专利名称：确定工作面尤其是硬煤层中的工作面之最优定向方法
技术领域：
本发明涉及一种在具有构造应力的沉积层中，尤其是在硬煤层中采煤工作面的设计方法，这种方法是通过确定开采方向、开采长度、开采速度和开采顺序来实现的，从而能根据矿体中构造断层及已被发现的各个地质断层的倾向、走向、落差，以及构造能的形式来确定采煤工作面的位置，在岩层中由构造能引起的解集、破碎和压裂并受此影响的矿体移动都被用作设计工具和用来确定要被开采的矿层体。
在WO 95/14155中描述了一种这种类型的方法。在这种方法中，在对矿层部分进行预测过程中考虑了矿层形成时所发生的构造力学过程。这是因为当形成矿层时，会产生构造力的连接，这里的矿层是工作面设计的对象，可以把这些构造力连接用作工作面设计的工具，因此，能获得更精确的有关地质构造的形式和特性的数据，从而能改善用于工作面设计的工具，也改进了相关的揭煤及开采工作的设计过程。因此，在这种已知的方法中，对于工作面设计来说，已经可以获得大型构造和小型构造或原始断层和后形成的断层之间的相互连接。在这个过程中，由于考虑了构造力学过程，因而能更快地给出这样的信息，如已知断层落差在走向上或其它方向上是保持不变，还是增大或减小。因此，利用这种已有的方法，已经能确定已知断层在走向和倾向上变化的大小，并从这些变化中可得出如何设计工作面的结论；对于获得关于断层是如何断开的数据并以之作为岩层倾向的一个函数，即褶皱状态的函数是可能的，并依此调整采煤工作面。因此，用这种方法已经能够获得更精确的关于大型和小型构造的形式和特性的数据，工作面设计工具和工作面设计本身已经成为一些旨在改进的措施的对象。
就在矿体中采煤工作面的定向而言，设计的可靠性虽然已得到提高，但是在开采恰在岩层附近的煤层的过程中又产生了其它的问题。煤层就在岩层附近，会导致工作地点产出量的下降，甚至会导致不得不放弃这个开采盘区。
于是，本发明的目的是提高总体设计方法中设计工具的预测能力。
这个问题的解决方案，包括其优点及本发明的进一步改进可从说明书后面的权利要求书中看出。
本发明的基本构思是，根据已知的和预知的矿层冲蚀(seamoutwashes)的走向、走向长度，并考虑褶皱能和构造机械能所引起的构造力作用，进而在矿体内设计出采煤工作面。
术语“矿层冲蚀”是指矿层中的不规则性，其包括矿层贫化、填砂、矿层汇接、分裂矿层、矿层中的透镜状夹层、侵蚀沟槽矿层的填入及一般的矿层侵蚀。在开采过程中，矿层冲蚀会带来诸多问题，如由于紧邻岩层而造成采出的煤炭中尾矿数量的增加，冒顶倾向更大，从而导致“支护问题”，而且开采机械上的开采工具磨损得很厉害，在一些地方还不得不把机采换成炮采。此外，矿层冲蚀还还导致任意相同的产出煤中，尾矿数量增大，从而导致地面上的矸石山更高。而且，如果在同一矿井中，非要产出相同的煤炭，那么矿层冲蚀训导致需另外开辟工作地点，以获得更高的回采率或需花预算外的投资来开掘另外的采煤工作面，这样就不可能按原来设计的开采顺序来进行开采了。
本发明的主要优点是，在大部分情况下都能避免上面所提到的困难。采取在工作面走向上绕过相对严重的矿层冲蚀和/或绕过常出现矿层冲蚀的地点，从而避免了上述困难。
在本发明的一个实施例中，确定出大规模的矿层位移和/或位移区域的位置，确定时考虑了矿层中固有的等距离，当开拓矿层冲蚀时，在距此少于300米外确定出矿层冲蚀的走向，并使之与在能量流动方向上的位移和/或区域成一个比例。
原则上，岩层被较大的大致平行的位移区域以特写的间隔分隔开，这个区域在附近的路径延伸很长的距离。在这个过程中，在这个位移上发生了更大的或更小的岩体移动。依靠岩层的倾向和所加入的构造能以及局部的破碎，在位移区域的范围内，在构造力作用过程中了断层，这种断层在从微小的剪切到落差大于100米的大断层。
在多数情况下，大位移区域都开始或终止于大的背斜与大的断层交叉处的区域。如果当已存在一些大断层时，背斜仍然向上皱起，那么在隆皱过程中，在断层的上面就产生解集(disaggregations)，而在断层的下面产生破碎。此时如果背斜轴线相互间在断层两侧不是正相对，那么就不会交互发生解集和破碎，而会并排地发生岩体顺差和逆差。这种岩体的逆差和顺差被材料在位移上的移动来调整。除了大位移区域外，有可能存在具有其它走向的位移区域。这种区域有一特定的走向，于是，这种走向方向是主导走向，并一个接一个和并排地延伸很长的距离。作为一个规律，这种主要的位移产生于大背斜层与落差大于200米的大断层的交叉处，走向纵向上的位移和/或位移区域大约垂直于走向，主要发生在主导位移和/或位移区域与大断层的交叉处，并在落差大于200米的鲁尔石炭纪中向西倾斜。
在这个例子中，应当注意，当设计采煤工作面时，处于与主导位移和/或位移区域交叉的大断层会明显地改变走向，这种走向的改变得在构造作用期间，在断层的底板发生相对大的解集，在顶板发生破碎。由于在位移上发生岩体移动，借助于偏转的褶皱能，解集被合闭起来，这也适用于鲁尔石炭纪中向西倾斜的大断层底板上的解集。另一岩体移动可以在第二位移上发生，这第二位移需要关闭那儿的解集；在更大的解集区域里，如果材料和移动仅发生在一个位移区域，那么用于调整解集的能耗会更大。
很大的大体平行的位移区域或位移以特定的间隔划分岩石，位移区域沿着相邻路径延伸相对长的距离。这种岩石的划分产生一个延伸区域，这个延伸区域具有一系列断层，在其它不太明确的矿层中，可以认为也存在这些断层。这系列断层是根据信移区域的等距离而形成的，因此，在鲁尔石炭纪，在东西走向的大的主要位移之间的距离大约为5.2Km。这种大的主要位移是潜在的，并且在这种情况下，通常是弱区域。而且，位移区域或位移位于这些弱区域之间，间隔都为0.8至1.5Km，这取决于褶皱能的衰减情况。
相对大的大体平行的位移区域或位移将岩石以特定的间隔划分，这种划分会影响褶皱能和反压。这些褶皱能和反压被位移偏转。当褶皱能通过宽工作面到达岩层时，并列的能量偏转与加入的能量和越来越大的反压有关。因此，其它构造断层的形成被影响，根据定律，这种影响是构造力作用的一种函数关系。于是，位于相对大的位移区域或位移区域内的断层通常具有更小的落差或损坏。断层或损坏是来自两侧，位于邻近位移的区域和/或又从这里开始的区域。这特别适用于那些下落距在100米以下的相对小的断层；断层的走向也发生改变。这些同样适用于逆掩断层。在构造力作用内，根据这些交叉点，位于位移区域之间的断层都会有相对大的落差。岩石一层一层地被加入，使得在这种区域内，小型构造断层上的移动的可能性是有限的。
在褶皱能衰减后，矿层内的主要位移和/或位移区域的走向朝向大的背斜和逆掩断层区域。更大的隆皱和/或逆掩断层的大小是与构造能的衰减情况相联系的。因此，在能量流动方向上，不同大小的能量并列地形成，较大的能量在较低能量方向上对角地偏转。在这个方向(走向)上产生剪切断层，这些剪切断层是形成和产生位移的原因，尤其是在构造力作用过程中。剪切断层是在早期形成的，它们能被看作岩石的征兆。
如果具有东西走向的主要位移和/或位移区域与背斜和/或逆掩断层区域相会，那么就会由于它们的隆皱和逆掩断层的大小而产生具有南北走向的主要位移和/或位移区域，来自两个系统的剪切断层在能量流动方向上从背斜和逆掩断层区域相互叠加。从而造成具有南北走向的位移和/或位移区域。
矿层冲蚀的走向之间的差别对于采煤工作面的设计是非常重要的，这种走向的差别一般是一次又一次地出现，矿层冲蚀在早期阶段形成，后来形成的断层是在后期形成的。这种走向上的不同可以通过材料在相反方向朝位移区域的剪切断层的移动来解释，矿层冲蚀和后来形成的断层的走向平行于位移区域的走向，或者是这些走向方向一起形成一个约30哥恩(gon)的角，这适用于鲁尔石炭纪；然而，这个在相反方向上的角顶点表示岩体在剪切断层的两边上的移动方向相反。因此，首先，(已在沉积期间)岩体的移动已存在于总的走向上，，后来垂直于后者；仍有弹性岩体有向东和西移动，后来(固化到一定程度后)又向北移动。沉积岩的偏转垂直于最大的水平岩石应力，对于鲁尔石炭纪，这个方向是南南东—北北西，这个偏转对于鲁尔石炭纪中的矿层冲蚀的走向是很重要的，这样，就在位移和/或弱区域上产生移动，这种移动的方向与后来的移动方向相反，从而决定了矿层冲蚀的走向。
矿层冲蚀是根据本发明的一个实施例来预测的，预测时考虑了上面提到的各方面，在每种情况下，把采煤工作面的开采方向确定为与预测的矿层冲蚀相平行。
根据本发明的一个实施例，产生另一种预测矿层冲蚀的形式的方法是根据与存在的逆掩断层之间的联系来进行的。两个逆掩断层可能在切断总体走向或相同方向上的狭窄段的直线上发生破碎，在这种情况下，当设计采煤工作面的方向时，必须也包括矿层冲蚀，该矿层冲蚀的走向在该直线方向上或在狭窄段上。这成其适用于这样的矿层侵蚀，即这种矿层侵蚀起始于朝南的逆掩断层的破碎区域，并且在逆掩断层前约400米发生破碎，这个逆掩断层位于它的北面。后来的能量差在构造力作用中有早期的影响，如果具有东西走向的位移或具有南北走向的位移在向北面的相同区域上发生破碎，那么就会有相似的情况。而且，褶皱和夹层的破碎是非常重要的，因为在每种情况中，在设计中都必须考虑南北走向的破碎区域矿层冲蚀的北面的情况，作为东部破碎区域内东西走向的矿层冲蚀。
此外，在设计采煤工作面时，必须考虑落差大于10米的且倾向和走向大致平行的两个逆掩断层之间的交叉线。在这种情况下，如果逆掩断层之间的垂直于分层的距离小于800米，那么岩层中的应力就会叠加，就鲁尔石炭纪而言，这800米的距离是非常重要的，因为在一些鲁尔石炭纪区域，这个距离是大型构造逆掩断层之间的一个非常重要的间隔。
此外，在采煤工作面的方向设计过程中，必须考虑在逆掩断层的顶板上与分层的垂直距离达到约400米的矿层冲蚀；这里，矿层冲蚀平行于逆掩断层延伸。在这种情况下，逆掩断层位于大背斜系统的北面和南面并朝南和北倾斜，这是一个重要的因素；此处，随后的应力将会相对小，因为在构造力作用中的应力分配会因早期可能的弱区域而形成一个空间，矿层冲蚀就在这个空间内形成。
在构造力作用期间，逆掩断层的顶板区域受到源于矿层滑移的应力影响。这与同一地层水平内的逆掩断层上的落差变化相关。在这种情况下，矿层滑移给具有矿层冲蚀的区域造成更大的破坏，因此，在本发明的一个实施例中，设计采煤工作面时，已规定减小巷道内的支架之间的距离，减小在工作面区域内架设支架的延迟。
此外，在本发明的一个实施例中，矿层的岩相是非常重要的。厚的砂岩层嵌入矿层一个短距离，表示沉积层靠近采煤工作面，并且在该区域内，构造移动会更小一些；不曾发生与在弱区域上的移动相联系的矿层冲蚀。在这种情况下，设计采煤工作面就不需要考虑矿层冲蚀。然而，必须采取措施调整工作面以开采较薄的煤层，同时较大范围的调整工作面支护，并使用合适的开采设备。在这种情况下，根据本发明的一个实施例，借助以前在狭窄的钻网中的沉孔，确定矿层的最小厚度，然后调整工作面支护和开采设备，使其达到已确定的值，这是可行的。
为实现本发明中的各个实施例，单独考虑和结合起来考虑以上的说明书、权利要求书和摘要都是非常重要的。
权利要求
1.在构造应力的沉积矿层中，尤其是在硬煤层中采煤工作面操作的设计方法，通过确定出开采方向、开采长度、开采速度和开采顺序确定采煤工作面的位置，把矿体中的构造断层和各个已被发现的各个地质断层的倾向、走向，和落差以及因构造能引起的岩石内的褶皱能的形式、解集、破碎和挤压及由此所引起的构造岩体的移动都作为一种设计工具，以决定把要开拓和开采的矿体作为工作面，其特征在于矿层中的采煤工作面开采方向是根据已知的和预知的矿层冲蚀的走向、走向长度和宽度，并考虑因褶皱能和构造力作用引起的构造力作用而确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于确定出大规模位移和/或位移区域的位置，同时考虑矿层中固有的等距离，并且当在距该位置的距离小于300米处开拓矿层冲蚀时，就确定矿层冲蚀的走向，并使之与位移和/或位移区域在能量流动方向上成一个比例。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于通过矿层冲蚀及位移和/或位移区域的走向线之间的一已知角模式，预测矿层冲蚀的位置处于位移和/或位移区域的另一个走向的已知角上，把开采方向确定为平行于预定的矿层冲蚀。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于根据矿层冲蚀和位移和/或位移区域走向上已知的平行模式，预测矿层冲蚀的位置平行于位移和/或位移区域的另一个走向，并把开采方向确定为平行预测的矿层冲蚀。
5.根据权利要求1至4之一的所述方法，其特征在于根据在大规模位移和/或位移区域模式中的已知的或预测的中断，预测已知的或预测的矿层冲蚀的模式处于位移和/或位移区域的走向方向上，并把开采方向确定为平行于预测的矿层冲蚀。
6.根据权利要求1至5之一的所述方法，其特征在于如果得知矿层冲蚀处于一逆掩断层的顶板区域内，且预测顶板区域的走向平行于这个逆掩断层，那么就应打钻孔和/或采取超声波探测，以进一步弄清矿层体与距逆掩断层达400米的分层之间的垂直距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于当同一地层水平内的逆掩断层的尺寸大小有变化时，工作面开采设计应使巷道区域内的支架之间的距离更短一些，应减小架设支架的迟延时间。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于当在倾向和走向大致平行的两个逆掩断层之间有一小于800米的垂直于分层的距离对于大部分工作面的设计都应排除具有已知的和/或预测的矿层冲蚀的区域。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于当存在一个褶皱破碎，它大致横切能量供给方向，具有已知或预测的矿层冲蚀并位于褶皱能量阴影中的区域应排除在大部分工作面设计之外。
10.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于当存在一个褶皱破碎，它大致横切能量供给方向，在具有已知的和/或预测的矿层冲蚀的褶皱能量阴影区域中，应设计产出量小一些的工作面。
11.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于当存在一个褶皱破碎，该褶皱破碎大致横切能量供给方向，那么对于具有已知的和/或预测的矿层冲蚀的能量阴影内的区域而言，把开采方向确定在矿层冲蚀的走向方向上。
12.根据权利要求1至11之一的方法，其特征在于如果距离矿层一个短距离的地方存在一厚层的砂岩，那么设计工作面开采时就不需采取措施来预测矿层冲蚀，但是必须提供更大范围的调整工作面支护和调整合适的开采设备的措施，以调整对薄矿层的工作面开采。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于借助于在一狭窄的钻网内超前钻孔，确定被发现的最小的矿层的厚度，并根据所确定的值来调整工作面支护和开采设备。
全文摘要
本发明的目的是在具有构造应力的沉积层,如硬煤层中,工作面开采操作设计的方法的可靠性通过确定开采方向、开采长度、开采速度及开采顺序来提高。为此,应根据与褶皱能及构造能相关的构造力作用,按照矿层体已探测到的矿层侵蚀及设计的矿层侵蚀的走向、走向长度和宽度来确定开采操作的方向。
文档编号E21C41/16GK1207155SQ96199490
公开日1999年2月3日 申请日期1996年11月7日 优先权日1995年11月13日
发明者W·艾尔哈德特, J·罗斯 申请人:鲁阿科勒股份公司