一种水源地中小煤矿用保水采煤方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种水源地中小煤矿用保 水采煤方法。

背景技术

陕北大煤田的“保水采煤”问题，从神府矿区开发之初，就引起了各 方面的关注。陕北地区总面积8.06×104km²，约占陕西省总面积的39.2％。 其中含有水域面积9.5×104hm²，占全省水域面积的24.5％。陕北地区的水 资源总量仅为陕西省的10.9％，人均水资源为849m³/人，是陕西省人均水 资源量的72％，全国人均水平的35％。由此可见，陕北地区的水资源量较 为贫乏。因而，陕北大煤田的“保水采煤”问题的重要性，多年来受到各 方面的重视。针对陕北煤层埋藏浅，地表存在沙漠型河流及耐旱植被的特 点，保水主要是保证宝贵且对植被的生长条件有利的潜水资源，阻止地表 荒漠化的进一步发展。以往大量的开采实践主要集中在大型、特大型矿井 的开采中，由于工作面超长，目前超长工作面已超过400m，推进距离长达 3Km～5Km，且采用全部垮落法处理顶板，长壁后退式推进，因而造成潜水 资源大量流失，其保水开采中结合煤层开采对覆岩破坏和阻水性变化情 形，工作面留设一定高度防水煤柱，并在煤层露头烧变岩带建立浅排水源 地的“保水采煤”效果并不理想。

条带开采是将要开采的煤层划分成比较正规的条带进行开采，且实际 开采时采一条，留一条，并利用保留的煤柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩 沉陷，控制地表的移动和变形，并达到地面保护目的的部分开采方法。从 条带的布置形式及开采方法上包括水砂充填条带、矸石充填条带、冒落条 带、分层冒落条带、近距煤层群条带、变采留比条带、不规则条带及古小 窑老空区下条带等。尽管条带开采采出率低、资源损失严重，但由于我国 矿区村庄密集，搬迁费用巨大，为解放村庄下压煤，条带开采作为一种减 少地表沉降的特殊采煤法，近几年各矿区都应用条带开采进行了建筑物下 采煤实践。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其设计合理、实现方便、可操作性强 且使用效果好，能有效解决现有水源地中小煤矿开采时存在的易造成潜水 资源大量流失、保水采煤效果较差等多种实际问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种水源地中小煤矿 用保水采煤方法，所开采煤矿为位于水源地的煤矿，其保水采煤开采方法 包括以下步骤：

步骤一、煤层位置确定：按照煤矿开采过程中所用的常规钻探地质编 录方法，对所开采煤矿进行钻探，并获得所开采煤矿的钻孔柱状图之后， 根据所述钻孔柱状图，确定所开采煤矿中所存在煤层的厚度和埋藏深度， 所述煤层的顶板由多个岩层组成且多个所述岩层由下至上逐层进行布设； 同时，根据所述钻孔柱状图分别确定所述顶板中多个岩层的厚度；

其中，多个所述岩层的数量为n个，n个所述岩层由下至上分别为第 一个岩层、第二个岩层...第n个岩层，且n个所述岩层的厚度由下至上分 别为h₁、h₂...h_n；

步骤二、开采参数确定，其确定过程如下：

201、顶板岩梁承受载荷确定，其确定过程包括以下步骤：

2011、顶板各岩层的岩石力学性质测试：按照常规的岩石力学性质测 试方法，分别对步骤一中多个所述岩层的岩石力学性质参数进行测试，测 试得出的各岩层的岩石力学性质参数，所述岩石力学性质参数包括容重、 抗拉强度和弹性模量；其中，测试得出的n个所述岩层的容重由下至上分 别为γ₁、γ₂…γ_n，n个所述岩层的弹性模量分别为E₁、E₂...E_n，n个所述岩 层的抗拉强度；

2012、顶板岩梁所承受载荷计算：

根据公式计算自第一个岩层起由下至上 布设的i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成的载荷，式中i＝1、2...n；

且计算i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成载荷的同时，对所 述自第一个岩层起由下至上布设的i+1个岩层对第一个岩层所形成的载荷 (q_i+1)₁与i个岩层对第一个岩层所形成的载荷(q_i)₁进行差值比较：当差值比较 得出(q_i+1)₁＜(q_i)₁时，说明第i+1个岩层与其下部的第i个岩层发生离层，此 时i＝m，且(q_m)₁为所述煤层的顶板岩梁所承受载荷，m为正整数且m＜n；

202、开采条带的宽度上限值确定，其确定过程包括以下步骤：

2021、将所述顶板岩梁简化为简支梁进行分析：且所述简支梁为均布 荷载作用下的简支梁；所述简支梁上任一点A处的正应力为式中M_x为所述简支梁上A处所在横截面上的弯矩，y为A处到所述简支梁 中性轴的距离，t为所述简支梁的厚度且t＝自第一个岩层起由下至上布设 的m个岩层的厚度之和；

2022、最大压正应力和最大拉正应力换算：所述简支梁的最大弯矩 M_max＝qL²/8，式中L为所述简支梁的横向长度；所述简支梁中部上侧外边 缘处所承受的压正应力为最大压正应力，所述简支梁中部下侧外边缘处所 承受的拉正应力为最大拉正应力，所述简支梁中部的下侧外边缘处和上侧 边缘处到所述简支梁中性轴的距离y均等于t/2，且所述最大压正应力和 最大拉正应力的数值相等且二者均等于

2023、顶板岩梁实际承受正应力计算：所述顶板岩梁实际承受的正应 力式中F为安全系数且F＝2～4，R_l为所述顶板岩梁的抗拉强度， 所述顶板岩梁由j个岩层组成且j≥1：当j＝1时，说明所述顶板岩梁为一 个岩层且R_l为该岩层的抗拉强度；当j＞1时，R_l为组成所述顶板岩梁的j 个岩层的抗拉强度平均值；

2024、宽度上限值换算：将步骤2023中计算得出的σ_e代入步骤2022 中的公式换算得出开采条带的宽度上限值式中q为 步骤201中计算得出的(q_m)₁；

203、煤柱宽度下限值确定，其确定过程如下：

2031、煤柱屈服区宽度计算：

根据公式计算得出煤柱屈服区宽 度r_p，式中M为煤柱高度且M＝所述煤层的平均高度，d为开采扰动因子 且d＝1.2～3.0，β为煤柱屈服区与弹性核区间分界面处的侧压系数且 β＝0.25～0.40，C为煤层与顶板接触面的粘聚力，为煤层与顶板接触面 的摩擦角，σ_zl为煤柱极限强度，P_x煤壁的侧向约束力其中M的单位为m， C、σ_zl和P_x的单位均为MPa；i为影响系数且i＝3～1.5；随着M的不断增 大，i不断减小；

2032、煤柱宽度下限值确定：根据步骤2031中计算得出的煤柱屈服 区宽度r_p，确定煤柱的宽度下限值D_min＝2r_p+r₀，其中r₀为煤柱弹性核区宽度 的最小值且r₀＝0.1m～1m；

步骤三、开采方案确定：根据步骤2024中计算得出的L_max和步骤2032 中计算得出的D_min，确定条带法开采过程中的采留尺度，其中条带法开采 过程中所开采条带的宽度L₀≤L_max且所留煤柱的宽度D₀≥D_min；

步骤四、开采：按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采，且实际 开采过程中，每开采一个宽度为L₀的条带，留设一个宽度为D₀的煤柱。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤四中所述 的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采后，形成多个宽度为L₀的条 带采空区，且相邻两个所述条带采空区之间留设有一个宽度为D₀的条带煤 柱；且按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采后，还需由前至后用填 充料对多个所述条带采空区分别进行密实填充，并相应形成多个已填充 区；对多个所述条带采空区分别进行密实填充过程中，由前至后对相邻两 个所述已填充区之间的条带煤柱进行开采。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤四中所述 的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采过程中，在所述煤层上布置 多个采煤区段或多个采煤工作面，相邻两个采煤区段或相邻两个采煤工作 面之间通过留设有一个隔离煤柱；且开采结束后，每个采煤区段或每个采 煤工作面内均形成多个宽度为L₀的区内条带采空区，相邻两个所述区内条 带采空区之间留设有一个宽度为D₀的区内条带煤柱；

步骤三中所述确定条带法开采过程中的采留尺度时，还需对所述隔离 煤柱的宽度最小值进行确定，所述隔离煤柱包括中间隔水带和两个分别布 设在所述中间隔水带两侧的已开采工作面屈服区和现开采工作面屈服区， 且所述隔离煤柱的宽度最小值确定过程如下：

步骤I、中间隔水带宽度L₂₀计算：分别根据侧向静水压力煤柱宽度计 算公式或经验公式计算得出中间隔水带宽度 L₂₁和中间隔水带宽度L₂₂，式中K为安全系数且K＝2～5，M为所述煤层的 平均高度且其单位为m，P为测试得出的中间隔水带所承受的水头压力且 其单位为kgf/cm²，K_P为所述煤层中煤体的抗张强度且其单位为kgf/cm²，T_s为测试计算得出的突水系数；

之后，对计算得出的中间隔水带宽度L₂₁和中间隔水带宽度L₂₂进行差 值比较：当L₂₁≥L₂₂时，中间隔水带宽度L₂₀＝L₂₁；否则，中间隔水带宽度 L₂₀＝L₂₂；

步骤II、隔离煤柱宽度最小值L_min计算：

根据公式L_min＝L₁+L₂₀+L₃，计算得出所述隔离煤柱的宽度最小值，式 中L₁和L₃分别为已开采工作面屈服区宽度和现开采工作面屈服区宽度，且 L₁＝L₃＝步骤2032中计算得出的煤柱屈服区宽度r_p；

步骤四中按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采过程中，相邻两 个采煤区段或相邻两个采煤工作面之间所留设隔离煤柱的宽度L_i0≥L_min。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤2012中 所述的m＝1，且所述煤层的顶板岩梁为第一个岩层；步骤2021中t为第一 个岩层的厚度；步骤2022中L为第一个岩层的横向长度；步骤2023中 所述顶板岩梁为第一个岩层且R_l为第一个岩层的抗拉强度。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤四中所述 的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采之前，还需按照常规煤柱稳 定性分析方法，对采用步骤三中所确定的开采方案进行条带开采过程中所 留设煤柱的稳定性进行分析。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：所述常规煤柱 稳定性分析方法为相似材料模拟实验。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤2031中 M＝3m～8m。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤2032中 随着所述煤层的顶板稳定性逐渐减弱，r₀逐渐增大。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：步骤二中开采 参数确定之前，还需按常规煤层安全回采上限的确定方法，对所述煤层的 安全回采上限M_x进行计算，并根据计算结果判断是否能采用条带开采方法 对所述煤层进行开采：当所述煤层的平均高度M大于计算得出的安全回采 上限时，则进入步骤二且按条带开采方法对所述煤层进行开采；否则，按 长壁开采方法对所述煤层进行开采。

上述一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，其特征是：对所述煤层的 安全回采上限M_x进行计算时，根据公式式中5.1 为修正系数，n_x为所述煤层的分层层数，H₀为测试得出的所述煤层上方基 岩的平均高度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、实现方便且易于掌握。

2、设计合理，本发明在确保煤层上覆富含水层不受破坏的原则上， 按照材料力学简支梁理论计算开采条带的最大宽度；在保证煤柱长期稳定 性原则基础上，按照弹性力学中的极限平衡理论计算条带煤柱的最小尺 寸；按照弹性力学中的极限平衡理论计盘区间隔离煤柱的屈服区宽度，根 据侧向静水压力计算公式及经验校核式计算盘区间隔离煤柱的中间隔水 带宽度，最终确定盘区间隔离煤柱的合理宽度；通过计算最大开采条带宽 度和最小煤柱尺寸，将“围岩-煤柱群”作为一个整体进行相似材料模拟 分析，确定模拟实验中各岩层的配比，分析“围岩-煤柱群”系统的稳定 性，最终确定所提开采参数的合理性。

3、使用效果好且实用价值高，最终确定的开采方案合理，“保水采 煤”效果好，开采过程中不会造成潜水资源大量流失，且采出率较高。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理、实现方便且可操作性强、 使用效果好，所确定开采方案的保水采煤效果好，能有效解决现有水源地 中小煤矿开采时存在的易造成潜水资源大量流失、保水采煤效果较差等多 种实际问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明进行保水采煤时的方法流程框图。

图2为本发明第一具体实施方式中所开采中小型煤矿的钻孔柱状图。

图3为本发明第一具体实施方式中采用相似材料模拟实验对所选择条 带开采方案进行分析得出的煤层底板支承压力变化情况示意图。

图4为本发明第一具体实施方式中进行保水采煤所采用的条带开采状 态示意图。

图5为本发明第二具体实施方式中所开采中小型煤矿的钻孔柱状图。

附图标记说明：

1-条带煤柱；2-采空区域；3-采煤工作面；

4-未开采区域。

具体实施方式

如图1所示的一种水源地中小煤矿用保水采煤方法，所开采煤矿为位 于水源地的煤矿，且其保水采煤开采方法包括以下步骤：

步骤一、煤层位置确定：按照煤矿开采过程中所用的常规钻探地质编 录方法，对所开采煤矿进行钻探，并获得所开采煤矿的钻孔柱状图之后， 根据所述钻孔柱状图，确定所开采煤矿中所存在煤层的厚度和埋藏深度， 所述煤层的顶板由多个岩层组成且多个所述岩层由下至上逐层进行布设； 同时，根据所述钻孔柱状图分别确定所述顶板中多个岩层的厚度。

其中，多个所述岩层的数量为n个，n个所述岩层由下至上分别为第 一个岩层、第二个岩层...第n个岩层，且n个所述岩层的厚度由下至上分 别为h₁、h₂...h_n。

实际进行开采时，所开采煤矿为产量30万吨/年～90万吨/年的中小 型煤矿。

步骤二、开采参数确定，其确定过程如下：

201、顶板岩梁承受载荷确定，其确定过程包括以下步骤：

2011、顶板各岩层的岩石力学性质测试：按照常规的岩石力学性质测 试方法，分别对步骤一中多个所述岩层的岩石力学性质参数进行测试，测 试得出的各岩层的岩石力学性质参数，所述岩石力学性质参数包括容重、 抗拉强度和弹性模量；其中，测试得出的n个所述岩层的容重由下至上分 别为γ₁、γ₂…γ_n，n个所述岩层的弹性模量分别为E₁、E₂...E_n，n个所述岩 层的抗拉强度。

2012、顶板岩梁所承受载荷计算：

根据公式计算自第一个岩层起由下至上 布设的i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成的载荷，式中i＝1、2...n；

且计算i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成载荷的同时，对所 述自第一个岩层起由下至上布设的i+1个岩层对第一个岩层所形成的载荷 (q_i+1)₁与i个岩层对第一个岩层所形成的载荷(q_i)₁进行差值比较：当差值比较 得出(q_i+1)₁＜(q_i)₁时，说明第i+1个岩层与其下部的第i个岩层发生离层，此 时i＝m，且(q_m)₁为所述煤层的顶板岩梁所承受载荷，m为正整数且m＜n。

202、开采条带的宽度上限值确定，其确定过程包括以下步骤：

2021、将所述顶板岩梁简化为简支梁进行分析：且所述简支梁为均布 荷载作用下的简支梁；所述简支梁上任一点A处的正应力为式中M_x为所述简支梁上A处所在横截面上的弯矩，y为A处到所述简支梁 中性轴的距离，t为所述简支梁的厚度且t＝自第一个岩层起由下至上布设 的m个岩层的厚度之和。

2022、最大压正应力和最大拉正应力换算：所述简支梁的最大弯矩 M_max＝qL²/8，式中L为所述简支梁的横向长度；所述简支梁中部上侧外边 缘处所承受的压正应力为最大压正应力，所述简支梁中部下侧外边缘处所 承受的拉正应力为最大拉正应力，所述简支梁中部的下侧外边缘处和上侧 边缘处到所述简支梁中性轴的距离y均等于t/2，且所述最大压正应力和 最大拉正应力的数值相等且二者均等于

2023、顶板岩梁实际承受正应力计算：所述顶板岩梁实际承受的正应 力式中F为安全系数且F＝2～4，R_l为所述顶板岩梁的抗拉强度， 所述顶板岩梁由j个岩层组成且j≥1：当j＝1时，说明所述顶板岩梁为一 个岩层且R_l为该岩层的抗拉强度；当j＞1时，R_l为组成所述顶板岩梁的j 个岩层的抗拉强度平均值。

2024、宽度上限值换算：将步骤2023中计算得出的σ_e代入步骤2022 中的公式换算得出开采条带的宽度上限值式中q为

步骤201中计算得出的(q_m)₁。

203、煤柱宽度下限值确定，其确定过程如下：

2031、煤柱屈服区宽度计算：

根据公式计算得出煤柱屈服区宽 度r_p，式中M为煤柱高度且M＝所述煤层的平均高度，d为开采扰动因子 且d＝1.2～3.0，β为煤柱屈服区与弹性核区间分界面处的侧压系数且 β＝0.25～0.40，C为煤层与顶板接触面的粘聚力，为煤层与顶板接触面 的摩擦角，σ_zl为煤柱极限强度，P_x煤壁的侧向约束力其中M的单位为m， C、σ_zl和P_x的单位均为MPa；i为影响系数且i＝3～1.5；随着M的不断增 大，i不断减小。

2032、煤柱宽度下限值确定：根据步骤2031中计算得出的煤柱屈服 区宽度r_p，确定煤柱的宽度下限值D_min＝2r_p+r₀，其中r₀为煤柱弹性核区宽度 的最小值且r₀＝0.1m～1m。

步骤三、开采方案确定：根据步骤2024中计算得出的L_max和步骤2032 中计算得出的D_min，确定条带法开采过程中的采留尺度，其中条带法开采 过程中所开采条带的宽度L₀≤L_max且所留煤柱的宽度D₀≥D_min。

步骤四、开采：按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采，且实际 开采过程中，每开采一个宽度为L₀的条带，留设一个宽度为D₀的煤柱。

另外，步骤四中所述的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采之 前，还需按照常规煤柱稳定性分析方法，对采用步骤三中所确定的开采方 案进行条带开采过程中所留设煤柱的稳定性进行分析。

实施例1

如图2所示，本实施例中，所开采的煤矿为位于水源地(也称水源保护 地)的榆卜界煤矿。榆卜界煤矿地处榆林市城北11km的榆卜界村，位于国家 规划的榆神矿区西南边缘地带，行政区划隶属榆阳区牛家梁镇所辖，1993年 初建时设计生产能力0.06Mt/a(英文Million ton/annual，即百万吨/年)， 2008年技改后矿井生产能力提升为0.30Mt/a。榆卜界煤矿区地处陕北黄土高 原北缘与毛乌素沙漠接壤地带，矿区内大部分为典型的风成沙丘及风沙滩地 貌，沙漠覆盖率在80％以上，以固定沙及半固定沙为主，植被覆盖较好。井 田范围内无基岩出露，井田地层由下至上为三迭系上统永坪组、侏罗系中统 延安组、侏罗系中统直罗组、第三系上统组、第四系中更新统离石组、第四 系上更新统萨拉乌素组和全新统。2^-2煤层(即第2层地层中的第2采区)是 井田内唯一的主要可采煤层。2^-2煤层的煤层厚度在4.35m～5.57m范围内，则 2^-2煤层的煤层平均厚度为5.23m，煤层的埋藏深度为99m～168m。其中，2^-2煤层顶板中伪顶为厚度小于0.5m的泥岩或炭质泥岩薄层；直接顶为厚度 2.4m～6.67m的粉砂岩，个别地段基本顶直接赋存于煤层之上，基本顶厚度 大于20m。2^-2煤层底板为厚度不等的泥岩、粉砂岩与细砂岩，较稳定。伪顶 是指直接覆盖在工业煤层之上、力学强度低且不易形成应力拱的部分顶板岩 层，在煤炭采出后极易垮落。直接顶也称冒落带，该部分岩层在老塘已经垮 落，在采场由支架暂时支撑，在推进方向上不能始终保持传递水平力的联系。

榆卜界煤矿属于“保水采煤”区域，区内广泛分布第四系松散沉积物， 其中主要为中更新统离石组黄褐色黄土，是地下水储存和运移的良好空间。 黄土层之上的现代流动沙丘，为大气降水下渗提供了良好条件。下伏的“七星 镇砂岩”(侏罗系中统直罗组J 2Z砂岩)、真武洞砂岩(2^-2煤层顶板)均为厚 -巨厚层的中粗-细粒砂岩，分布较稳定，连续性好。两层砂岩除局部有泥岩 隔水外，多是同一含水体，岩层裂隙较为发育，为地下水赋存提供了一定条 件。井田南侧由于2^-2煤层自燃使顶板垮落，造成一定厚度的冒落带和裂隙带， 而其上方无隔水层存在，与第四系松散岩类含水层沟通，为地下水提供了良 好的条件。井田含水岩组划分为两类，一是第四系松散岩类及基岩风化带孔 隙、裂隙潜水含水层组，包括全新统河谷冲积层孔隙潜水、上更新统冲湖层 孔隙潜水及中更新统黄土裂隙孔洞潜水；二是侏罗系中细砂岩孔隙、裂隙层 间承压含水岩组。

本实施例中，进行保水采煤开采时，其开采过程如下：

步骤一、煤层位置确定：按照煤矿开采过程中所用的常规钻探地质编 录方法，对所开采煤矿进行钻探，并获得所开采煤矿的钻孔柱状图，详见 图2之后，根据所述钻孔柱状图，确定所开采煤矿中所存在煤层的厚度和 埋藏深度，所述煤层的顶板由多个岩层组成且多个所述岩层由下至上逐层 进行布设；同时，根据所述钻孔柱状图分别确定所述顶板中多个岩层的厚 度。其中，多个所述岩层的数量为n个，n个所述岩层由下至上分别为第 一个岩层、第二个岩层...第n个岩层，且n个所述岩层的厚度由下至上分 别为h₁、h₂...h_n。

本实施例中，所述煤层为2^-2煤层且其平均高度为5.2m，且所述煤层的 埋藏深度为99m～168m。

另外，需注意的是：步骤二中开采参数确定之前，还需按常规煤层安 全回采上限的确定方法，对所述煤层的安全回采上限M_x进行计算，并根据 计算结果判断是否能采用条带开采方法对所述煤层进行开采：当所述煤层 的平均高度M大于计算得出的安全回采上限时，则进入步骤二且按条带开 采方法对所述煤层进行开采；否则，按长壁开采方法对所述煤层进行开采。

对所述煤层的安全回采上限M_x进行计算时，根据公式 式中5.1为修正系数，n_x为所述煤层的分层层数， H₀为测试得出的所述煤层上方基岩的平均高度。

本实施例中，根据地质钻孔的岩石力学性质试验测试结果，2^-2煤层上覆 岩层属于中硬型，因而选用中硬型覆岩破坏移动计算公式进行导水裂隙带高 度预计。根据《矿井水文地质规程》确定导水裂隙带高度计算公式： 式中n_x＝1(即按一次性采全高计算)，计算得出

${H_{\mathrm{li}}}^{\prime }=\frac{100M_x}{3.3n_x+3.8}+5.1=\frac{100\times 5.2}{3.3\times 1+3.8}+5.1=78.3m.$

为了保证工作面的安全开采，需要留设一定的安全煤岩层保护层厚度。 按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附表6-4 规定中选取6A(A＝∑M/n，∑M-累计采厚；n-分层层数)作为计算保护层 厚度为：$H_b=6A=6\times \frac{5.2}{1}=31.2m.$

由于防水安全煤岩柱是由导水裂隙带和保护层厚度共同组成，其垂高为：

H_sh＝H_li+H_b＝78.3+31.2＝109.5m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》上三带发 育规律，若要保证顶板水不透入到工作面内，需满足下列关系式：H_sh≤H₀； 则可得出安全开采上限为M_x≤1.8m。

因此，当采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》 计算回采上限时，榆卜界主采2^-2煤层的开采厚度必须小于1.8m，才可采用长 壁开采方法，进而实现“保水采煤”。因而，需采用同条带开采方式实现2^-2煤层全厚开采及采出率的提高目的。

综上，榆卜界煤矿主采2^-2煤层开采厚度小于1.8m时才可采用长壁开采 方法，以保证冒裂带不发展到松散含水层下的隔水层，从而实现“保水采煤” 目的，但同时造成至少66％的煤炭损失。而条带开采可作为一种提高采出率， 保护生态水位，并在基岩稳定条件下后期充填开采置换遗留煤柱的有效开采 方式。

步骤二、开采参数确定，其确定过程如下：

201、顶板岩梁承受载荷确定，其确定过程包括以下步骤：

2011、顶板各岩层的岩石力学性质测试：按照常规的岩石力学性质测 试方法，分别对步骤一中多个所述岩层的岩石力学性质参数进行测试，测 试得出的各岩层的岩石力学性质参数，所述岩石力学性质参数包括容重、 抗拉强度和弹性模量；其中，测试得出的n个所述岩层的容重由下至上分 别为γ₁、γ₂...γ_n，n个所述岩层的弹性模量分别为E₁、E₂...E_n，n个所述岩 层的抗拉强度。

本实施例中，对所述煤层以上6个岩层和所述煤层以下一个岩层的岩 石力学性质参数进行测试(具体是试验300工作面开采煤层顶板部分岩层 的岩石力学性质)，并根据测试结果得到岩层物理力学性质参数一览表，

详见表1：

表1   岩层物理力学性质参数一览表

2012、顶板岩梁所承受载荷计算：

根据公式计算自第一个岩层起由下至上 布设的i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成的载荷，式中i＝1、2...n；

且计算i个岩层对第一个岩层进行综合影响所形成载荷的同时，对所 述自第一个岩层起由下至上布设的i+1个岩层对第一个岩层所形成的载荷 (q_i+1)₁与i个岩层对第一个岩层所形成的载荷(q_i)₁进行差值比较：当差值比较 得出(q_i+1)1＜(q_i)₁时，说明第i+1个岩层与其下部的第i个岩层发生离层，此 时i＝m，且(q_m)₁为所述煤层的顶板岩梁所承受载荷，m为正整数且m＜n。

本实施例中，第1个岩层本身的载荷(q₁)₁＝γ₁h₁＝27.2×2.4＝65.28KPa。

第2个岩层对第1个岩层进行综合影响所形成的载荷

${\left(q_2\right)}_1=\frac{E_1{h}_1({\gamma }_1{h}_1+{\gamma }_2{h}_2)}{E_1{h}_1^3+E_2{h}_2^3}=\frac{6.5\times {2.4}^3\times (27.2\times 2.4+26.38\times 10.6)}{6.5\times {2.4}^3+9.0\times {10.6}^3}=\frac{89.856\times (65.28+279.628)}{6.5\times {2.4}^3+9.0\times {10.6}^3}$

$=2.867\mathrm{KPa}.$

由于(q₂)₁＜(q₁)₁，则此时m＝1，且此时所述煤层的顶板岩梁为第一个岩 层。也就是说，所述煤层的顶板中第二个岩层与其下部的岩层发生离层， 则第一个岩层只承受自重，此时顶板岩梁上的载荷值为(q₁)₁＝0.65kg/cm²。

实际开采过程中，m也可大于1，则此时由下至上布设的第m个岩层 与其上部岩层发生离层，则由下至上布设的m个岩层组成所述煤层的顶板 岩梁。

202、开采条带的宽度上限值确定，其确定过程包括以下步骤：

2021、将所述顶板岩梁简化为简支梁进行分析：且所述简支梁为均布 荷载作用下的简支梁；所述简支梁上任一点A处的正应力为

式中M_x为所述简支梁上A处所在横截面上的弯矩，y为A处到所述简支梁 中性轴的距离，t为所述简支梁的厚度且t＝自第一个岩层起由下至上布设 的m个岩层的厚度之和。

本实施例中，t为第一个岩层的厚度，且根据表1，t＝2.4m＝240cm。

2022、最大压正应力和最大拉正应力换算：所述简支梁的最大弯矩 M_max＝qL²/8，式中L为所述简支梁的横向长度；所述简支梁中部上侧外边 缘处所承受的压正应力为最大压正应力，所述简支梁中部下侧外边缘处所 承受的拉正应力为最大拉正应力，所述简支梁中部的下侧外边缘处和上侧 边缘处到所述简支梁中性轴的距离y均等于t/2，且所述最大压正应力和 最大拉正应力的数值相等且二者均等于

本实施例中，L为第一个岩层的横向长度。

2023、顶板岩梁实际承受正应力计算：所述顶板岩梁实际承受的正应 力式中F为安全系数且F＝2～4，R_l为所述顶板岩梁的抗拉强度， 所述顶板岩梁由j个岩层组成且j≥1：当j＝1时，说明所述顶板岩梁为一 个岩层且R_l为该岩层的抗拉强度；当j＞1时，R_l为组成所述顶板岩梁的j 个岩层的抗拉强度平均值。

本实施例中，所述顶板岩梁为第一个岩层且R_l为第一个岩层的抗拉强 度，且根据表1，R_l＝3.4MPa＝34.0kg/cm²。

本实施例中，F＝2.5，所述顶板岩梁实际承受的正应力

${\sigma }_e=\frac{R_l}{F}=\frac{34.0}{2.5}=13.6\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2.$

2024、宽度上限值换算：将步骤2023中计算得出的σ_e代入步骤2022 中的公式换算得出开采条带的宽度上限值式中q为

步骤201中计算得出的(q_m)₁＝(q₁)₁＝0.65kg/cm²。

实际计算时，用步骤2023中计算得出的σ_e代替式中的σ_max，得极限跨 距即开采条带的宽度上限值$L_{\max }=\sqrt{\frac{{4t}^2{\sigma }_e}{3q}}=\sqrt{\frac{4\times {240}^2\times 13.6}{3\times 0.65}}=1270\mathrm{cm}=12.7m.$

203、煤柱宽度下限值确定，其确定过程如下：

2031、煤柱屈服区宽度计算：

根据公式计算得出煤柱屈服区宽 度r_p，式中M为煤柱高度且M＝所述煤层的平均高度，d为开采扰动因子 且d＝1.2～3.0，β为煤柱屈服区与弹性核区间分界面处的侧压系数且 β＝0.25～0.40，C为煤层与顶板接触面的粘聚力，为煤层与顶板接触面 的摩擦角，σ_zl为煤柱极限强度，P_x煤壁的侧向约束力其中M的单位为m， C、σ_zl和P_x的单位均为MPa；i为影响系数且i＝3～1.5；随着M的不断增 大，i不断减小。

实际进行开采时，步骤2031中M＝3m～8m；且随着M的不断增大，i不 断减小。公式根据极限平衡理论分析得 出，式中煤柱极限强度σ_zl根据公式σ_zl＝δησ_c计算得出，其中η为煤岩流 变系数，σ_c为测试得出的煤岩试块的单轴抗压强度且其单位为MPa。

本实施例中，η＝0.4且σ_c＝38.2MPa，煤柱极限强度 σ_zl＝δησ_c＝2.729(ησ_c)^0.729＝19.9MPa。同时，M＝5.2m，d＝1.8，β＝0.252，C ＝3.0MPa，

因而，

2032、煤柱宽度下限值确定：根据步骤2031中计算得出的煤柱屈服 区宽度r_p，确定煤柱的宽度下限值D_min＝2r_p+r₀，其中r₀为煤柱弹性核区宽度 的最小值且r₀＝0.1m～1m。

实际对煤柱宽度下限值进行确定时，步骤2032中随着所述煤层的顶 板稳定性逐渐减弱，r₀逐渐增大。

本实施例中，根据步骤2031中煤柱屈服区的宽度计算结果，有核区 煤柱宽度要大于2r_p＝5.8m，建议现场煤柱留设宽度不低于6.0m，此时煤柱 弹性核区宽度r₀＝0.2m。若顶板条件较差，建议有效的煤柱弹性核区宽度 r₀＝1.0m，即煤柱弹性核区宽度r₀的最小值为1.0m，此时所留设煤柱宽度不 小于6.8m。

也就是说，当顶板条件较好时，D_min＝6.0m；而当顶板条件较差时， D_min＝6.8m。

步骤三、开采方案确定：根据步骤2024中计算得出的L_max和步骤2032 中计算得出的D_min，确定条带法开采过程中的采留尺度，其中条带法开采 过程中所开采条带的宽度L₀≤L_max且所留煤柱的宽度D₀≥D_min。

步骤四、开采：按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采，且实际 开采过程中，每开采一个宽度为L₀的条带，留设一个宽度为D₀的煤柱。

实际开采过程中，步骤四中所述的按照常规条带开采方法对所述煤层 进行开采后，形成多个宽度为L₀的条带采空区，且相邻两个所述条带采空 区之间留设有一个宽度为D₀的条带煤柱；且按照常规条带开采方法对所述 煤层进行开采后，还需由前至后用填充料对多个所述条带采空区分别进行 密实填充，并相应形成多个已填充区；对多个所述条带采空区分别进行密 实填充过程中，由前至后对相邻两个所述已填充区之间的条带煤柱进行开 采。

另外，步骤四中所述的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采过 程中，在所述煤层上布置多个采煤区段或多个采煤工作面3，相邻两个采 煤区段或相邻两个采煤工作面3之间通过留设有一个隔离煤柱；且开采结 束后，每个采煤区段或每个采煤工作面3内均形成多个宽度为L₀的区内条 带采空区，相邻两个所述区内条带采空区之间留设有一个宽度为D₀的区内 条带煤柱。

相应地，步骤三中所述确定条带法开采过程中的采留尺度时，还需对 所述隔离煤柱的宽度最小值进行确定，所述隔离煤柱包括中间隔水带和两 个分别布设在所述中间隔水带两侧的已开采工作面屈服区和现开采工作 面屈服区，且所述隔离煤柱的宽度最小值确定过程如下：

步骤I、中间隔水带宽度L₂₀计算：分别根据侧向静水压力煤柱宽度计 算公式或经验公式计算得出中间隔水带宽度 L₂₁和中间隔水带宽度L₂₂，式中K为安全系数且K＝2～5，M为所述煤层的 平均高度且其单位为m，P为测试得出的中间隔水带所承受的水头压力且 其单位为kgf/cm²，K_P为所述煤层中煤体的抗张强度且其单位为kgf/cm²，T_s为测试计算得出的突水系数。

之后，对计算得出的中间隔水带宽度L₂₁和中间隔水带宽度L₂₂进行差 值比较：当L₂₁≥L₂₂时，中间隔水带宽度L₂₀＝L₂₁；否则，中间隔水带宽度 L₂₀＝L₂₂。

步骤II、隔离煤柱宽度最小值L_min计算：

根据公式L_min＝L₁+L₂₀+L₃，计算得出所述隔离煤柱的宽度最小值，式 中L₁和L₃分别为已开采工作面屈服区宽度和现开采工作面屈服区宽度，且 L₁＝L₃＝步骤2032中计算得出的煤柱屈服区宽度r_p；

步骤四中按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采过程中，相邻两 个采煤区段或相邻两个采煤工作面3之间所留设隔离煤柱的宽度L_i0≥ L_min。

实际对隔离煤柱的宽度进行计算时，应考虑采动对煤柱破坏和影响作 用，煤柱靠近采场一侧，由于支承压力作用，煤层片帮会产生裂隙，形成 屈服带，成为强渗透区，该部分煤体基本上已丧失隔水能力，成为具有极 低阻水能力的煤柱残余储备带，真正起隔水作用的是煤柱的中间部分即煤 柱弹性核区。因此，工作面间煤柱即隔离煤柱由三部分组成，已开采工作 面屈服区宽度L₁、现开采工作面屈服区宽度L₃和中间隔水带宽度L₂₀，即隔 离煤柱由由煤柱两端的屈服区和中间的弹性核区组成。

本实施例中，先根据侧向静水压力对煤柱宽度进行计算，且采用由材 料力学简支梁原理导出的公式进行计算，考虑到本矿区水文 地质条件比较清楚，而且没有什么构造，安全系数K＝2.5；煤层抗拉强度 K_p＝13.2kg/cm²；采空区内的积水标高按照3倍采高计算，由此得出中间隔 水带所承受的水头压力p＝1.6kg/cm²，M＝5.2m；则根据侧向静水压力计算 得出的中间隔水带宽度$L_{21}=0.5\mathrm{KM}\sqrt{\frac{3P}{K_p}}=0.5\times 2.5\times 5.2\times \sqrt{\frac{3\times 1.6}{13.2}}=3.9m.$而根据经验公式进行计算时，水头压力p＝1.6kg/cm²，突 水系数为所述中间隔水带承受的最大静水压力(或压强)与其厚度的比值 且本实施例中，突水系数T_s＝0.7，则根据经验公式计算得出的中间隔水带 宽度$L_{22}=\frac{P}{T_s}+10=\frac{1.6}{0.7}+10=12.3m.$

对L₂₁和L₂₂进行差值比较，且取最大值，即L₂₀＝L₂₂＝12.3m。

因而，隔离煤柱宽度最小值L_min＝L₁+L₂₀+L₃＝2.9+12.3+2.9＝18.1m， 因而实际开采过程中，只要已开采工作面与现开采工作面之间留设宽度不 小于18.1m的隔离煤柱，就可以满足隔离采空区防治水的要求，建议现场 留设隔离煤柱的宽度不低于20m。

综上，开采条带的最大宽度为12.7m；按照煤柱载荷和稳定性计算， 特别是考虑到条带开采的“连续梁”特征，条带煤柱的宽度不得小于6.0m， 若是顶板条件较差，条带煤柱宽度不小于6.8m，以保证煤柱有一定宽度的 弹性核区，实现煤柱的长期稳定性；盘区间隔离煤柱的宽度不应小于 20.0m。

由此确定现阶段榆卜界煤矿“保水采煤”采用的方法为长壁系统条带 采煤方法：即开采系统采用长壁布置，工作面系统内采用条带开采，留设 条带煤柱支撑顶板及上覆盖层，保护含水层。结合图4，条带开采时采用 “采12留8”方案，即每开采12m宽度的条带采空区(相应形成12m宽的 采空区域2)，留设8m的隔离煤柱(此煤柱为条带煤柱1，即处于一个采 煤区段或一个采煤工作面3内的煤柱)，附图标记4所指区域为未开采区 域4。

另外，步骤四中所述的按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采之 前，还需按照常规煤柱稳定性分析方法，对采用步骤三中所确定的开采方 案进行条带开采过程中所留设煤柱的稳定性进行分析。

本实施例中，所述常规煤柱稳定性分析方法为相似材料模拟实验。实 际开采过程中，还可采用东北大学的岩石破裂过程数值试验的RFPA2D程 序对上述开采方案进行分析计算。

本实施例中，采用相似材料模拟实验方法，对条带开采中煤柱的稳定 性进行模拟分析时，先制作一个相似材料模型，具体是一个长度3m、高 2m且宽20cm的平面应力架模型，模型几何相似比例取1∶100，该模型可 以模拟埋深200m且长度300m的开采范围。所采用模型的几何相似常数 α_L＝100，密度相似常数α_Y＝1.57，应力相似常数α＝α_Lα_Y＝100×1.57＝157。实 际对平面应力架模型进行制作时，所用的模型材料以石英沙作为骨料，石 膏、碳酸钙作为胶结材料且与水按一定比例配制而成，分层铺设于模型架 中，层与层之间撒入云母粉模拟层面。模型填装尺寸、顺序及材料配比如 表2所示。配比中泥岩取828，即表示石英沙占8/9；石膏、碳酸钙共占 1/9，其中石膏占2/10，碳酸钙占8/10。

表2  榆卜界煤矿平面应力架模型材料装填配比及分层厚度

结合图3，通过所述平面应力架模型对“采12留8”条带开采过程进 行模拟试验得出，所留设煤柱(具体指区内煤柱)的弹核区率保持在60 ％以上，覆岩保持稳定，且煤柱中部最大支承压力6.38MPa，远低于强度 极限，因而本实施例中所采用的开采方案可实现“保水开采”的目的。

实施例2

如图5所示，本实施例中，所开采的煤矿为二墩煤矿，其位于陕西省榆 林市城区东北21km处，隶属于榆阳区麻黄梁镇管辖，属于在规划的地方煤矿 开采区的一处地方煤矿。二墩煤矿地处陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠接壤 地带。井田范围内全部被第四系松散层覆盖，南部为成片的黄土分布，沿柳 巷河两侧分布有冲、湖积粉砂及亚沙土。区内地形黄土裸露处较为平坦，南 部高，北、中部低，海拔标高在+1200～+1305之间。井田范围内全被第四系 风积沙和黄土覆盖，无基岩出露。井田地层由下至上为侏罗系中统延安组、 侏罗系中统直罗组、第四系中更新统离石组、第四系上更新统萨拉乌素组和 全新统。主要含煤地层为侏罗系中统延安组，其中可采煤层2层，3号煤层 是区内最上一层可采煤层，厚度大而且稳定，全区可采，厚度稳定在7.50m～ 8.73m，平均8.43m。煤层由南西向北东逐渐增厚，变化规律明显，属于稳定 性的厚-特厚煤层。煤层埋藏稳定，埋藏深度136.81m～196.58m。二墩煤矿3 号煤层的钻孔柱状图见图5。3号煤层顶板中有一层厚度30.00～38.68m的灰 白色厚层状细-中粒长石砂岩，即区域上标志层“真武洞砂岩”；3号煤层底 板为泥岩与粉细砂岩互层，煤层与顶、底板呈现明显的接触关系。

二墩煤矿属于“保水采煤”区域，所处的矿区位于毛乌素沙漠与陕北黄 土高原北缘接壤地带，井田范围内地形较为平坦，相对高差105m。属于大陆 性气候，历年平均降雨量为410.01mm，且集中在7～9月份。年平均蒸发量 为1907.2mm是降雨量的4.65倍。因而，属于生态环境十分脆弱的区域，因 此，保护沙漠下的潜水层和地下含水层，对于这个区域的生态和可持续发展， 具有极其重要的意义。

本实施例中，进行保水采煤开采时，其开采过程与实施例1不同的是：

步骤一进行煤层位置确定时，结合图5，所开采的煤层为3号煤层且 其平均高度为8.43m，且所述煤层的埋藏深度为136.81m～196.58m；

步骤2011中进行顶板各岩层(物理性质相近的岩层，简化为单一岩 层)的岩石力学性质测试时，对3号煤层以上6个岩层和3号煤层以下一 个岩层的岩石力学性质参数进行测试，并根据测试结果得到岩层物理力学 性质参数一览表，详见表3：

表1岩层物理力学性质参数一览表

步骤2012中进行顶板岩梁所承受载荷计算时，第1个岩层本身的载 荷(q₁)₁＝γ₁h₁＝27.2×7.6＝206.72KPa；第2个岩层对第1个岩层进行综合影响 所形成的载荷：

${\left(q_2\right)}_1=\frac{E_1{h}_1^3({\gamma }_1{h}_1+{\gamma }_2{h}_2)}{E_1{h}_1^3+E_2{h}_2^3}=\frac{6.5\times {7.6}^3\times (27.2\times 7.6+26.38\times 6.5)}{6.5\times {7.6}^3+9.0\times {6.5}^3}=202.65\mathrm{kPa}<{\left(q_1\right)}_1;$

由于(q₂)₁＜(q₁)₁，则此时m＝1，且此时3号煤层的顶板岩梁为第一个岩 层。也就是说，3号煤层的顶板中第二个岩层与其下部的岩层发生离层， 则第一个岩层只承受自重，此时顶板岩梁上的载荷值取(q₁)₁＝2.07kg/cm²；

步骤2021中将所述顶板岩梁简化为简支梁进行分析时，根据表3，简 支梁的厚度t为第一个岩层的厚度，且t＝7.6m＝760cm；

步骤2022中进行最大压正应力和最大拉正应力换算时，所述简支梁 中部上侧外边缘处所承受的压正应力为最大压正应力，所述简支梁中部下 侧外边缘处所承受的拉正应力为最大拉正应力，所述简支梁中部的下侧外 边缘处和上侧边缘处到所述简支梁中性轴的距离y均等于t/2＝380cm，所 述最大压正应力和最大拉正应力的数值相等且二者均等于L为 第一个岩层的横向长度；

步骤2023中进行顶板岩梁实际承受正应力计算时，所述顶板岩梁为 第一个岩层且R_l为第一个岩层的抗拉强度，且根据表3， R_l＝2.4MPa＝24.0kg/cm²，F＝3，所述顶板岩梁实际承受的正应力 ${\sigma }_e=\frac{R_l}{F}=\frac{24.0}{3.5}=6.9\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2.$

步骤2024中进行宽度上限值换算时，将步骤2023中计算得出的σ_e代 入步骤2022中的公式换算得出开采条带的宽度上限值 式中q＝(q₁)₁＝2.07kg/cm²；实际计算时，用步骤2023中计算 得出的σ_e代替式中的σ_max，得极限跨距即开采条带的宽度上限值$L_{\max }=$$\sqrt{\frac{4t^2{\sigma }_e}{3q}}=\sqrt{\frac{4\times {760}^2\times 6.9}{3\times 2.07}}=1600\mathrm{cm}=16.0m;$则开采条带顶板的极限跨度L_max为 16.0m，考虑到地质、采动影响因素，建议现场条带采宽不超过12.0m，

步骤2031中进行煤柱屈服区宽度计算时，η＝0.4且σ_c＝38.2MPa，煤 柱极限强度σ_zl＝δησ_c＝2.729(ησ_c)^0.729＝19.9MPa。同时，M＝8.4m，d＝2，β＝ 0.252，C＝3.0MPa，计算得出煤柱屈服区宽度

步骤2032中进行煤柱宽度下限值确定时，根据步骤2031中计算得出 的煤柱屈服区宽度r_p，确定煤柱的宽度下限值D_min＝2r_p+r₀，其中r₀为煤柱弹 性核区宽度的最小值且r₀＝0.1m～1m，则煤柱宽度要大于8.6m，建议现场 煤柱留设宽度不低于9.0m；要是顶板条件较差，煤柱有效弹性核区宽度不 小于1.0m，建议现场煤柱留设不小于9.6m。

步骤三中开采方案确定时，根据步骤2024中计算得出的L_max和步骤 2032中计算得出的D_min，确定条带法开采过程中的采留尺度，计算最终确 定二墩煤矿条带开采参数为“采12留10”，即每开采12m宽度的条带， 留10m宽度区内煤柱。

步骤四中进行开采时，按照常规条带开采方法对所述煤层进行开采， 且实际开采过程中，每开采一个宽度为12m的条带，留设一个宽度为10m 的煤柱。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。