短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法

摘要

本发明公开了一种短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法，所述开采参数包括最大采高Mmax、采高m、隔离保护煤柱宽度l。首先在上覆岩层中确定隔水层，给定回采区域保护层厚度h

说明书

技术领域

本发明涉及一种水体下边角煤回收方法，尤其是一种短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法。

背景技术

短壁开采技术是一种绿色开采技术，主要是用于开采不适合长壁开采的煤层及“三下”压煤。煤矿开采过程中短壁开采仅采出煤层的部分煤炭，保留的煤炭以隔离保护煤柱形式支撑上覆岩层，从而减少覆岩下沉，控制地表沉陷和变形，实现对工作面安全保护的目的，提高了煤炭开采的回收率。因此，展开水体下边角煤回收理论研究，具有广泛的应用价值。

在水体下短壁开采的方法中，留设合理的隔离保护煤柱尺寸是影响煤炭开采安全的重要因素。不同覆岩结构条件下，隔离保护煤柱的受力状态、空间系统结构、力学性质均会发生极大的甚至本质的变化，因此确定不同条件下合理隔离保护煤柱的尺寸，对水体的保护起到至关重要的作用。合理的隔离保护煤柱尺寸设计，能够有效控制覆岩导水裂隙带高度，实现水体下边角煤资源回收。根据不同的地质条件，确定合理的保护层厚度和最大导水裂隙带高度，并反演计算得到合理采高，同时通过隔离保护煤柱尺寸与导水裂隙带高度、采高的相关数学关系，最终可以确定合理的隔离保护煤柱尺寸，从而保证开采过程的安全。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术已存在的问题，提供一种短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法。采用本方法，可以合理设计短壁开采工作面的采高、隔离保护煤柱宽度，进而控制导水裂隙带高度，保证开采过程安全可靠。

本发明提出的一种短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法，所述开采参数包括最大采高M_max、采高m、隔离保护煤柱宽度l，其步骤如下：

步骤1.根据边角煤上覆岩层岩性资料，在上覆岩层中确定隔水层，给定回采区域保护层厚度h_b。保护层厚度h_b是指开采导水裂隙带顶部距上覆岩层中最上方的隔水层顶部的距离。

步骤2.根据边角煤上覆岩层岩性资料，确定煤层顶面距隔水层顶部的距离H，计算导水裂隙带最大高度h_max：

h_max＝H－h_b。

步骤3.选取《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的导水裂隙带高度经验公式，并结合保护层厚度和最大导水裂隙带高度反演求出工作面最大采高M_max：

根据覆岩岩性的不同，上覆岩层可根据《规程》中的分类方法分为坚硬、中硬、软弱和极软弱四类，即当覆岩的单向抗压强度为40～80MPa时，为坚硬覆岩；当覆岩的单向抗压强度为20～40MPa时，为中硬覆岩；当覆岩的单向抗压强度为10～20MPa时，为软弱覆岩；当覆岩的单向抗压强度小于10MPa时，为极软弱覆岩。而覆岩岩性不同，选取求出工作面最大采高M_max的的经验公式也不同，根据《规程》中经验公式，当覆岩岩性为坚硬时，选取h_max＝30×M_max^1/2+10或求出最大采高；当覆岩岩性为中硬时，选取h_max＝20×M_max^1/2+10或求出最大采高；当覆岩岩性为软弱时，选取h_max＝10×M_max^1/2+5或求出最大采高；当覆岩岩性为极软弱时，选取求出最大采高。对于上述每种情况下的两个结果，选取较小的Mmax，选取较小的采高来保证水体下回收边角煤的安全性。

即：h_max＝30×M_max^1/2+10或当覆岩的单向抗压强度为40～80MPa时；

h_max＝20×M_max^1/2+10或当覆岩的单向抗压强度为20～40MPa时；

h_max＝10×M_max^1/2+5或当覆岩的单向抗压强度为10～20MPa时；

当覆岩的单向抗压强度小于10MPa时；

步骤4.基于连续采煤机短壁开采的工艺要求及适应条件，确定适应短壁开采的采高m，并与导水裂隙带高度预测公式计算结果M_max进行分析比较：

当M_max小于2米时取消回收，m＝0；

当M_max大于2米且小于5米时，m＝M_max；

当M_max大于5米时，m＝5米。

步骤5.建立导水裂隙带高度h_max、采高m和隔离保护煤柱宽度l关系数学模型：

h_max＝a×m－b×l+k

其中a、b、k为矿井的采矿系数，根据边角煤上覆岩层岩性资料，采用FLAC^3D数值模拟软件，得到不同采高和隔离保护煤柱宽度与导水裂隙带高度的关系，把以上数据经多元线性回归，得到a、b、k的值。

步骤6.根据公式h_max＝a×m－b×l+k，计算出隔离保护煤柱的宽度l。

进一步地，在边角煤回收过程中，使用钻孔冲洗液漏失量观测法和钻孔岩层电视探测法测量导水裂隙带高度；根据覆岩导水裂隙带高度的探测结果，及时反馈并及时调整隔离保护煤柱的宽度。

本发明方法，在具体矿区水体下短壁回收边角煤过程中，通过设计合理的短壁开采工作面的采高、隔离保护煤柱宽度，进而控制导水裂隙带高度。采用上述方法既极大的提高了煤炭的回收率，也增加了工作面安全生产以及水体保护可靠性，其方法简单，成本低，易操作，准确性高，水资源保护效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法流程图

图2为本发明短壁工作面布置剖面图。

图3为本发明短壁工作面布置平面图。

附图标记说明

l—隔离保护煤柱宽度；W—采宽；

1—辅助运输巷；2—运输巷；3—联络巷；4—支巷；5—采硐；6—采硐间保护煤柱；7—隔离保护煤柱；8—采空区。

具体实施方式

下面结合某矿应用实例，对本发明方法作进一步的描述：

a.收集该矿的边角煤区域工程地质条件信息，并进行煤岩体取样，通过岩石力学实验，得到该矿各煤岩层的物理力学参数，具体见表1

表1

b.根据表1中覆岩结构和岩性特征，可以确定红土层为隔水层，并且基于连续采煤机短壁开采的工艺要求，采高m应小于5米，因此按照规程规范给定回采区域保护层厚度为h_b＝20米，煤层顶面距隔水层的距离H＝(10+18+11.5+18.5+12.5+15+4.5)＝90米，即允许的导水裂隙带最大高度h_max＝90－20＝70米。

c.根据上覆岩层岩性特征，选取《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算导水裂隙带高度经验公式为：

或

式中：h_max－导水裂隙带高度，单位米；M_max－最大采高，单位米。

结合最大导水裂隙带高度h_max＝70米，反演推算出工作面最大采高M_max为4米或4.58米，为保证工作面开采安全性，选取较小的M_max＝4米为最大采高。

d.基于连续采煤机短壁开采的工艺要求及适应条件，选取采高m为4米。

e.根据现场实际地质情况，并采用FLAC^3D数值模拟软件，得到不同采高和隔离保护煤柱宽度与导水裂隙带高度的关系，然后根据数值模拟结果，采用MATLAB软件对各主控因素与导水裂隙带高度的关系进行多元线性回归分析，得到导水裂隙带高度的预测公式为h_max＝9.1m－0.36l+38。其相关数学统计学参数见表2，其中R代表相关性系数，R²代表决定性系数。

表2

f.根据公式h_max＝9.1m－0.36l+38，演算出隔离保护煤柱的宽度l为12.2米。

g.在边角煤回收过程中，使用钻孔冲洗液漏失量观测法和钻孔岩层电视探测法测量导水裂隙带高度；根据覆岩导水裂隙带高度的探测结果，及时反馈并调整隔离保护煤柱的宽度。