一种水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法

摘要

一种水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法，包括如下步骤：（1）根据地质采矿资料和水库坝体的位置，确定井下各工作面的位置，然后采用概率积分法预计各开采工作面开采以后的地表移动变形值；（2）确定水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采的井下开采方案：1）确定各开采工作面推进方向与坝体长轴方向一致；2）合理确定开采工作面的开采宽度；3）合理确定各开采工作面的位置和开采边界；4）采用跳采方式确定各开采工作面的开采顺序和时间；5）合理确定各开采工作面的推进速度。本发明合理确定工作面推进方向、开采尺寸、工作面位置、工作面开采顺序与时间和工作面推进速度，实现水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采，确保采煤及坝体的安全。

说明书

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，特别涉及一种水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法。

背景技术

水库坝体下煤炭开采研究属于“三下”采煤的研究领域。在水体下采煤的历史大约有100年了，各产煤国家在海下、河流下、湖泊下、含水的松散层（流砂层、砾石层）下、含水的岩层（灰岩、砂岩）下、人工修建的蓄水工业建筑物下、充水的巷道与采场下进行了大量的试验开采工作。迄今为止，海外有英国、日本、加拿大、智利和澳大利亚五国进行了海下采煤，都取得了成功。在国内，龙口矿区已经成为我国第一个海底下采煤的矿区，也是世界上第六个海底下采煤的矿区。

建（构）筑物下采煤有多种开采技术措施，协调开采方法是其中的方法之一。协调开采方法的原理是：根据开采引起的地表移动变形分布规律，通过合理的开采布局，调整开采工作面的布置方式等方法减缓开采地表变形值，即通过合理布置工作面开采边界及开采顺序，实现不同工作面间形成的拉伸区与压缩区相抵消或有一定的抵消，保护地面建（构）筑物；或通过两个或多个工作面的配合，使被保护对象处于下沉盆地的中间区或压缩变形区，只承受动态变形以及最终的均匀下沉，不承受最终的拉伸变形，可以有效减少地表变形对地表建（构）筑物的损害。一般情况下，通过调整工作面不同的开采边界或多个工作面或多煤层联合开采，只能使煤层之间或各分层的开采工作面开采引起的地表移动变形互相抵消一部分，使地表建（构）筑物承受的变形减小而不能消除。该方法可减少地表变形，但不能减少地表下沉。

国内外常见的协调开采方法主要有如下几种：

（1）减小开采边界影响的叠加

利用上、下矿层(或分层)工作面间的距离差异，以减小开采引起的地表移动变形(见附图3)。该法可用于两个方面：（a）减小动态移动变形的影响；（b）减小工作面边界部位的变形量

（2）多工作面协调开采

如附图4所示，采用一个大的工作面或几个工作面同时开采，使建筑物位于移动盆地的平底部位，使建筑物只受动态变形的影响，从而保护建筑物。同时，考虑开采过程中地表移动变形的动态影响，故将开采工作面按一定方式布置，减小开采动态变形影响。

（3）对称开采方法

在建（构）筑物下开采时，如果建筑物抵抗压缩变形的能力较大，而对倾斜和拉伸变形又十分敏感，则可以采用对称背向开采的方法（见附图5）。例如：在受保护建筑物正下方布置两个背向开采的工作面。在这种情况下，建筑物一开始就处于下沉盆地中央的压缩变形区内，不承受拉伸变形，不产生倾斜。这种方法一般只是在回采十分重要的单个的建筑物煤柱时才采用。

但是，在水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采的方法，使坝体承受压缩变形而不出现拉伸变形，特别是使坝体不出现横向的拉伸变形裂缝，确保坝体的安全运行，在国内、外尚未出现类似的文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法，以保证坝体始终处于压缩状态，而不出现拉伸变形和裂缝，确保坝体的安全稳定及煤矿的安全生产。

本发明技术方案为：一种水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法，包括如下步骤：（1）根据地质采矿资料和水库坝体的位置，确定各工作面的位置，然后采用概率积分法预计各开采工作面开采以后的地表移动变形值；（2）根据上述各开采工作面开采以后的地表移动变形值结果，进一步图调整优化水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采的井下开采方案，以使开采以后各开采工作面坝体不出现拉伸变形和裂缝，具体步骤包括：1）确定各开采工作面推进方向与坝体长轴方向一致，即坝体长轴方向平行于开采工作面推进方向或开采边界；2）调整开采工作面的开采尺寸，合理确定开采工作面的开采宽度，根据条带开采设计的要求，同时考虑井下的开采效率，确定各开采工作面的开采宽度为开采深度的1/4~1/5；3）合理确定各开采工作面的位置和开采边界，使开采以后，在坝体附近引起的地表变形为压缩变形而非拉伸变形；4）采用跳采方式确定各开采工作面的开采顺序，使每个开采工作面开采以后坝体均不受拉伸变形；5）合理确定各开采工作面的推进速度，开采工作面的推进速度为2.4~3.0m/d。

所述开采工作面的推进为匀速推进，且推进速度为2.6m/d。

所述开采工作面的开采宽度为开采深度的1/4.2。

所述跳采方式具体为：将水库坝体煤柱的五个开采工作面自上而下依次命名为第一工作面、第二工作面、第三工作面、第四工作面和第五工作面，按照第二工作面→第四工作面→第一工作面→第五工作面→第三工作面的顺序依次开采。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法包括如下步骤：（1）根据地质采矿资料和水库、坝体的位置，首先确定井下各工作面的位置，然后采用概率积分法预计各开采工作面开采以后的地表移动变形值；（2）根据上述各开采工作面开采以后的地表移动变形值结果，进一步优化水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采的井下开采方案，以使开采后各开采工作面坝体不出现拉伸变形和裂缝，具体步骤包括：1）合理确定工作面推进方向，使各开采工作面推进方向与坝体长轴方向一致，坝体长轴方向仅受到开采工作面开采动态变形的影响，开采对坝体影响较小，可以使坝体处于有利位置，保证坝体不出现横向裂缝。2）调整开采工作面的开采尺寸，合理确定开采工作面的开采宽度，使单个开采工作面开采引起的地表沉陷沿倾斜方向为非充分采动或极不充分采动，尽量减小倾斜方向的采动程度系数，这样可以减轻单个开采工作面采动对坝体的影响程度。工作面长度相对较小对围岩的破坏小，特别是对上覆岩层破坏小，“两带”高度发育低，有利于水体下采煤的安全。3）合理确定各开采工作面的位置和开采边界，在设计布置开采工作面时，通过调整开采工作面的布置方式，尽可能的使开采工作面开采后，在坝体附近引起的地表变形为压缩变形而非拉伸变形，坝体受到压缩变形不会出现地表裂缝和坝体裂缝，受到压缩的坝体的抗渗透性会增强。4）合理确定各工作面的开采顺序和时间，采用跳采方式确定各开采工作面的开采顺序，通过调整开采工作面的开采顺序，实现不同开采工作面间形成的拉伸区与压缩区相抵消或有一定的抵消，尽量减小坝体最终承受的拉伸变形。同时，由于单个开采工作面开采引起的地表沉陷为非充分采动，通过采用跳采（类似于大采宽条带开采）的方式，可以减轻采动对坝体的影响。由于各开采工作面的开采时间不同，使得每一个开采工作面开采后引起的坝体变形分散而不相互叠加，地表及坝体移动变形的剧烈程度大大减小，有利于减小坝体附近的地表变形值。5）合理确定各开采工作面的推进速度，开采工作面的推进速度为2. 4~3.0m/d，以确保坝体安全。

2、开采工作面在开采过程中保持2. 6m/d匀速推进，实现连续生产、减小坝体受动态变形的影响。

3、将水库坝体煤柱的五个开采工作面自上而下依次命名为第一工作面、第二工作面、第三工作面、第四工作面和第五工作面，按照第二工作面→第四工作面→第一工作面→第五工作面→第三工作面的顺序依次开采，由于各开采工作面的开采时间不同，使得每一个开采工作面开采后引起的坝体变形分散而不相互叠加，地表及坝体移动变形的剧烈程度大大减小，有利于减小坝体附近的地表变形值。

4、本发明对煤矿水库坝体下安全高效采煤、提高煤炭资源回收率、延长矿井服务年限、保护水库坝体等地表建（构）筑物等具有重要的现实意义，可为类似矿区水库坝体下采煤提供参考，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明开采工作面分布示意图；

图2为图1中第二工作面的剖面图；

图3为两个矿层或分层协调开采的示意图；

图4为多工作面错距协调开采的示意图；

图5为双工作面背向协调开采的示意图；

图6为五因素协调开采模型示意图。

具体实施方式

如附图6所示，本发明将工作面推进方向、开采尺寸、工作面位置、工作面开采顺序与时间以及工作面推进速度五因素有机结合，提出 “五因素”协调开采模型。

如图1和图2所示的水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采方法，其包括如下步骤：（1）根据地质采矿资料和水库6、坝体7的位置，确定工作面的位置和开采边界，然后采用概率积分法预计各开采工作面开采以后的地表移动变形值；（2）根据上述各开采工作面开采以后的地表移动变形值结果，进一步调整确定水库6、坝体7下厚煤层放顶煤协调开采的井下开采方案，以使开采后各开采工作面坝体7不出现拉伸变形和裂缝，具体步骤包括：

1）确定各开采工作面推进方向与坝体7的长轴方向一致

由于坝体7长度较大，约为113m，如果开采工作面的推进方向与坝体7长轴垂直或斜交，会造成坝体7横跨开采工作面上方，在开采工作面边界处的上方附近引起较大的拉伸变形，造成在坝体7上部形成横向裂缝。因此，确定各开采工作面的推进方向与坝体7长轴方向基本一致，坝体7长轴方向平行于开采工作面的推进方向，坝体7长轴方向仅受到开采工作面开采动态变形的影响，开采对坝体7影响较小。因此，坝体7长轴方向与开采工作面或开采边界平行，可以确保坝体7处于有利位置，这样可保证坝体7不出现横向裂缝。

2）调整开采工作面的开采尺寸，合理确定开采工作面的开采宽度

根据条带开采设计的要求，同时考虑井下的开采效率，确定工作面的开采宽度为开采深度的1/4~1/5，根据煤层埋藏深度不同，各开采工作面的开采宽度确定为80~100m，即相当于开采深度H 的1/4.2，这样各工作面开采对围岩的破坏小，对上覆岩层破坏小，“两带”高度发育低，提高了水体下采煤的安全系数。通过合理确定开采工作面的开采宽度，使单个开采工作面开采引起的地表沉陷沿倾斜方向为非充分采动或极不充分采动，尽量减小倾斜方向的采动程度系数，这样可以减轻单个开采工作面采动对坝体7的影响程度。

3）合理确定各开采工作面的位置和开采边界

在设计布置开采工作面时，通过调整开采工作面的布置方式，尽可能的使开采工作面开采后，在坝体7附近引起的地表变形为压缩变形而非拉伸变形，坝体7受到压缩变形不会出现地表裂缝和坝体7裂缝，受到压缩的坝体7的渗透性会增强。例如：根据坝体7的位置，按照附近的煤层埋藏深度、煤层倾角、最大下沉角可以确定首采工作面的位置。坝体7附近的煤层埋藏深度H平均为370m、煤层倾角α为12°、最大下沉角θ为84.2°，最大压缩变形区向下山方向偏移d为38m，这样即可按照坝体的位置确定工作面的中心，进而由工作面的开采宽度确定工作面的位置，使坝体为工作面采后的最大压缩变形区。对于由黄土和料石堆积的坝体来说，也有利于坝体的稳定性。

4）合理确定各工作面的开采顺序和时间，采用跳采方式确定各工作面的开采顺序。

通过调整开采工作面的开采顺序，实现不同开采工作面间形成的拉伸区与压缩区相抵消或有一定的抵消，尽量减小坝体7最终承受的拉伸变形。同时，由于单个开采工作面开采引起的地表沉陷为非充分采动，通过采用跳采（类似于大采宽条带开采）的方式，可以减轻采动对坝体7的影响。例如：将水库坝体煤柱的五个开采工作面自上而下依次命名为第一工作面1、第二工作面2、第三工作面3、第四工作面4和第五工作面5，应该按照第二工作面2→第四工作面4→第一工作面1→第五工作面5→第三工作面3的顺序依次开采。由于各开采工作面的开采时间不同，使得每一个开采工作面开采后引起的坝体7变形分散而不相互叠加，地表及坝体7移动变形的剧烈程度大大减小，有利于减小坝体7附近的地表变形值。

根据地表移动变形分布规律，首先开采第二工作面2，在坝体7处引起的变形为压缩变形，这样坝体7在第一次采动影响期间承受的变形值为压缩变形，坝体不会出现裂缝，只承受动态移动变形的影响。首采工作面的宽度为开采深度H的1/4.2，为非充分采动。

为减轻对坝体7的采动影响，跳过第三工作面3，开采第四工作面4，这样布置类似于大采宽条带开采，地表移动变形量大幅度减小，同时第二工作面2开采在坝体7处形成的压缩变形与第四工作面4形成的拉伸变形得到部分抵消。

而后，开采第一工作面1，由于距离坝体7相对较远，同时第二工作面2开采引起的地表移动也已经基本结束，因此该工作面对坝体7的影响较小。

然后，开采第五工作面5，由于第五工作面5的开采宽度较小，且距离坝体7也相对较远，同时，第四工作面4开采引起的地表移动也已经基本结束，对坝体7的影响也较小。

最后，开采第三工作面3，由于开采工作面宽度较小，两边的开采工作面开采引起的地表移动均基本稳定，该开采工作面开采以后坝体7处下沉值增大，但由于为非充分采动，对坝体7的影响很小。

5）合理确定各开采工作面的推进速度，开采工作面的推进速度为2.4~3.0m/d。

由于地表最大下沉速度与开采工作面的推进速度成正比，因此，在开采过程中要确定适当的开采工作面推进速度，以确保坝体7的安全。如果开采工作面推速度过慢，容易使开采工作面前方出现边界效应，不利于坝体7的保护；如果开采工作面推进速度过快，容易加剧坝体7的变形速度，也不利于坝体7的保护。根据地质采矿条件计算，确定开采工作面的推进速度保持在2.4~3.0m/d之间。为了保持稳定的开采推进速度实现连续生产、减小坝体7受动态变形的影响，应尽量保持匀速推进，匀速推进速度优选2.6m/d。

本发明结合采区的实际情况以及坝体7的位置，以坝体7受采动损害最小为原则，对水库6及坝体7下压煤放顶煤协调开采进行了优化设计。

本发明取得了巨大的经济效益和社会效益，并确保了水库坝体下厚煤层放顶煤安全高效开采，实现了水库坝体的安全运行，为水库坝体下采煤积累了宝贵经验。