“五图-三带-两分区”保水采煤方法与流程

本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤层保水开采方法。

背景技术：

西北地区是中国煤炭资源的主要产区。然而，西北地区气候干旱，水资源短缺，仅占全国水资源的3.9％，土壤结构疏松，植被覆盖度低，风沙活动强烈，土地荒漠化严重。浅层地下水作为西北地区植被的重要水源，容易因煤炭开采而渗漏，使当地脆弱的生态环境进一步恶化。因此，在采煤的同时必须注重环境的保护，尤其是对水资源的保护。

保水采煤理念由上世纪末形成，经过多年的研究，保水采煤取得了一定的成效，初步形成了以保护生态水位为目标的保水采煤技术体系。然而，由于研究保水采煤的专家学者出身于采矿、力学与环境生态等不同专业领域，其研究方法与侧重点不同，最终对地下水受采动影响程度的评价标准与保水采煤方法的选择原则不同，因此，目前在保水采煤研究领域并没有一套全面、系统、规范的研究方法。

技术实现要素：

针对当前保水采煤研究领域中研究方法各异，侧重点不同的问题，本发明提供一种行之有效的“五图-三带-两分区”保水采煤方法，其资料收集更加具有目的性，计算流程更加科学，对地下水受采动影响程度的判定更加系统，对保水采煤方法适用性分析更加可信，整套方法流程更加规范。

“五图-三带-两分区”保水采煤方法，包括如下步骤：

步骤一：分析矿区工程与水文地质资料中的数据指标，数据指标包括覆岩岩性(泥岩、砂岩、砾岩等)、地层组合(基岩、隔水层和含水层的不同组合)、基岩厚度钻孔数据、含水层厚度钻孔数据、含水层渗透率、含水层钻孔单位涌水量、隔水层厚度钻孔数据、隔水能力(以隔水性评价系数判定，隔水性最好的黏土为1，其他岩性隔水性评价系数小于1)，煤层厚度钻孔数据；

步骤二：根据步骤一中的数据指标，确定覆岩类型分区图、基岩厚度等值线图、含水层富水性分区图、隔水层厚度等值线图、煤层厚度等值线图；

步骤三：根据覆岩类型分区图各分区覆岩岩性与地层组合关系，结合对于不同覆岩岩性和地层组合条件下垮落带、导水裂隙带发育规律，以及保护带留设原则，综合矿区垮落带和导水裂隙带发育高度钻孔实测数据，确定各分区垮落带高度导水裂隙带高度和保护带高度其中，M为采高，H_g为隔水层厚度，μ_g和μ_j分别为隔水层和基岩的隔水性评价系数，k_k、b_k、k_d、b_d和k_b为与矿区地质条件和煤层赋存情况有关的系数；

步骤四：结合各分区煤层全采条件下垮落带、导水裂隙带、保护带与基岩厚度、隔水层厚度的相对关系，将采煤对水资源的影响程度分为极严重影响区、严重影响区、中等影响区、微弱影响区和无影响区，具体步骤包括：

a.根据煤层厚度等值线图，将煤层厚度H_m作为采高M代入步骤三中所述的计算公式，得到煤层全采条件下垮落带高度导水裂隙带高度以及保护带高度

b.根据基岩厚度等值线图与隔水层厚度等值线图确定煤层与含水层之间的基岩厚度H_j和隔水层厚度H_g；

c.由各分区煤层全采条件下垮落带高度H_k、导水裂隙带高度H_d、保护带高度H_b与基岩厚度H_j、隔水层厚度H_g的相对关系，结合采动对地下水的影响程度分区判定标准，确定采煤对地下水影响程度的极严重影响区、严重影响区、中等影响区、微弱影响区和无影响区，具体为：

当煤层上覆基岩厚度+隔水层厚度<垮落带高度+保护带高度时，采煤会引发突水溃沙，定为采动对地下水影响程度的极严重影响区，即H_j+H_g<H_k+H_b划分为极严重影响区；

当垮落带高度+保护带高度≤煤层上覆基岩厚度+隔水层厚度≤导水裂隙带高度时，导水裂隙进入含水层，疏干含水层地下水，保护带仅能起到阻止溃沙的作用，定为采动对地下水影响程度的严重影响区，即H_k+H_b≤H_j+H_g≤H_d划分为严重影响区；

当导水裂隙带高度<煤层上覆基岩厚度+隔水层厚度<导水裂隙带高度+保护带高度时，采动覆岩导水裂隙与含水层之间仍存在一定厚度的完整岩层，但这层岩层又不能完全阻止含水层向下渗透，使部分水资源流失，将这种煤炭采动导致部分水资源流失的的区域定为采动对地下水影响程度的中等影响区，即H_d<H_j+H_g<H_d+H_b划分为中等影响区；

当煤层上覆基岩厚度+隔水层厚度≥导水裂隙带高度+保护带高度时，在煤炭开采后，导水裂隙与含水层之间存在足够厚且隔水性能良好的完整岩层，含水层水资源基本不会因煤炭开采而流失，定为采动对地下水影响程度的微弱影响区，即H_j+H_g≥H_d+H_b划分为微弱影响区；

当无含水层分布，或含水层厚度较小，无生态价值和供水意义时，该区域确定为采动对地下水影响程度的无影响区；

在“五图-三带-两分区”保水采煤方法的研究中发现，保水采煤对地下水采动影响的实质是根据采动覆岩破坏程度与破坏高度是否波及含水层而定，将采动覆岩垮落带、导水裂隙带发育高度，以及保水采煤保护带高度等“三带”与基岩和隔水层厚度之间的大小关系作为地下水受采动影响程度的主要判定依据，概念直观且更加易于理解，所依据的“三带”概念和理论为《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》所认可，具有理论依据，而且判定所需要的“三带”高度与基岩和隔水层厚度等数据的实验方法和探测手段较为成熟，判定方法实用性强，判定实施仅需比较“三带”高度与基岩和隔水层厚度等数据的大小关系，操作简便，易于接受和推广；

步骤五：分析限高保水采煤技术、充填保水采煤技术和局部充填保水采煤技术的适用条件，结合步骤三中确定的各分区垮落带高度、导水裂隙带高度和保护带高度的计算公式，对三种保水采煤技术的适用区域进行划分。

步骤二中，根据覆岩岩性与地层组合关系得到覆岩类型分区图，根据基岩厚度钻孔数据得到基岩厚度等值线图，根据含水层厚度、渗透率与单位涌水量得到含水层富水性分区图，根据隔水层厚度与隔水能力进行折算得到隔水层厚度等值线图，根据煤层厚度钻孔数据得到煤层厚度等值线图。

步骤五中，限高保水采煤技术适用条件为M_c≥M_k，其中，M_c为理论最大允许采高，即在保证实现保水采煤前提下的采高最大值，与矿区工程与水文地质条件和煤层赋存状况有关，M_k为煤层最小经济可采高度，即在保证煤矿能够盈利前提下的采高最大值，与矿区工程与水文地质条件、煤层赋存状况、煤矿技术装备水平和煤炭市场经济情况有关；充填保水采煤技术适用条件为H_m(1-k)≤M_c，其中，H_m为煤层实际厚度，k为煤层全充的充填率；局部充填保水采煤技术适用条件为(H_j+H_g-H_b)/H_d≥l，其中，H_j为煤层与含水层之间的基岩厚度，H_g为隔水层厚度，H_b和H_d分别为煤层全采(即采高为H_m)条件下的保护带高度和导水裂隙带高度，l为正常回采地段导水裂隙带高度与工作面开切眼和基本顶初次来压区域导水裂隙带高度之比。

由导水裂隙带高度计算公式得到其反函数若要实现保水采煤，采动对地下水影响程度应控制在微弱影响区，即H_j+H_g≥H_d+H_b，取临界条件，则有代入公式得到保水采煤条件下理论最大允许采高：

其中，W₁＝100μ_g-μ_gk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b，W₂＝100μ_j-μ_jk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b。

另外，对于一些中小规模矿井(小于0.9Mt/a)或矿区存在不规则矿区边界的，可以考虑采用窄条带保水开采，依据“五图”信息数据，将需要开采的煤层划分为条带形状，采一条、留一条，留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层，使上覆岩层发生相对于全采比较轻微的、均匀的移动和变形，从而保护隔水层结构不会因采动破坏，实现保水采煤。

有益效果：本发明提供一种行之有效的“五图-三带-两分区”保水采煤方法，资料收集更加具有目的性，计算流程更加科学，对地下水受采动影响程度的判定更加系统，对保水采煤方法适用性分析更加可信，整套方法流程更加规范，实用性强，而且操作简便，易于理解和推广。

附图说明

图1是本发明所述流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

1)根据作为实施例的矿区的工程与水文地质资料中的数据指标，确定“五图”：根据覆岩岩性与地层组合关系得到覆岩类型分区图，根据钻孔数据得到基岩厚度等值线图，根据含水层厚度、渗透率与涌水量得到含水层富水性分区图，根据隔水层厚度与隔水能力进行折算得到隔水层厚度等值线图，根据钻孔数据得到煤层厚度等值线图；

2)根据基岩厚度等值线图、隔水层厚度等值线图和煤层厚度等值线图确定本矿区基岩厚度为H_j，隔水层厚度为H_g，煤层厚度为H_m；

3)根据覆岩类型分区图各分区覆岩岩性与地层组合关系，结合对于不同覆岩岩性和地层组合条件下垮落带、导水裂隙带发育规律，以及保护带留设原则，综合本矿区和类似地质条件下其他矿区的垮落带和导水裂隙带发育高度钻孔实测数据，确定各分区垮落带高度计算公式导水裂隙带高度计算公式和保护带高度计算公式其中，M为采高，H_g为隔水层厚度，μ_g和μ_j分别为隔水层和基岩的隔水性评价系数，k_k、b_k、k_d、b_d和k_b为与矿区地质条件和煤层赋存情况有关的系数；

4)本矿区隔水层厚度为H_g，煤层厚度为H_m。令H_g＝H_g，M＝H_m，代入上述计算公式，得到本矿区煤层全采条件下垮落带高度导水裂隙带高度以及保护带高度

5)确定采动对地下水的影响程度分区。由以上步骤，确定本矿区煤层全采条件下垮落带高度H_k、导水裂隙带高度H_d、保护带高度H_b与基岩厚度H_j、隔水层厚度H_g的相对关系，结合采动对地下水的影响程度分区判定标准，确定采煤对地下水影响程度的极严重影响区、严重影响区、中等影响区、微弱影响区和无影响区五区；

采动对地下水的影响程度分区判定标准

6)确定保水采煤技术适用性分区，以限高保水采煤技术、充填保水采煤技术、局部充填保水采煤技术和窄条带保水采煤技术为例，其步骤包括：

a.限高开采保水采煤技术是通过限制工作面煤层实际采出高度，以部分开采的方式来减小覆岩移动变形量，从而实现保水开采的采煤方法，

①由导水裂隙带高度计算公式得到其反函数

②若要实现保水采煤，采动对地下水影响程度应控制在微弱影响区，即H_j+H_g≥H_d+H_b，针对本矿区，取临界条件，则有代入公式得到保水采煤条件下理论最大允许采高：

其中，W₁＝100μ_g-μ_gk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b，W₂＝100μ_j-μ_jk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b；

③根据矿区工程与水文地质条件、煤层赋存状况、煤矿技术装备水平和煤炭市场经济情况，确定本矿区煤层最小经济可采高度M_k，若M_c≥M_k，则可以采用限高保水采煤技术，限制采高为M_c。

b.充填开采保水采煤技术是以充填体置换出煤体并代替煤体支撑顶板，以达到控制上覆岩层移动和变形，保护隔水层不受采动影响，从而实现保水开采的采煤方法，

①由覆岩活动稳定之后充填体的压时体积与开采空间体积之比得到煤层全充的充填率k，则煤层全采全充条件下等效采高为H_m(1-k)，其中，H_m为煤层厚度；

②由导水裂隙带高度计算公式得到其反函数

③若要实现保水采煤，采动对地下水影响程度应控制在微弱影响区，即H_j+H_g≥H_d+H_b。针对本矿区，取临界条件，则有代入公式得到保水采煤条件下理论最大允许采高：

其中，W₁＝100μ_g-μ_gk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b，W₂＝100μ_j-μ_jk_dH_j-μ_gk_dH_g+b_dk_b；

⑤在等效采高不大于理论最大允许采高，即H_m(1-k)≤M_c的情况下，可以采用充填保水采煤技术，最小充填高度为(H_m-M_c)/k。

c.正常回采地段导水裂隙带高度比工作面开切眼和基本顶初次来压区域低。局部充填保水采煤技术是通过对工作面开切眼和基本顶初次来压区域进行充填以降低导水裂隙带高度的保水采煤技术，

①由矿区实测数据得到正常回采地段导水裂隙带高度与工作面开切眼和基本顶初次来压区域导水裂隙带高度之比l(0＜l＜1)；

②若要实现保水采煤，采动对地下水影响程度应控制在微弱影响区，即H_j+H_g≥H_d+H_b，取临界条件，则有令M＝H_m，代入上式，得到本矿区实现保水采煤前提条件下，导水裂隙带发育高度最大值

③当本矿区实现保水采煤前提条件下，导水裂隙带发育高度最大值与煤层全采条件下导水裂隙带高度之比不小于l，即的情况下，可以采用局部充填保水采煤技术。

d.窄条带开采是将要开采的煤层区域划分为条带形状，采一条、留一条。留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层，使上覆岩层发生相对于全采比较轻微的、均匀的移动和变形，从而保护隔水层结构不会因采动破坏，实现保水采煤，

①由于支撑覆岩的条带煤柱存在年久失效的问题，采空区存在安全隐患。因此，在煤层较薄，开采规模较小(小于0.9Mt/a)的矿区，可以考虑采用窄条带开采；

②由于窄条带开采工作面布置灵活，若矿区存在不规则边界，可以在边界区域采用窄条带开采。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。