專利名稱：一種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井工采煤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，主要涉及ー種減小對(duì)生態(tài)環(huán)境損傷的井エ采煤方法。
背景技術(shù)：
煤礦開(kāi)采過(guò)程中，不可避免地對(duì)生態(tài)環(huán)境(如地表、植被)造成擾動(dòng)，打破原有的生態(tài)環(huán)境平衡。以往，針對(duì)煤礦開(kāi)采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題(地表塌陷、地表裂縫和植被破壞)，除在某些特殊區(qū)域，如建筑物密集區(qū)域、鉄路區(qū)或水體下等，采取特殊的采煤方法或技術(shù)措施，大多數(shù)則采用“采后治理”或“邊采邊治”的修復(fù)補(bǔ)救措施，注重防災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)后治理，屬于被動(dòng)式修復(fù)。為減少對(duì)地表?yè)p傷，采用的采煤方法包括柱式采煤法、條帶采煤法和充填采煤法等；技術(shù)措施包括保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)和限厚開(kāi)采等。這些采煤方法和技術(shù)措施對(duì)于減少地表?yè)p傷起到了積極作用，但同時(shí)也產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，如柱式采煤法、條帶采煤法以及保護(hù)煤柱 設(shè)計(jì)和限厚開(kāi)采等方法措施，雖然對(duì)上層地表起到了保護(hù)作用，但由于少采棄采，造成了煤炭資源的浪費(fèi)；充填采煤法雖然能夠提高煤炭回采率，但由于充填材料制備成本較高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。針對(duì)煤炭開(kāi)采所造成的地表?yè)p傷，如地表裂縫、塌陷，目前多采用土地復(fù)墾，如對(duì)裂縫填充、塌陷區(qū)域整平等措施，同時(shí)進(jìn)行緑化復(fù)墾工作，這些措施在一定程度上削減了煤炭開(kāi)采對(duì)地表造成的損害，但由于傳統(tǒng)采煤エ藝方法局限，形成的地表塌陷面多、地表裂縫密集，同時(shí)由于殘留煤柱帶的存在，使得地表起伏不平，地表生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成本較高。裂縫充填對(duì)地表土壤營(yíng)養(yǎng)成分分布、地表水徑流都有很大影響，對(duì)于植被修復(fù)都提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井エ采煤方法，用于解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化和由此引發(fā)的環(huán)境代價(jià)的問(wèn)題，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的損傷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井エ采煤方法，所述方法應(yīng)用于近水平或緩傾斜煤層，包括以下步驟a、進(jìn)行煤田地質(zhì)勘查，獲取煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)；b、根據(jù)煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，將煤田劃分為多個(gè)超大工作面，確定推進(jìn)速度；C、采煤過(guò)程中，在工作面上方設(shè)置地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取地表移動(dòng)數(shù)據(jù)；d、根據(jù)地表移動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)工作面推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)呈現(xiàn)出小坡度和多起伏的特征時(shí)，増大開(kāi)采速度；當(dāng)?shù)乇沓尸F(xiàn)大裂縫特征時(shí)，減小開(kāi)采速度。優(yōu)選地，步驟d中所述小坡度是指的坡度范圍是10度-15度，多起伏是指起伏數(shù)不少于3個(gè)。優(yōu)選地，步驟d中所述大裂縫是指寬度大于15cm的裂縫。
優(yōu)選地，步驟b中通過(guò)下式確定工作面推進(jìn)速度V = NXB式中，N為機(jī)采工作面晝夜割煤刀數(shù)；B為采煤機(jī)截深。優(yōu)選地，所述超大工作面是指工作面長(zhǎng)度在300米以上和推進(jìn)距離大于4000米的
一次采全高的工作面。由上述技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明的提供的這種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井エ采煤方法，在井エ開(kāi)采時(shí)采用超大工作面(超長(zhǎng)工作面長(zhǎng)度、超長(zhǎng)推進(jìn)距離和超大采高)開(kāi)采エ藝，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的推進(jìn)速度，不但滿足了傳統(tǒng)方法的防災(zāi)減災(zāi)效用，而且使得地表整體沉降，減少對(duì)地面的擾動(dòng)次數(shù)，減少地表裂縫。該方法不但有利于煤炭高回收率的實(shí)現(xiàn)，還有利于對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。


圖I為地表移動(dòng)影響因素分析示意圖；圖2為傳統(tǒng)工作面與超大工作面的對(duì)比示意圖；圖3為傳統(tǒng)工作面與超大工作面對(duì)地表的影響示意圖；圖4為圖3在I-I處的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。煤炭開(kāi)采時(shí)，由于在地下空間內(nèi)形成采空區(qū)，上覆巖層由于重力作用自然垮落，由此產(chǎn)生的巖層移動(dòng)波及到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞(統(tǒng)稱為地表移動(dòng))，表現(xiàn)為地表移動(dòng)盆地、裂縫和塌陷坑等。如圖I所示，煤炭開(kāi)采所引起的地表移動(dòng)過(guò)程不僅與礦區(qū)固有的煤田地質(zhì)屬性(煤層厚度、煤層穩(wěn)定性、煤層傾角、煤層頂?shù)装?、地質(zhì)構(gòu)造、煤的自燃性、瓦斯含量和地下水賦存)相關(guān)，還很大程度上受到后續(xù)的煤炭開(kāi)采影響，包括采深、采厚、采煤方法和相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)措施等，是ー個(gè)多因素共同作用的過(guò)程。本發(fā)明的基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井エ采煤方法，用于近水平或緩傾斜煤層，即煤層傾斜度小于25度的煤層，比如西部晉陜蒙生態(tài)脆弱區(qū)的一些煤層，主要步驟如下首先在開(kāi)采工作進(jìn)行前，對(duì)煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行勘査，煤田地質(zhì)屬性是影響エ作面尺寸的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，為減少工作面開(kāi)采難度，在采區(qū)、盤(pán)區(qū)或帶區(qū)內(nèi)劃分工作面時(shí)，落差大于采高的斷層、較大的褶曲、陷落柱，或當(dāng)煤層厚度急劇變化，或巖漿巖侵入?yún)^(qū)均可作為工作面上下或左右的邊界；在分析地質(zhì)因素約束后，則根據(jù)生產(chǎn)裝備和技術(shù)水平對(duì)工作面尺寸進(jìn)行進(jìn)ー步劃分，使工作面尺寸在生產(chǎn)裝備和技術(shù)水平的承受范圍內(nèi)。通過(guò)上述對(duì)煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)ー步可以結(jié)合數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗(yàn)將煤田劃分為多個(gè)超大工作面。如圖2所示，超大工作面是指工作面長(zhǎng)度在300米以上和推進(jìn)距離大于4000米的一次采全高的工作面。傳統(tǒng)工作面參數(shù)工作面長(zhǎng)度X推進(jìn)距離X開(kāi)采高度(WXlXh)最大可達(dá)到240mX2000mX5. 5m,如果采用傳統(tǒng)工作面開(kāi)采，隨著采煤工作面的推進(jìn)，形成采空區(qū)，上覆巖層在重力作用下垮落，波及地面，形成地表塌陷。由于各個(gè)工作面之間留有煤柱，則在地表形成多個(gè)塌陷坑，且隨工作面的不斷推迸，塌陷坑不斷増加，地表起伏不平。而采用超大工作面，比如400mX4000mX7m，由于一次采煤面增大,地表塌陷面積(一次沉降面積)增大，提高了地表水平變化的均勻性。傳統(tǒng)工作面與超大工作面對(duì)地表的影響如圖3和圖4所示，其中I為傳統(tǒng)工作面，2為超大工作面。同時(shí)，理論上分析可以得知，工作面推進(jìn)速度越快，地表越容易實(shí)現(xiàn)一次穩(wěn)定沉降，減少地表擾動(dòng)次數(shù)；另一方面，由于一次塌陷面積增加，相比較傳統(tǒng)工作面，減少了地表裂縫。但是，工作面推進(jìn)速度受到多種因素制約，如煤層厚度、采深、頂?shù)装宓V壓和開(kāi)采技術(shù)裝備水平等。例如，選用適合快掘快采的大功率高可靠性重型配套設(shè)備，已達(dá)到工作快速推進(jìn)的要求。在采煤前，一般可以采用下述方法選擇工作面推進(jìn)速度采煤設(shè)備一旦選定，工作面日推進(jìn)速度(m/d)計(jì)算公式為V = NXB(I) 式(I)中，N為機(jī)采工作面晝夜割煤刀數(shù)；B為采煤機(jī)截深；其中，機(jī)采工作面晝夜割煤刀數(shù)N計(jì)算公式為
_ v 60(24-^3 ~t2)KN =---
c ( 2 )式(2)中，t3為采煤機(jī)進(jìn)刀時(shí)間，h ;t2為采煤機(jī)跑空刀時(shí)間，h ;K為采煤機(jī)的日開(kāi)機(jī)率；T。為米煤機(jī)往返一次割一刀煤的時(shí)間，mirio開(kāi)采過(guò)程中，在工作面上方地標(biāo)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，例如，在工作面上方設(shè)置多個(gè)地標(biāo)移動(dòng)觀測(cè)站，通過(guò)全站儀等設(shè)備觀測(cè)，以便掌握地表的移動(dòng)情況，比如地表塌陷、裂縫等。設(shè)采煤對(duì)地表生態(tài)影響為G，工作面為M，工作面推進(jìn)速度為V，則有如下關(guān)系式MinG = MinF (M, v)(3)M= f (I, w, h)約束條件煤層地質(zhì)條件和生產(chǎn)裝備技術(shù)水平，其中，I為工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，w為工作面長(zhǎng)度，h為工作面開(kāi)采高度。由式(3)可知，在一定煤層地質(zhì)條件和生產(chǎn)裝備技術(shù)水平的條件下，采煤對(duì)地表生態(tài)影響只與工作面參數(shù)(工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)長(zhǎng)度和開(kāi)采高度)和推進(jìn)速度有夫。因此，結(jié)合得到的地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地標(biāo)移動(dòng)情況進(jìn)行分析，進(jìn)ー步對(duì)工作面推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)的中部區(qū)域呈現(xiàn)出10度-15度的小坡度和不少于3個(gè)的多起伏的特征時(shí)，可在開(kāi)采設(shè)備和開(kāi)采技術(shù)允許的情況下適當(dāng)増大開(kāi)采速度，例如將開(kāi)采速度提高5% -20% ;當(dāng)?shù)乇沓尸F(xiàn)明顯大裂縫特征時(shí)，比如裂縫寬度達(dá)到15厘米以上，可以適當(dāng)減小開(kāi)采速度，例如將開(kāi)采速度減小5% -20%，以更好的減小對(duì)地表的損傷。根據(jù)上述情況工作面推進(jìn)速度調(diào)整后，進(jìn)ー步還需根據(jù)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)的反饋結(jié)果調(diào)整，直至監(jiān)測(cè)到的地標(biāo)移動(dòng)情況符合要求，實(shí)現(xiàn)最小地面擾動(dòng)為宜。實(shí)施例將該方法應(yīng)用于晉陜蒙生態(tài)脆弱區(qū)某地下煤礦開(kāi)采，通過(guò)對(duì)該礦區(qū)煤層地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行勘査，煤層平均厚度3m，實(shí)施超大工作面開(kāi)采エ藝，工作面參數(shù)由原有的小工作面(wXIXh = 240mX2000mX3m)調(diào)整為超大工作面進(jìn)行開(kāi)采(wXIXh =360mX 4200mX 3m)，經(jīng)理論分析和數(shù)值模擬，推進(jìn)速度初步定為10m/d，能夠有效減輕了采煤沉陷區(qū)的地表?yè)p傷，通過(guò)后期對(duì)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，地表出現(xiàn)起伏不平現(xiàn)象，因此將工作面推進(jìn)速度調(diào)整為11. 6m/d，實(shí)現(xiàn)了最小的地表擾動(dòng)。通過(guò)對(duì)前后兩種采煤方法的對(duì)比分析，得出采用超大工作面開(kāi)采后，減少土地?cái)_動(dòng)次數(shù)3次以上，縮短擾動(dòng)時(shí)間3個(gè)月以上，沉陷裂縫損毀土地面積減少20% ;同時(shí)通過(guò)對(duì)工作面前端邊緣裂縫發(fā)育土壌表層相對(duì)含水量的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)獲知17天后基本得到恢復(fù)，可以得出結(jié)論，在該礦區(qū)采用超大工作面后，在地表產(chǎn)生的裂縫對(duì)土壌表層相對(duì)含 水量影響可忽略。
權(quán)利要求
1.一種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井エ采煤方法，其特征在于，所述方法應(yīng)用于近水平或緩傾斜煤層，包括以下步驟 a、進(jìn)行煤田地質(zhì)勘查，獲取煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)； b、根據(jù)煤田地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，將煤田劃分為多個(gè)超大工作面，確定推進(jìn)速度； C、采煤過(guò)程中，在工作面上方設(shè)置地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取地表移動(dòng)數(shù)據(jù)； d、根據(jù)地表移動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)工作面推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)呈現(xiàn)出小坡度和多起伏的特征時(shí)，増大開(kāi)采速度；當(dāng)?shù)乇沓尸F(xiàn)大裂縫特征時(shí)，減小開(kāi)采速度。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟d中所述小坡度是指的坡度范圍是10 度-15度，多起伏是指起伏數(shù)不少于3個(gè)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟d中所述大裂縫是指寬度大于15cm的裂縫。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟b中通過(guò)下式確定工作面推進(jìn)速度 V= NXB 式中，N為機(jī)采工作面晝夜割煤刀數(shù)；B為采煤機(jī)截深。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述超大工作面是指工作面長(zhǎng)度在300米以上和推進(jìn)距離大于4000米的一次采全高的工作面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的井工采煤方法，用于解決井工礦區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化和由此引發(fā)的環(huán)境代價(jià)的問(wèn)題，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的損傷。該方法通過(guò)勘查煤田地質(zhì)屬性，在井工開(kāi)采時(shí)采用超大工作面(超長(zhǎng)工作面長(zhǎng)度、超長(zhǎng)推進(jìn)距離和超大采高)開(kāi)采工藝，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的推進(jìn)速度，不但滿足了傳統(tǒng)方法的防災(zāi)減災(zāi)效用，而且使得地表整體沉降，減少對(duì)地面的擾動(dòng)次數(shù)，減少地表裂縫。該方法不但有利于煤炭高回收率的實(shí)現(xiàn)，還有利于對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。
文檔編號(hào)E21C41/16GK102865079SQ20121013405
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者顧大釗, 曹志國(guó), 楊俊哲, 王 義, 胡振琪 申請(qǐng)人:中國(guó)神華能源股份有限公司, 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)