專利名稱：一種水源地中小煤礦用保水采煤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種水源地中小煤礦用保水采煤方法。
背景技術(shù)：
陜北大煤田的“保水采煤”問題，從神府礦區(qū)開發(fā)之初，就引起了各方面的關(guān)注。陜北地區(qū)總面積8. 06X 104km2，約占陜西省總面積的39.2%。其中含有水域面積 9. 5X104hm2，占全省水域面積的24. 5%。陜北地區(qū)的水資源總量僅為陜西省的10. 9%，人均水資源為849m3/人，是陜西省人均水資源量的72%，全國人均水平的35%。由此可見， 陜北地區(qū)的水資源量較為貧乏。因而，陜北大煤田的“保水采煤”問題的重要性，多年來受到各方面的重視。針對陜北煤層埋藏淺，地表存在沙漠型河流及耐旱植被的特點，保水主要是保證寶貴且對植被的生長條件有利的潛水資源，阻止地表荒漠化的進一步發(fā)展。以往大量的開采實踐主要集中在大型、特大型礦井的開采中，由于工作面超長，目前超長工作面已超過400m，推進距離長達3Km 5Km，且采用全部垮落法處理頂板，長壁后退式推進，因而造成潛水資源大量流失，其保水開采中結(jié)合煤層開采對覆巖破壞和阻水性變化情形，工作面留設(shè)一定高度防水煤柱，并在煤層露頭燒變巖帶建立淺排水源地的“保水采煤”效果并不理
術(shù)g
；ο條帶開采是將要開采的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶進行開采，且實際開采時采一條，留一條，并利用保留的煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷，控制地表的移動和變形， 并達到地面保護目的的部分開采方法。從條帶的布置形式及開采方法上包括水砂充填條帶、矸石充填條帶、冒落條帶、分層冒落條帶、近距煤層群條帶、變采留比條帶、不規(guī)則條帶及古小窯老空區(qū)下條帶等。盡管條帶開采采出率低、資源損失嚴重，但由于我國礦區(qū)村莊密集，搬遷費用巨大，為解放村莊下壓煤，條帶開采作為一種減少地表沉降的特殊采煤法，近幾年各礦區(qū)都應(yīng)用條帶開采進行了建筑物下采煤實踐。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其設(shè)計合理、實現(xiàn)方便、可操作性強且使用效果好，能有效解決現(xiàn)有水源地中小煤礦開采時存在的易造成潛水資源大量流失、保水采煤效果較差等多種實際問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，所開采煤礦為位于水源地的煤礦，其保水采煤開采方法包括以下步驟步驟一、煤層位置確定按照煤礦開采過程中所用的常規(guī)鉆探地質(zhì)編錄方法，對所開采煤礦進行鉆探，并獲得所開采煤礦的鉆孔柱狀圖之后，根據(jù)所述鉆孔柱狀圖，確定所開采煤礦中所存在煤層的厚度和埋藏深度，所述煤層的頂板由多個巖層組成且多個所述巖層由下至上逐層進行布設(shè)；同時，根據(jù)所述鉆孔柱狀圖分別確定所述頂板中多個巖層的厚度；其中，多個所述巖層的數(shù)量為η個，η個所述巖層由下至上分別為第一個巖層、第二個巖層...第η個巖層，且η個所述巖層的厚度由下至上分別為hp h2. . . hn ；步驟二、開采參數(shù)確定，其確定過程如下201、頂板巖梁承受載荷確定，其確定過程包括以下步驟2011、頂板各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)測試按照常規(guī)的巖石力學(xué)性質(zhì)測試方法，分別對步驟一中多個所述巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進行測試，測試得出的各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，所述巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括容重、抗拉強度和彈性模量；其中，測試得出的η個所述巖層的容重由下至上分別為Y Y2- Yn, η個所述巖層的彈性模量分別為Ep E2. . . En, η個所述巖層的抗拉強度；2012、頂板巖梁所承受載荷計算根據(jù)公式⑷，++ ，計算自第一個巖層起由下至上布設(shè)的
E1H1 +E2H2 +... + EiHi
i個巖層對第一個巖層進行綜合影響所形成的載荷，式中i = 1、2. ..η；且計算i個巖層對第一個巖層進行綜合影響所形成載荷的同時，對所述自第一個巖層起由下至上布設(shè)的i+Ι個巖層對第一個巖層所形成的載荷(qi+1) ！與i個巖層對第一個巖層所形成的載荷(Qi)1進行差值比較當差值比較得出(qi+1)i< (Qi)1時，說明第i + 1個巖層與其下部的第i個巖層發(fā)生離層，此時i = m，且(Qm)1為所述煤層的頂板巖梁所承受載荷，m為正整數(shù)且m<n;202、開采條帶的寬度上限值確定，其確定過程包括以下步驟2021、將所述頂板巖梁簡化為簡支梁進行分析且所述簡支梁為均布荷載作用下
的簡支梁；所述簡支梁上任一點A處的正應(yīng)力為= ^^ ,式中Mx為所述簡支梁上A處
所在橫截面上的彎矩，y為A處到所述簡支梁中性軸的距離，t為所述簡支梁的厚度且t = 自第一個巖層起由下至上布設(shè)的m個巖層的厚度之和；2022、最大壓正應(yīng)力和最大拉正應(yīng)力換算所述簡支梁的最大彎矩Mmax = qL2/8，式中L為所述簡支梁的橫向長度；所述簡支梁中部上側(cè)外邊緣處所承受的壓正應(yīng)力為最大壓正應(yīng)力，所述簡支梁中部下側(cè)外邊緣處所承受的拉正應(yīng)力為最大拉正應(yīng)力，所述簡支梁中部的下側(cè)外邊緣處和上側(cè)邊緣處到所述簡支梁中性軸的距離y均等于t/2，且所述最大壓
正應(yīng)力和最大拉正應(yīng)力的數(shù)值相等且二者均等于σ·χ2023、頂板巖梁實際承受正應(yīng)力計算所述頂板巖梁實際承受的正應(yīng)力= |，
F
式中F為安全系數(shù)且F = 2 4, 為所述頂板巖梁的抗拉強度，所述頂板巖梁由j個巖層組成且j > 1 當j = 1時，說明所述頂板巖梁為一個巖層且I^1為該巖層的抗拉強度；當j > 1時，I^1為組成所述頂板巖梁的j個巖層的抗拉強度平均值；2024、寬度上限值換算將步驟2023中計算得出的ο e代入步驟2022中的公式 σ 換算得出開采條帶的寬度上限值A(chǔ)nax = J^，式中q為步驟201中計算得出
max f2\ 3q
的(Clm)1 ；CN 102505943 A說明書3/17 頁203、煤柱寬度下限值確定，其確定過程如下2031、煤柱屈服區(qū)寬度計算根據(jù)公式。=ln(C + ^ tan^V +tan2 φ，計算得出煤柱屈服區(qū)寬度rp，
權(quán)利要求
1. 一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，所開采煤礦為位于水源地的煤礦，其保水采煤開采方法包括以下步驟步驟一、煤層位置確定按照煤礦開采過程中所用的常規(guī)鉆探地質(zhì)編錄方法，對所開采煤礦進行鉆探，并獲得所開采煤礦的鉆孔柱狀圖之后，根據(jù)所述鉆孔柱狀圖，確定所開采煤礦中所存在煤層的厚度和埋藏深度，所述煤層的頂板由多個巖層組成且多個所述巖層由下至上逐層進行布設(shè)；同時，根據(jù)所述鉆孔柱狀圖分別確定所述頂板中多個巖層的厚度；其中，多個所述巖層的數(shù)量為η個，η個所述巖層由下至上分別為第一個巖層、第二個巖層...第η個巖層，且η個所述巖層的厚度由下至上分別為hp h2. . . hn ； 步驟二、開采參數(shù)確定，其確定過程如下·201、頂板巖梁承受載荷確定，其確定過程包括以下步驟·2011、頂板各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)測試按照常規(guī)的巖石力學(xué)性質(zhì)測試方法，分別對步驟一中多個所述巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進行測試，測試得出的各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，所述巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括容重、抗拉強度和彈性模量；其中，測試得出的η個所述巖層的容重由下至上分別為h、Y2··· Y η，η個所述巖層的彈性模量分別SEp E2... Εη，η個所述巖層的抗拉強度；·2012、頂板巖梁所承受載荷計算根據(jù)公式
2.按照權(quán)利要求1所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟四中所述的按照常規(guī)條帶開采方法對所述煤層進行開采后，形成多個寬度為Ltl的條帶采空區(qū)，且相鄰兩個所述條帶采空區(qū)之間留設(shè)有一個寬度為Dtl的條帶煤柱；且按照常規(guī)條帶開采方法對所述煤層進行開采后，還需由前至后用填充料對多個所述條帶采空區(qū)分別進行密實填充，并相應(yīng)形成多個已填充區(qū)；對多個所述條帶采空區(qū)分別進行密實填充過程中，由前至后對相鄰兩個所述已填充區(qū)之間的條帶煤柱進行開采。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟四中所述的按照常規(guī)條帶開采方法對所述煤層進行開采過程中，在所述煤層上布置多個采煤區(qū)段或多個采煤工作面(3)，相鄰兩個采煤區(qū)段或相鄰兩個采煤工作面C3)之間通過留設(shè)有一個隔離煤柱；且開采結(jié)束后，每個采煤區(qū)段或每個采煤工作面(3)內(nèi)均形成多個寬度為Ltl的區(qū)內(nèi)條帶采空區(qū)，相鄰兩個所述區(qū)內(nèi)條帶采空區(qū)之間留設(shè)有一個寬度為Dtl的區(qū)內(nèi)條帶煤柱；步驟三中所述確定條帶法開采過程中的采留尺度時，還需對所述隔離煤柱的寬度最小值進行確定，所述隔離煤柱包括中間隔水帶和兩個分別布設(shè)在所述中間隔水帶兩側(cè)的已開采工作面屈服區(qū)和現(xiàn)開采工作面屈服區(qū)，且所述隔離煤柱的寬度最小值確定過程如下步驟I、中間隔水帶寬度‘計算分別根據(jù)側(cè)向靜水壓力煤柱寬度計算公式
4.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟2012中所述的m = 1，且所述煤層的頂板巖梁為第一個巖層；步驟2021中t為第一個巖層的厚度；步驟2022中L為第一個巖層的橫向長度；步驟2023中所述頂板巖梁為第一個巖層且&為第一個巖層的抗拉強度。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟四中所述的按照常規(guī)條帶開采方法對所述煤層進行開采之前，還需按照常規(guī)煤柱穩(wěn)定性分析方法，對采用步驟三中所確定的開采方案進行條帶開采過程中所留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性進行分析。
6.按照權(quán)利要求5所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于所述常規(guī)煤柱穩(wěn)定性分析方法為相似材料模擬實驗。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟 2031 中 M = 3m 8m。
8.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟2032中隨著所述煤層的頂板穩(wěn)定性逐漸減弱，r0逐漸增大。
9.按照權(quán)利要求1或2所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于步驟二中開采參數(shù)確定之前，還需按常規(guī)煤層安全回采上限的確定方法，對所述煤層的安全回采上限Mx進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果判斷是否能采用條帶開采方法對所述煤層進行開采當所述煤層的平均高度M大于計算得出的安全回采上限時，則進入步驟二且按條帶開采方法對所述煤層進行開采；否則，按長壁開采方法對所述煤層進行開采。
10.按照權(quán)利要求9所述的一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，其特征在于對所述IOOMr μ Mr ττ煤層的安全回采上限Mx進行計算時，根據(jù)公式+38+51 + ^-^0，式中5.1為修正系數(shù)，nx為所述煤層的分層層數(shù)，H0為測試得出的所述煤層上方基巖的平均高度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水源地中小煤礦用保水采煤方法，包括以下步驟一、煤層位置確定根據(jù)鉆孔柱狀圖，確定所開采煤礦中所存在煤層的厚度和埋藏深度；二、開采參數(shù)確定，其確定過程如下頂板巖梁承受載荷確定、開采條帶的寬度上限值Lmax確定和煤柱寬度下限值Dmin確定；三、開采方案確定根據(jù)Lmax和Dmin確定條帶法開采過程中的采留尺度，其中條帶法開采過程中所開采條帶的寬度L0≤Lmax且所留煤柱的寬度D0≥Dmin；四、開采按照常規(guī)條帶開采方法對煤層進行開采，每開采一個寬度為L0的條帶，留設(shè)一個寬度為D0的煤柱。本發(fā)明設(shè)計合理、實現(xiàn)方便、可操作性強且使用效果好，能解決現(xiàn)有水源地中小煤礦開采時存在的易造成潛水資源大量流失、保水采煤效果較差等問題。
文檔編號E21C41/16GK102505943SQ201110370130
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者劉洋, 石平五, 邵小平 申請人:西安科技大學(xué)