一种深部煤层的开采方法
【专利摘要】本发明公开了一种深部煤层的开采方法，包括：在待采煤层中确定保护煤柱，并将所述保护煤柱作为受保护区；对所述受保护区的左、右两侧分别进行开采，在所述受保护区的左侧形成第一采空区，在所述受保护区的右侧形成第二采空区，所述第一采空区和第二采空区沿工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍，形成第一采空区的工作面之间以及形成第二采空区的工作面之间均采用无煤柱的巷道布置方式；对所述受保护区进行开采，所述第一采空区和第二采空区由于所述受保护区被开采而贯通。采用本发明的方法，开采所述受保护区后，实现地表均匀下沉，并最终呈现近水平状态，可以有效保护地表建筑。
【专利说明】一种深部煤层的开采方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种可以避免破坏地表建筑物的深部煤层的开采方法。
【背景技术】
[0002]国内煤矿开采目前已逐渐向深部开采(例如开采煤层的深度大于400m)发展，随着开采深度的增大，矿井开采环境与浅部开采相比发生明显改变，传统的岩层控制理论与技术不能适应深部开采。在地表沉陷方面，深部开采地表沉陷特征与浅部开采存在明显差异。
[0003]现有的相关文献通过理论与实验分析认为，随着煤矿开采深度的增加，在采宽相同时，深部开采中的地表各项移动变形值均小于浅部开采，对上覆岩层局部及地表起控制作用的关键层增多，影响了深部开采中的地表沉陷。但是，深部的煤岩体在高应力作用下，远离工作面的煤柱出现不同程度的压缩变形，是深部开采地表沉陷的特殊组成部分，导致深部开采引起的地表影响范围及岩层内部移动边界线大于浅部。
[0004]结合国内目前的现状，在深部开采时，工作面之间通常留设护巷煤柱，单个工作面的倾向长度(也称为工作面宽度)多介于100?200m之间，尽管一般工作面沿其走向上开采范围(也称为工作面长度)可以达到充分采动尺寸，但由于开采深度多超过400m，所以在其倾向上一般都达不到充分采动，甚至是极不充分采动。在这种情况下，单个工作面回采期间上覆岩层内部破坏达不到充分采动情况下的最大破坏高度，地表下沉达不到最大值。当多个工作面陆续开采后，如留设尺寸相对较小的煤柱，当采空区达到一定范围后，护巷煤柱失稳，并造成地表出现波状下沉；而留设较宽的煤柱，虽能有效控制地表沉陷，但势必丢掉大量的煤炭资源。
[0005]到目前，我国不包括村庄在内，仅城镇、建筑物下压煤达78多亿吨。压煤开采困难重重，主要表现在两个方面:一是建筑物下压煤量大且面积广；二是随着矿区的进一步发展，矿区范围内地表塌陷破坏严重，建筑物无处可搬迁。现有的条带开采虽然达到了保护底面建筑物的目的，但是采出率低，造成了资源大量浪费；另一方面，深部开采又是阶段性的非充分开采，地表移动变形相对较小，有利于地表房屋的保护，深部开采又是村庄下采煤的契机。为此，应该把握深部开采的特点，立足于创新，谋求全面解决村庄下深部压煤开采问题的技术途径。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深部煤层的采煤方法，以在提高深部煤层的采出率的同时，保护地表建筑物免受开采破坏。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种深部煤层的开采方法，包括以下步骤:
[0009]I)在待采煤层中确定保护煤柱，并将所述保护煤柱作为受保护区；
[0010]2)对所述受保护区的左、右两侧分别进行开采，在所述受保护区的左侧形成第一采空区，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的
0.6倍；在所述受保护区的右侧形成第二采空区，所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；形成第一采空区的工作面之间以及形成第二采空区的工作面之间均采用无煤柱的巷道布置方式；
[0011]3)对所述受保护区进行开采，所述第一采空区和第二采空区由于所述受保护区被开米而贯通。
[0012]根据本发明的方法，优选地，在开采形成所述第一采空区和第二采空区的过程中，轮流对形成第一采空区的工作面与形成第二采空区的工作面进行开采。
[0013]根据本发明的方法，优选地，所述相邻工作面之间的无煤柱的巷道布置方式为错层位内错式的巷道布置方式。
[0014]根据本发明的方法，优选地，形成第一采空区的工作面依次从左往右布置；形成第二采空区的工作面依次从右往左布置。
[0015]根据本发明的方法，优选地，所述受保护区与所述第一采空区的工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区左侧的巷道布置在所述第一采空区之下；所述受保护区与所述第二采空区的工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区右侧的巷道布置在所述第二采空区之下。
[0016]根据本发明的方法，优选地，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍，
[0017]根据本发明的方法，优选地，所述第一采空区与第二采空区沿工作面倾向的长度相等。
[0018]与现有技术相比，本发明的方法首先在受保护区两侧进行开采，两侧采空区相互独立，对覆岩的破坏及地表下沉量的影响相对较小，由于两侧的米空区内工作面之间米用无煤柱的搭接方式，在开采所述受保护区后，其两侧的采空区贯通，形成统一的采空区，对覆岩的破坏范围急剧增加，利用采空区逐步会形成连续且近水平的下沉这一特点，实现对地表建筑物等的保护，避免该区域出现较大的斜率，并且由于上覆岩层达到充分采动，地表可以较快达到最大下沉，避免了后续的变形隐患。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的受保护区与工作面布置的一种实施方式；
[0020]图2为本发明的无煤柱的巷道布置的示意图；
[0021]图3为所述受保护区与其两侧的工作面之间的巷道布置的一种实施方式。
【具体实施方式】
[0022]以下对本发明进行详细说明。
[0023]在深部煤层的开采中，由于煤层上覆岩层厚度增加，造成单个工作面对地表的影响较小甚至没有影响。实际开采中，单个工作面倾向的长度相对较短(比如100-200米)，并且工作面之间采用留煤柱设计，因此上覆岩层在沿工作面倾向上很难达到充分采动。虽然短时间内对地表不会造成特别大的影响，但是长期来看，最终将会造成地表的不连续下沉。[0024]研究发现，当相邻的工作面之间采用无煤柱的巷道布置方式时，接续工作面将与首采工作面形成一个整体，多个工作面之间体现出单一超长工作面的特点。同时，对于其上覆岩层的运动也出现不同影响。例如，在开采首采工作面时，假设其上覆岩层中导水裂隙带高度达到hl，当采用无煤柱的巷道布置方式布置接续工作面后，随着接续工作面开采范围的不断增加，上覆岩层的悬露步距也逐渐增大，当达到其断裂步距后发生断裂，导水裂隙带高度也上升为h2。因此，对于深部开采，采用无煤柱的巷道布置方式时，随着接续工作面个数的增加，在工作面倾向上，上覆岩层的采动情况经历了极不充分采动一非充分开采一充分开采一超充分开采，即当采空区沿工作面倾向长度较小时，上覆岩层不发生垮落或者仅部分岩层出现垮落与断裂，由于上覆岩层中关键层的支撑作用，地表基本处于零下沉状态(极不充分采动)；当采空区沿工作面倾斜长度增加到某种程度时，地表出现下沉(非充分采动)；当采空区沿工作面倾斜方向开采长度进一步增大到一定程度时，地表下沉达到最大(充分采动)，随后，随采空区沿工作面倾向长度的增加，造成地表沉陷范围的增大，而地表最大下沉值保持不变(超充分采动)，从而，在地表下沉部分的中部存在一段近水平的地表下沉，且地表下沉的近水平段的范围逐渐增大。
[0025]在本发明提供的深部煤层的开采方法中，步骤I)为在待采煤层中划分出保护煤柱，并将所述保护煤柱作为受保护区。在煤层开采中，比如为了保护地表的重要建筑物，使建筑物在其下压煤层的开采中不会出现倾斜或开裂等问题，需要在保护对象(例如建筑物)的下方的待采煤层中划分出一定的保护煤柱，使其周围煤炭的开采对保护对象不产生有危险性的移动和变形。所述保护煤柱的范围可以与《矿山开采沉陷学》(何国清，杨伦等编，徐州:中国矿业大学出版社，1991年)中第七章中所介绍的保护煤柱的留设范围的确定方法相同，或者还可以遵照国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(煤炭工业出版社，2000年)中所介绍的保护煤柱的留设范围的确定方法加以确定，以上保护煤柱的确定方法均为本领域所熟知，这里不再赘述。
[0026]根据本发明的方法，步骤2)为对所述受保护区的左、右两侧分别进行开采，在所述受保护区的左侧形成第一采空区，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；在所述受保护区的右侧形成第二采空区，所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；形成第一采空区的工作面之间以及形成第二采空区的工作面之间均采用无煤柱的巷道布置方式。本领域技术人员容易理解，在开采形成第一采空区以及第二采空区的过程中，设置的工作面的走向按照习惯是相同或者说是平行的，如图1所示，所述第一采空区I内布置了三个工作面，分别是1#工作面、2#工作面和3#工作面；所述第二采空区2内布置了三个工作面，分别是4#工作面、5#工作面和6#工作面；所述受保护区3位于7#工作面内。
[0027]进一步优选地，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.7倍；所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.7倍，以便在所述受保护区开采后形成的总采空区沿工作面倾向至少达到充分采动的程度(可达到超充分采动)，充分采动是指当采空区尺寸(工作面长度或宽度)相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时的采动称为充分采动，充分采动后地表最大下沉值不再增加。采动程度是否充分可依据经验公式:
[0028]SL= (1.2 ?1.4) H。判定，[0029]式中：2L，采空区内多个采用无煤柱的巷道布置方式的工作面的倾向长度之和， m ;1. 2?1. 4,地表下沉达到充分采动的经验系数；^,采空区上覆岩层的厚度,m。当2L≤(1.2?1.4)凡，达到充分采动；否则，未达到充分采动。更进一步优选地，所述第一采空区 和第二采空区沿工作面倾向均达到充分采动的程度，此时，所述受保护区两侧地表下沉可 达稳定状态，当开采所述受保护区后，更有利于所述受保护区上方地表的稳定下沉。最优选 地，所述第一采空区与第二采空区沿工作面倾向的长度相等，以使所述受保护区位于形成 的总采空区的中部位置。
[0030]在本发明中，所述相邻工作面之间的无煤柱的巷道布置方式包括错层位巷道布置 或沿空掘巷的巷道布置。
[0031]图2为相邻的1#工作面与2#工作面之间的无煤柱巷道布置示意图，图中a、b和 c分别是错层位巷道布置的内错式、重叠式和外错式巷道布置，即将工作面进风巷与回风巷 分别布置在煤层的不同层位。接续的2#工作面的上巷与已采的1#工作面的下巷布置在煤 层的不同层位，呈立体化搭接布置。图中d是完全沿空掘巷布置，接续的2#工作面的上巷 沿着已采的1#工作面的采空区布置。
[0032]无论是错层位巷道布置还是沿空掘巷布置，当接续的2#工作面回采时，其上覆岩 层的运动与已采的1#工作面的上覆岩层的运动形成整体，相当于增加了沿工作面倾向的 工作面长度。
[0033]在本发明中，所述相邻工作面之间的无煤柱的巷道布置方式优选为错层位内错式 的巷道布置方式，对于错层位巷道布置，其传统上适用于厚煤层开采，在应用于本发明的深 部开采时，当所述待采煤层的视厚度(煤层的视厚度=煤层真厚度/煤层倾角的余弦）小 于错层位巷道布置中错层的两个巷道的高度之和，所述错层的两个巷道可以采用半煤岩布 置，即部分巷道可以布置在岩层中，以实现两巷的重叠即可。
[0034]在本发明的一个优选实施方式中，在开采形成所述第一采空区和第二采空区的过 程中，轮流对形成第一采空区的工作面与形成第二采空区的工作面进行开采。例如，如图1 所示，首先开采完1#工作面，然后依次开采4#工作面、2#工作面、5#工作面、3#工作面和 6#工作面；或者首先开采完3#工作面，然后依次开采4#工作面、2#工作面、5#工作面、1# 工作面和6#工作面；又或者首先开采完6#工作面，然后依次开采3#工作面、5#工作面、2# 工作面、4#工作面和1#工作面，等等，这里不再一一列举。对于深部煤层开采，由于采深大， 表现在地表沉陷上，移动变形缓慢、周期长。采用轮流开采的方法，以使采空区有更充足的 时间出现移动、变形，同时使受保护区两侧受到的采动影响大体一致，例如采用错层位内错 式巷道布置，工作面之间完全取消了煤柱，采用轮流开采模式可使上一采空区稳定再进行 相邻的接续工作面的开采。
[0035]在本发明的一个优选实施方式中，在开采形成第一采空区的过程中，形成第一采 空区的多个工作面依次从左往右布置；在开采形成第二采空区的过程中，形成第二采空区 的多个工作面依次从右往左布置，即如图1所示，首先开采完1#工作面，然后依次开采6# 工作面、2#工作面、5#工作面、3#工作面和4#工作面，使得两个采空区逐步接近所述受保护 区，同时便于观察逐步扩大的采空区对受保护区的影响，避免受保护区过早产生较大的沉 陷或变形。
[0036]根据本发明的方法，步骤3)为对所述受保护区进行开采(例如参见图1，即开采7#工作面)，所述第一采空区和第二采空区由于所述受保护区开采而贯通，形成总采空区。由于所述第一采空区和第二采空区沿工作面倾向的长度均不小于其上覆岩层厚度的0.6倍，因此贯通后形成的总采空区沿工作面倾向的长度大于所述待采煤层的上覆岩层厚度的1.2倍，进而使所述总采空区至少达到充分采动，所述受保护区上方地表可以最大下沉而不会出现较大的斜率并且位于整个下沉区域的平底部分，这样如其上方设有建筑物也可以得到保护，避免了后续的变形隐患。
[0037]优选地，如图3所示，其中所述第一采空区I的3#工作面的右侧巷道5和所述第二采空区2的4#工作面的左侧巷道6均位于所述受保护区3的7#工作面之上。所述受保护区3与所述3#工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区3的左侧巷道4布置在所述第一采空区I之下；所述受保护区3与所述4#工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区3的右侧巷道7布置在所述第二采空区2之下，以使所述受保护区3两侧的受力更为均衡。
【权利要求】
1.一种深部煤层的开采方法，包括以下步骤: 1)在待采煤层中确定保护煤柱，并将所述保护煤柱作为受保护区； 2)对所述受保护区的左、右两侧分别进行开采，在所述受保护区的左侧形成第一采空区，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；在所述受保护区的右侧形成第二采空区，所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.6倍；形成第一采空区的工作面之间以及形成第二采空区的工作面之间均采用无煤柱的巷道布置方式； 3)对所述受保护区进行开采，所述第一采空区和第二采空区由于所述受保护区被开采而贯通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开采形成所述第一采空区和第二采空区的过程中，轮流对形成第一采空区的工作面与形成第二采空区的工作面进行开采。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相邻工作面之间的无煤柱的巷道布置方式为错层位内错式的巷道布置方式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，形成第一采空区的工作面依次从左往右布置；形成第二采空区的工作面依次从右往左布置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述受保护区与所述第一采空区的工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区左侧的巷道布置在所述第一采空区之下；所述受保护区与所述第二采空区的工作面之间采用错层位内错式的巷道布置，并且所述受保护区右侧的巷道布置在所述第二采空区之下。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.7倍；所述第二采空区沿其工作面倾向的长度不小于所述待采煤层的上覆岩层厚度的0.7倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一采空区与第二采空区沿工作面倾向的长度相等。
【文档编号】E21C41/16GK103758521SQ201410011077
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】王志强, 乔建永, 赵景礼 申请人:中国矿业大学(北京)