一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法技术

本发明专利技术公开了一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，根据矿区基础资料，确定工作面导水裂隙带高度及涌水量，预测隔水层破坏程度及突水危险性；确定过沟谷前最近局部充填开采、过沟谷后正常开采位置，采用地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，间隔布置柔模垛式充填体，确定局部充填开采条件下充填关键技术参数；实施地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案及充填关键技术参数优化调整；整个地表沟谷径流条件下煤层安全高效开采。本开采方案有效控制了顶板变形运动，保护沟谷径流下隔水层的完整性，有效降低了生产成本，减少了充填时间，提高了地表沟谷径流下工作面采出率，保障了煤层高效开采。

【技术实现步骤摘要】
一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法
本专利技术属于煤炭开采
，涉及一种生态脆弱煤矿区地表沟谷径流下压煤、减少地表水体、含隔水层破坏的局部充填减损开采方法。
技术介绍
我国西部地区煤炭资源赋存条件特殊，处于干旱-半干旱带沙漠-黄土覆盖的地区，区内水资源普遍匮乏且蒸发量大于降雨量，地表植被稀少，生态脆弱。近年来煤炭资源大规模机械化集中高强度开采，引发了煤层上覆含(隔)水层破坏、地面裂缝、地面塌陷、地下水位下降、河沙减少、水土流失、生态退化等一系列矿山生态环境和地质灾害问题。西部矿区地表多为黄土峁梁地貌，沟谷纵横，在起伏变化大且有季节性充水的沟谷下采煤过程中，覆岩内部上行和下行裂隙破坏隔水层，贯通沟谷与工作面顶板涌水通道，易造成接受大气降水形成的沟谷地表径流水体随贯穿至沟谷底部的导水裂隙带涌入工作面，将严重威胁工作面安全生产。鉴于现有长壁机械化综采方式及部分保水开采方法的局限性，充填开采技术成为有效控制导水裂隙带高度，实现生态脆弱区煤层保水开采的重要方法之一。然而，全部充填技术虽能有效降低地表下沉和提高煤炭回收率，但因其成本较高而受到很大限制；部分充填技术一般通过对覆岩离层注浆、充填及部分煤柱支撑覆岩来控制地表沉陷，由于离层位置确定、地表注浆与开采优化问题在西部煤炭开发中大规模应用仍存在较大难度。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供一种方法简单、推进快速、成本较低的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的。一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，包括如下步骤：一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，包括：根据矿区工程地质与开采技术基础资料，确定综合机械化工作面导水裂隙带高度，利用类比法或大井法预测最大、最小涌水量，并对隔水层破坏程度及突水危险性进行预测；依据综采工作面数值仿真结果，确定过沟谷前最近局部充填开采、过沟谷后正常开采位置，采用地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，间隔布置柔模垛式充填体，确定局部充填开采条件下充填关键技术参数；根据工作面实时涌水量、地下水长观测孔水位、地表裂隙分布特征观测结果，实施地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案(阶段划分为A、B、C距离)及充填关键技术参数(间排距n、m等)优化调整；重复地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，直至完成整个地表沟谷径流条件下煤层安全高效开采。优选的，矿区工程地质与开采技术基础资料包括沟谷径流下地表沟谷深度、隔水土层厚度、矿井水文地质与开采技术条件和工作面综合柱状基础资料。优选的，对隔水层破坏程度及突水危险性进行预测为：导水裂隙带发育高度达到红土隔水层，破坏隔水层岩层，当工作面正常回采至地表沟谷径流位置时将造成工作面涌水量剧增，具有强突水危险性，必须采取留设煤柱或充填减损开采的方法。优选的，局部充填开采条件下充填关键技术参数包括采空区垛式充填体强度、尺寸和间排距。优选的，地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，包括：第一阶段，工作面正常回采：工作面开切眼后，按照正常综合机械化开采工作面布置采煤机、刮板输送机和液压支架主要设备正常回采，充填专用式液压支架后尾梁收回作为一般支撑掩护式液压支架使用；按照综合机械化开采工艺正常回采，以及全部垮落法管理顶板；第二阶段，采空区局部充填减损开采工艺：a.在地面建立充填材料制备混装站，充填材料到达充填区域，完成井上下充填方案及系统配置；b.采用采煤机割煤前间隔布置柔模垛式充填体，包括悬挂金属网、采煤机割煤、布置充填袋，料浆充填，凝固后形成垛式充填体支撑采空区顶板，向前移架，完成一个局部充填循环；c.重复割煤、移架、充填专用式液压支架后方挂金属网、布置充填袋、充填的工艺循环，直至完全通过地表沟谷范围；第三阶段，综采工作面正常回采：工作面充填专用式液压支架后尾梁收回作为一般支撑掩护式液压支架使用，按照综合机械化开采工作面进行布置并正常回采，全部垮落法管理顶板。第一阶段回采时，综采工作面支架由充填专用式液压支架和一般支撑掩护式液压支架组成，充填专用式液压支架间隔布置，充填专用式液压支架的尾梁回收当作一般支撑掩护式液压支架使用，按照综采回采工艺回采。第二阶段回采时，采煤机割煤后，一般支撑掩护式液压支架移架，将充填专用式液压支架尾梁升起，在充填式支架后方逐一布置加筋纤维柔模充填袋进行局部充填；在采空区形成预制加筋纤维柔模垛式充填体支撑顶板，完成一个局部充填循环。第三阶段回采时，充填专用式液压支架的尾梁回收当作一般支撑掩护式液压支架使用，按照综采回采工艺正常回采。当工作面开采至过沟谷前一定距离时，采用第二阶段井上下充填方案及系统配置方案；当工作面开采至过地表径沟谷流下煤层后，采用第三阶段实施综采工作面正常回采。本专利技术具有以下有益效果：1)预先设计地表沟谷径流下煤层“三段式”局部充填减损开采方法，仅在沟谷径流下部分区域实施局部充填开采，在采空区间隔布置柔模垛式充填体，可以在保障沟谷隔水层稳定的前提下，避免工作面整体推进速度和产量大幅度减低；2)通过布置较少充填专用式液压支架，节约了充填工作面装备投入；采空区局部充填减少了充填材料用量，减少了充填工艺时间，降低了充填成本；3)采用局部垛式充填体支撑了顶板，置换了沟谷径流下煤柱，提高了地表沟谷径流下工作面采出率，保障了地表沟谷径流条件下煤层高效开采。附图说明图1为本专利技术地层产状、开采阶段划分示意图；图2为本专利技术工艺流程图；图3为本专利技术工作面三阶段划分原理图；图4-A、图4-B为第二阶段顶板力学模型示意图；图5为本专利技术工作面布置图；图6为本专利技术充填系统组成示意图；图6-A为地面充填材料混装系统示意图；图6-B为充填材料制备系统示意图；图6-C为工作面充填系统示意图；图7为本专利技术充填专用式液压支架架型及充填工艺示意图；图7-A为充填专用式液压支架(普通回采工作状态)；图7-B为充填专用式液压支架(充填工作状态)；图7-C为第二阶段充填专用式液压支架第N步工艺示意图(充料中)；图7-D为第二阶段充填专用式液压支架第N步工艺示意图(充料结束后)；图7-E为第二阶段充填专用式液压支架第N+1步工艺示意图(充料中)。附图标记说明：1-充填材料制备混装站；2-运输系统；3-井下刮板上料机；4-井下充填料浆制备机；5-井下输送泵；6-充填输送管；7-加筋纤维柔模充填袋；8-充填接口；9-回风巷道；10-进风巷道；11-采煤机；12-刮板输送机；13-充填专用式液压支架；14-一般支撑掩护式支架；15-金属网；16-充填操作台；17-立柱；18-尾梁；19-顶梁。具体实施方式下面结合附图和实施例对专利技术作进一步的详细说明，但并不作为对专利技术做任何限制的依据。如图2所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，包括：/n根据矿区工程地质与开采技术基础资料，确定综合机械化工作面导水裂隙带高度，利用类比法或大井法预测最大、最小涌水量，并对隔水层破坏程度及突水危险性进行预测；/n依据综采工作面数值仿真结果，确定过沟谷前最近局部充填开采、过沟谷后正常开采位置，采用地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，间隔布置柔模垛式充填体，确定局部充填开采条件下充填关键技术参数；/n根据工作面实时涌水量、地下水长观测孔水位、地表裂隙分布特征观测结果，实施地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，阶段划分为A、B、C距离及充填关键技术参数优化调整；/n重复地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，直至完成整个地表沟谷径流条件下煤层安全高效开采。/n

【技术特征摘要】
1.一种地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，包括：
根据矿区工程地质与开采技术基础资料，确定综合机械化工作面导水裂隙带高度，利用类比法或大井法预测最大、最小涌水量，并对隔水层破坏程度及突水危险性进行预测；
依据综采工作面数值仿真结果，确定过沟谷前最近局部充填开采、过沟谷后正常开采位置，采用地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，间隔布置柔模垛式充填体，确定局部充填开采条件下充填关键技术参数；
根据工作面实时涌水量、地下水长观测孔水位、地表裂隙分布特征观测结果，实施地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，阶段划分为A、B、C距离及充填关键技术参数优化调整；
重复地表沟谷径流下煤层三段式局部充填减损开采方案，直至完成整个地表沟谷径流条件下煤层安全高效开采。


2.根据权利要求1所述的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，矿区工程地质与开采技术基础资料包括沟谷径流下地表沟谷深度、隔水土层厚度、矿井水文地质与开采技术条件和工作面综合柱状基础资料。


3.根据权利要求1所述的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，导水裂隙带高度计算如下：



式中，∑M为工作面累计采高。


4.根据权利要求1所述的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，大井法工作面涌水量计算如下：



式中，K为渗透系数；Hs为水柱高度；h为水位至隔水层水柱高度；M为水位高度；R0为“大井”影响半径；r0为“大井”半径。


5.根据权利要求1所述的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，对隔水层破坏程度及突水危险性进行预测为：导水裂隙带发育高度达到红土隔水层，破坏隔水层岩层，当工作面正常回采至地表沟谷径流位置时将造成工作面涌水量剧增，具有强突水危险性，必须采取留设煤柱或充填减损开采的方法。


6.根据权利要求1所述的地表沟谷径流下煤层局部充填减损开采方法，其特征在于，局部充填开采条件下充填关键技术参数包括采空区垛式充填体强度、尺寸和间排距。


7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：高喜才，马腾飞，张锡琛，刘帅，肖江，刘洋，袁博迪，徐自豪，王克玄，张成，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61