本发明专利技术公开了一种壁式连采连充保水采煤及水资源运移监测、水害预警方法，本方法将正常壁式工作面沿走向方向划分成“采‑充”和“采‑留”交替布置的开采块段，“采‑充”开采块段内开采的巷道之间不留煤柱，并对掘进完成的巷道进行充填，“采‑留”开采块段内开采的巷道之间留设窄煤柱，掘进完成的巷道不进行充填；并采用红外热成像系统观测采掘空间的表面红外辐射信息，对充填体或窄煤柱失稳等动力灾害进行预测预报；通过水资源运移监测与水害预警系统，对煤炭开采引起矿区水资源流失情况和采场易发生的水害进行全面监测和预警、合理评价。本方法拓宽了保水采煤方法的适用条件，是一种有潜力的保水采煤方法，具有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
壁式连采连充保水采煤及水资源运移监测、水害预警方法
本专利技术涉及一种煤炭开采方法，具体涉及一种壁式连采连充保水采煤及水资源运移监测、水害预警方法，属于煤矿开采
技术介绍
我国西北地区浅埋煤层赋存丰富，是我国重要的能源基地。但是地处干旱半干旱大陆气候区，水资源相对贫乏，生态系统脆弱，加之大规模煤炭开采活动，导致生态危机进一步加剧。煤炭开采与生态环境保护相协调的问题自始至终都是我国西北煤炭开采亟待解决的重要问题之一，因此，在煤炭开采过程中，采取一定的技术手段，保护含水层结构，对维持生态系统平衡具有重要意义。自20世纪90年代提出“保水采煤”的思路和方法以来，经过近30年的发展，初步形成了以保护生态水位为目标的保水开采技术体系。研究表明，充填开采是实现浅埋煤层保水开采的有效途径之一。然而，制约传统充填开采技术大面积推广的因素主要包括采煤与充填协调作业困难、充填效率及充填体利用率低造成的成本增加和单一采煤方法对复杂多变的现场环境适应性较弱等。为改善现阶段充填开采的局限性，近年有学者提出了“采充并行”式保水采煤方法，这种方法较好地解决了采煤与充填协调困难的问题，然而开采巷道全部充填不仅造成了充填材料的浪费，还增加了充填成本，并且从一定程度上降低了采煤效率，导致该方法难以大面积推广应用。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的各种不足，本专利技术提供一种壁式连采连充保水采煤及水资源运移监测、水害预警方法，保证工作面持续、稳定、高效地出煤，降低充填成本，提高充填材料的利用率和采煤效率，同时可以对煤炭开采引起矿区水资源流失情况和采场易发生的水害进行全面监测和预警，并进行合理评价，适用范围广泛。为了解决上述问题，本专利技术提出一种壁式连采连充保水采煤方法，步骤如下：第一步、沿工作面走向方向划分成若干组交替布置的“采-充”开采块段和“采-留”开采块段；所述“采-充”开采块段和“采-留”开采块段均采用宽巷掘进的形式进行开采，“采-充”开采块段内开采的巷道之间不留煤柱，并对采掘完成的巷道进行充填，“采-留”开采块段内开采的巷道之间留设窄煤柱，采掘完成的巷道不进行充填；第二步、沿工作面走向方向布置辅助运输巷和主运输巷，并在工作面边缘沿倾斜方向采掘开切眼构成通风回路，整个工作面每一次宽巷采掘等同于正常长壁工作面采煤机一次进刀，宽巷的宽度等于采煤机一次进刀尺寸，即开采区域布置为长壁工作面回采的形式；第三步、沿工作面推进方向将“采-充”开采块段划分为m个开采分段，开采块段边缘且靠近开切眼一侧为第一开采分段，其余开采分段依次排序；开采分段内沿垂直或倾斜于工作面走向方向划分出n条采掘宽巷，开采分段边缘且靠近开切眼一侧为第一条采掘宽巷，其余采掘宽巷依次排序；第四步、“采-充”开采块段内，首先采掘第一开采分段内第一条采掘宽巷R11，然后依次采掘第二开采分段内第一条采掘宽巷R21，直至第m开采分段内第一条采掘宽巷Rm1采掘完毕；在各开采分段内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第三条宽巷R13，再依次采掘第二开采分段内第三条采掘宽巷R23，直至第m开采分段内第三条采掘宽巷Rm3；当开采分段内所有第奇数条采掘宽巷采掘完毕后，按上述开采顺序，直至各个开采分段内所有第奇数条采掘宽巷采掘完毕；然后采掘第一开采分段内第二条采掘宽巷R12，再依次采掘第二开采分段内第二条采掘宽巷R22，直至第m开采分段内第二条采掘宽巷Rm2采掘完毕；在各开采分段内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第四条宽巷R14，再依次采掘第二开采分段内第四条采掘宽巷R24，直至第m开采分段内第四条采掘宽巷Rm4；按上述开采顺序，直至开采分段内所有第偶数条采掘宽巷采掘完毕；第五步、第一开采分段第一条采掘宽巷采掘完成后，立即对其进行充填，同时，采掘第一开采分段第三条采掘宽巷，开采块段内即形成了采掘作业面和充填作业面同时作业的模式，直至所有开采分段内所有第奇数条采掘宽巷采掘并充填完毕；当n为奇数时，所有开采分段内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；当n为偶数时，位于“采-充”开采块段边界的采掘宽巷采掘完成后进行充填作业，剩余所有开采分段内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；第六步、将“采-留”开采块段划分为若干条采掘宽巷二和窄煤柱，采掘宽巷二和窄煤柱交替布置，采掘宽巷二沿工作面推进方向依次排序并进行采掘，开采块段内只进行采掘宽巷的采掘而不进行充填，即开采块段内只存在采掘作业面二，直至开采块段内所有采掘宽巷二采掘完毕；第七步、依据第三步至第六步采掘宽巷和采掘宽巷二的采掘顺序和原理，“采-充”开采块段和“采-留”开采块段内分别布置多个采掘作业面同时采掘并对满足第五步所述条件的采掘宽巷进行充填；依据第三步至第六步采掘宽巷和采掘宽巷二的采掘顺序和原理，工作面内布置多个“采-充”开采块段和“采-留”开采块段同时开采，形成多头平行作业，直至完成整个工作面的回采。“采-充”开采块段作为主采块段，利用宽巷掘进的方式开采并充填支巷，“采-留”块段同样采用宽巷掘进的方式开采但留设窄煤柱，用来协调采煤速率和充填速率，通过控制“采-充”开采块段和“采-留”开采块段宽巷掘进的开采以及充填参数来有效、合理、实时地调整和控制覆岩导水裂隙发育，实现保水采煤，优化采煤的综合效益。作为优选，第一步中，开采块段为主采块段，“采-充”开采块段推进长度与“采-留”开采块段推进长度之比至少为2:1。作为优选，第七步中，“采-充”开采块段内布置多个作业面同时采掘与充填时，需满足充填作业面个数不大于采掘作业面个数，并且充填作业面与采掘作业面至少间隔一条采掘宽巷或一条充填完毕且达到承载强度要求的巷道。进一步的，“采-充”开采块段内采掘宽巷过程中，通过计算覆岩导水裂隙发育是否导通隔水层来控制“采-充”块段内采掘宽巷的充填率；覆岩导水裂隙发育高度与充填率的关系可表示为：式中，Hup为覆岩导水裂隙发育高度，m；M为煤层厚度，m；η为充填率，即采掘宽巷内充填体充分压实后体积与采出煤炭体积之比；λ为覆岩导水裂隙发育影响系数，受地质条件、采煤工艺以及充填工艺等因素影响。基于渗流力学中岩层等效渗透系数理论，分别计算覆岩导水裂隙带上方各个岩层的等效渗透系数，通过分析采掘宽巷掘进和充填过程中，覆岩等效阻隔层的渗透性变化来判断能否满足保水采煤的要求。进一步的，“采-留”块段内采掘宽巷掘进过程中，通过计算窄煤柱的极限强度来控制采掘宽巷空巷数目；“采-留”块段内保证窄煤柱不发生失稳的采掘宽巷空巷数目n需满足：式中，[σ]为煤柱抗压强度，MPa；F为煤柱安全系数；Sp为窄煤柱宽度，m；Sr为采掘宽巷宽度，m；f为普氏系数；γ为岩石平均容重，N/m3；kf为压力拱修正系数。进一步的，采掘宽巷经过充填后，煤层直接顶上方第i层岩层的下沉量为：水平变形量分别为：式中，U为直接顶下沉量，m；n为采掘宽巷数目；b为采掘宽巷宽度，m；Hi为煤层直接顶上方第i层岩层距直接顶的垂直距离，m；H2为基本顶距直接顶的垂直距离，m；θ为岩层移动影响角，°。进一步的，由于充填体和窄煤柱在承载过程中易出现局部的应力集中，局部位置易发生破裂，而局部位置的破裂导致其红外辐射温度场会产生分异和离散化现象，导致红外辐射指标也会随之发生突变。因此，第四步采掘宽巷掘进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种壁式连采连充保水采煤方法，其特征在于，步骤如下：第一步、沿工作面走向方向划分成若干组交替布置的“采‑充”开采块段(1)和“采‑留”开采块段(2)；所述“采‑充”开采块段(1)和“采‑留”开采块段(2)均采用宽巷掘进的形式进行开采，“采‑充”开采块段(1)内开采的巷道之间不留煤柱，并对采掘完成的巷道进行充填，“采‑留”开采块段(2)内开采的巷道之间留设窄煤柱(10)，采掘完成的巷道不进行充填；第二步、沿工作面走向方向布置辅助运输巷(3)和主运输巷(5)，并在工作面边缘沿倾斜方向采掘开切眼(4)构成通风回路，整个工作面每一次宽巷采掘等同于正常长壁工作面采煤机一次进刀，宽巷的宽度等于采煤机一次进刀尺寸，即开采区域布置为长壁工作面回采的形式；第三步、沿工作面推进方向将“采‑充”开采块段(1)划分为m个开采分段(6)，开采块段边缘且靠近开切眼(4)一侧为第一开采分段，其余开采分段(6)依次排序；开采分段(6)内沿垂直或倾斜于工作面走向方向划分出n条采掘宽巷(7)，开采分段(6)边缘且靠近开切眼(4)一侧为第一条采掘宽巷，其余采掘宽巷(7)依次排序；第四步、“采‑充”开采块段(1)内，首先采掘第一开采分段内第一条采掘宽巷R11，然后依次采掘第二开采分段内第一条采掘宽巷R21，直至第m开采分段内第一条采掘宽巷Rm1采掘完毕；在各开采分段(6)内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第三条宽巷R13，再依次采掘第二开采分段内第三条采掘宽巷R23，直至第m开采分段内第三条采掘宽巷Rm3；当开采分段(6)内所有第奇数条采掘宽巷(7)采掘完毕后，再依次采掘各开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷(7)；首先采掘第一开采分段内第二条采掘宽巷R12，再依次采掘第二开采分段内第二条采掘宽巷R22，直至第m开采分段内第二条采掘宽巷Rm2采掘完毕；在各开采分段内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第四条宽巷R14，再依次采掘第二开采分段内第四条采掘宽巷R24，直至第m开采分段内第四条采掘宽巷Rm4；按上述开采顺序，直至开采分段(6)内所有第偶数条采掘宽巷(7)采掘完毕；第五步、第一开采分段第一条采掘宽巷采掘完成后，立即对其进行充填，同时，采掘第一开采分段第三条采掘宽巷，开采块段内即形成了采掘作业面(8)和充填作业面(9)同时作业的模式，直至所有开采分段(6)内所有第奇数条采掘宽巷采掘并充填完毕；当n为奇数时，所有开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；当n为偶数时，位于“采‑充”开采块段(1)边界的采掘宽巷采掘完成后进行充填作业，剩余所有开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；第六步、将“采‑留”开采块段(2)划分为若干条采掘宽巷二(11)和窄煤柱(10)，采掘宽巷二(11)和窄煤柱(10)交替布置，采掘宽巷二(11)沿工作面推进方向依次排序并进行采掘，开采块段内只进行采掘宽巷的采掘而不进行充填，即开采块段内只存在采掘作业面二(12)，直至开采块段内所有采掘宽巷二(11)采掘完毕；第七步、依据第三步至第六步采掘宽巷(7)和采掘宽巷二(11)的采掘顺序和原理，“采‑充”开采块段(1)和“采‑留”开采块段(2)内分别布置多个采掘作业面同时采掘并对满足第五步所述条件的采掘宽巷进行充填；依据第三步至第六步采掘宽巷(7)和采掘宽巷二(11)的采掘顺序和原理，工作面内布置多个“采‑充”开采块段(1)和“采‑留”开采块段(2)同时开采，形成多头平行作业，直至完成整个工作面的回采。...
【技术特征摘要】
1.一种壁式连采连充保水采煤方法，其特征在于，步骤如下：第一步、沿工作面走向方向划分成若干组交替布置的“采-充”开采块段(1)和“采-留”开采块段(2)；所述“采-充”开采块段(1)和“采-留”开采块段(2)均采用宽巷掘进的形式进行开采，“采-充”开采块段(1)内开采的巷道之间不留煤柱，并对采掘完成的巷道进行充填，“采-留”开采块段(2)内开采的巷道之间留设窄煤柱(10)，采掘完成的巷道不进行充填；第二步、沿工作面走向方向布置辅助运输巷(3)和主运输巷(5)，并在工作面边缘沿倾斜方向采掘开切眼(4)构成通风回路，整个工作面每一次宽巷采掘等同于正常长壁工作面采煤机一次进刀，宽巷的宽度等于采煤机一次进刀尺寸，即开采区域布置为长壁工作面回采的形式；第三步、沿工作面推进方向将“采-充”开采块段(1)划分为m个开采分段(6)，开采块段边缘且靠近开切眼(4)一侧为第一开采分段，其余开采分段(6)依次排序；开采分段(6)内沿垂直或倾斜于工作面走向方向划分出n条采掘宽巷(7)，开采分段(6)边缘且靠近开切眼(4)一侧为第一条采掘宽巷，其余采掘宽巷(7)依次排序；第四步、“采-充”开采块段(1)内，首先采掘第一开采分段内第一条采掘宽巷R11，然后依次采掘第二开采分段内第一条采掘宽巷R21，直至第m开采分段内第一条采掘宽巷Rm1采掘完毕；在各开采分段(6)内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第三条宽巷R13，再依次采掘第二开采分段内第三条采掘宽巷R23，直至第m开采分段内第三条采掘宽巷Rm3；当开采分段(6)内所有第奇数条采掘宽巷(7)采掘完毕后，再依次采掘各开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷(7)；首先采掘第一开采分段内第二条采掘宽巷R12，再依次采掘第二开采分段内第二条采掘宽巷R22，直至第m开采分段内第二条采掘宽巷Rm2采掘完毕；在各开采分段内，与第一条宽巷间隔一条宽巷，再采掘第一开采分段内第四条宽巷R14，再依次采掘第二开采分段内第四条采掘宽巷R24，直至第m开采分段内第四条采掘宽巷Rm4；按上述开采顺序，直至开采分段(6)内所有第偶数条采掘宽巷(7)采掘完毕；第五步、第一开采分段第一条采掘宽巷采掘完成后，立即对其进行充填，同时，采掘第一开采分段第三条采掘宽巷，开采块段内即形成了采掘作业面(8)和充填作业面(9)同时作业的模式，直至所有开采分段(6)内所有第奇数条采掘宽巷采掘并充填完毕；当n为奇数时，所有开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；当n为偶数时，位于“采-充”开采块段(1)边界的采掘宽巷采掘完成后进行充填作业，剩余所有开采分段(6)内第偶数条采掘宽巷只进行采掘不进行充填；第六步、将“采-留”开采块段(2)划分为若干条采掘宽巷二(11)和窄煤柱(10)，采掘宽巷二(11)和窄煤柱(10)交替布置，采掘宽巷二(11)沿工作面推进方向依次排序并进行采掘，开采块段内只进行采掘宽巷的采掘而不进行充填，即开采块段内只存在采掘作业面二(12)，直至开采块段内所有采掘宽巷二(11)采掘完毕；第七步、依据第三步至第六步采掘宽巷(7)和采掘宽巷二(11)的采掘顺序和原理，“采-充”开采块段(1)和“采-留”开采块段(2)内分别布置多个采掘作业面同时采掘并对满足第五步所述条件的采掘宽巷进行充填；依据第三步至第六步采掘宽巷(7)和采掘宽巷二(11)的采掘顺序和原理，工作面内布置多个“采-充”开采块段(1)和“采-留”开采块段(2)同时开采，形成多头平行作业，直至完成整个工作面的回采。2.根据权利要求1所述的壁式连采连充保水采煤方法，其特征在于，第一步中，开采块段(1)为主采块段，“采-充”开采块段(1)推进长度与“采-留”开采块段(2)推进长度之比至少为2:1。3.根据权利要求2所述的壁式连采连充保水采煤方法，其特征在于，第七步中，“采-充”开采块段(1)内布置多...
【专利技术属性】
技术研发人员：马立强，张东升，来兴平，王烁康，孙海，余伊河，郭金帅，
申请(专利权)人：中国矿业大学，西安科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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