第4号岩层 和第8号岩层形成组合关键层，共同承担其上松散层载荷，煤层上组合关 键层的厚度为12.8m。对该煤层进行长壁覆岩协调垮落保水采煤开采时， 其开采过程如下：

步骤一、划分采区和工作面：根据井田范围划分采区和工作面；

本实施例中，井田倾向宽1200m，井田走向长6000m，将井田划分为4 个采区，每个采区倾向宽600m，每个采区走向长3000m；每个采区划分4 工作面，每个工作面的倾向长度为150m，每个工作面的走向长为600m；

步骤二、确定工作面采煤方法：确定工作面采煤方法为长壁覆岩协调 沉降保水采煤方法，其具体开采过程为：推进长度L形成第一条带1，留 设一个宽度为D1的充填煤柱2，搬家后再推进长度L形成第二条带3，再 留设一个宽度为D2的支撑煤柱4，相邻两个支撑煤柱4间的区域为一个协 调沉降区5，后一协调沉降区5开采过程中，前一协调沉降区5中的充填 煤柱2逐渐失稳；

步骤三、确定长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数，其具体过 程如下：

步骤301、协调沉降区5长度L'的确定：根据公式L'≥l_j确定协调沉降 区5长度L'，其中，l_j为协调沉降区5上方隔水层的极限跨距且 l_j=2Eh_t²/400q，E为协调沉降区5上方隔水层的弹性模量，h_t为协调沉降 区5上方隔水层的厚度，q为协调沉降区5上方隔水层的线载荷；

本实施例中，E=0.538×10²MPa，h_t=15m，q=0.7MNm^-1，根据公式 l_j=2Eh_t²/400q计算得到l_j=86m，因此L'≥86m，协调沉降区5长度L'确定为 86m；

步骤302、条带推进长度L的确定：根据公式$\left(\begin{array}{c}L=\phi ·h_z\sqrt{\frac{2{\sigma }_z}{q_z}}\\ L>4\psi h_z\end{array}\right)$确定条带 推进长度L，其中，φ为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的组合 效应系数，h_z为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的厚度，σ_z为协 调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的抗拉强度，q_z为协调沉降区5上 方岩层形成的组合关键层的面载荷，ψ为影响系数；

本实施例中，φ=0.8，h_z=12.8m，σ_z=9.9MPa，q_z=1.3MNm^-2，ψ=0.6， 根据公式计算得到L=40m，根据公式L>4ψh_z计算得到 L>30.72m，因此，条带推进长度L确定为40m；

步骤303、支撑煤柱4的宽度D2的确定：根据公式D2≥W确定支撑煤 柱4的宽度D2，其中，W为能够保持永久稳定的稳定煤柱的宽度且 r为能够保持永久稳定的稳定煤柱的核区率且r=0.65，R_w为能够 保持永久稳定的稳定煤柱的屈服区宽度且H为能够保持永久稳定的稳定煤柱的高度，θ为扰动因子；为煤层与顶 底板接触面的摩擦角，C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，σ_j为能够保持 永久稳定的稳定煤柱的极限强度，P_c为煤壁的侧向约束力，ε为屈服区与 核区界面处的侧压系数；

本实施例中，H=2.0m，θ=2，C=3MPa，σ_j=15.7MPa，P_c=0， ε=0.2，根据公式计算得到R_w=2.1m，根据公 式计算得到W=12m，因此，支撑煤柱4的宽度D2确定为12m；

步骤304、充填煤柱2的宽度D1的确定：根据公式确定充填 煤柱2的宽度D1；其中，r_S为后一协调沉降区5开采过程中前一协调沉降 区5中充填煤柱2失稳定的核区率且r_S=0.3；

本实施例中，根据公式计算得到D1=6m，因此充填煤柱2的 宽度D1确定为6m；

步骤四、工作面开采：根据步骤三中确定的开采参数并根据步骤二中 确定的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法依次对工作面内的各个协调沉降 区5进行开采。开采过程中，进行了潜水水位监测，监测结果证明所确定 的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数合理，松散层潜水未遭到破 坏，达到了既提高采区采出率，又保水采煤的目的。

实施例2

本实施例中，所开采的煤层为神府矿区兰梁煤矿2012工作面2^-2煤层， 煤层平均倾角为1.0°，煤层平均厚度为2.67m，松散层平均厚度为50m， 隔水层的厚度为20m；在工作面上覆岩层中，第3号岩层和第7号岩层形 成组合关键层，共同承担其上松散层载荷，煤层上组合关键层的厚度为 20m。对该煤层进行长壁覆岩协调垮落保水采煤开采时，其开采过程如下：

步骤一、划分采区和工作面：根据井田范围划分采区和工作面；

本实施例中，井田倾向宽1440m，井田走向长6000m，将井田划分为4 个采区，每个采区倾向宽720m，每个采区走向长3000m；每个采区划分4 工作面，每个工作面的倾向长度为180m，每个工作面的走向长为600m；

步骤二、确定工作面采煤方法：确定工作面采煤方法为长壁覆岩协调 沉降保水采煤方法，其具体开采过程为：推进长度L形成第一条带1，留 设一个宽度为D1的充填煤柱2，搬家后再推进长度L形成第二条带3，再 留设一个宽度为D2的支撑煤柱4，相邻两个支撑煤柱4间的区域为一个协 调沉降区5，后一协调沉降区5开采过程中，前一协调沉降区5中的充填 煤柱2逐渐失稳；

步骤三、确定长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数，其具体过 程如下：

步骤301、协调沉降区5长度L'的确定：根据公式L'≥l_j确定协调沉降 区5长度L'，其中，l_j为协调沉降区5上方隔水层的极限跨距且 l_j=2Eh_t²/400q，E为协调沉降区5上方隔水层的弹性模量，h_t为协调沉降 区5上方隔水层的厚度，q为协调沉降区5上方隔水层的线载荷；

本实施例中，E=0.64×10²MPa，h_t=20m，q=1.0MNm^-1，根据公式 l_j=2Eh_t²/400q计算得到l_j=128m，因此L'≥128m，协调沉降区5长度L'确定 为128m；

步骤302、条带推进长度L的确定：根据公式$\left(\begin{array}{c}L=\phi ·h_z\sqrt{\frac{2{\sigma }_z}{q_z}}\\ L>4\psi h_z\end{array}\right)$确定条带 推进长度L，其中，φ为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的组合 效应系数，h_z为协调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的厚度，σ_z为协 调沉降区5上方岩层形成的组合关键层的抗拉强度，q_z为协调沉降区5上 方岩层形成的组合关键层的面载荷，ψ为影响系数；

本实施例中，φ=0.75，h_z=20m，σ_z=12MPa，q_z=1.5MNm^-2，ψ=0.6，根 据公式计算得到L=60m，根据公式L>4ψh_z计算得到L>48m，因 此，条带推进长度L确定为60m；

步骤303、支撑煤柱4的宽度D2的确定：根据公式D2≥W确定支撑煤 柱4的宽度D2，其中，W为能够保持永久稳定的稳定煤柱的宽度且 r为能够保持永久稳定的稳定煤柱的核区率且r=0.65，R_w为能够 保持永久稳定的稳定煤柱的屈服区宽度且H为能够保持永久稳定的稳定煤柱的高度，θ为扰动因子；为煤层与顶 底板接触面的摩擦角，C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，σ_j为能够保持 永久稳定的稳定煤柱的极限强度，P_c为煤壁的侧向约束力，ε为屈服区与 核区界面处的侧压系数；

本实施例中，H=2.67m，θ=2，C=3MPa，σ_j=15.7MPa，P_c=0， ε=0.2，根据公式计算得到R_w=2.8m，根据公 式计算得到W=16m，因此，支撑煤柱4的宽度D2确定为16m；

步骤304、充填煤柱2的宽度D1的确定：根据公式确定充填 煤柱2的宽度D1；其中，r_S为后一协调沉降区5开采过程中前一协调沉降 区5中充填煤柱2失稳定的核区率且r_S=0.3；

本实施例中，根据公式计算得到D1=8m，因此充填煤柱2的 宽度D1确定为8m；

步骤四、工作面开采：根据步骤三中确定的开采参数并根据步骤二中 确定的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法依次对工作面内的各个协调沉降 区5进行开采。开采过程中，进行了潜水水位监测，监测结果证明所确定 的长壁覆岩协调沉降保水采煤方法的开采参数合理，松散层潜水未遭到破 坏，达到了既提高采区采出率，又保水采煤的目的。

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。