CN111379562B - 一种复合水体下的控水采煤方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种复合水体下的控水采煤方法及装置，该方法包括：获取复合水体赋存特征信息和煤层采动覆岩破坏高度预测信息，以根据复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；根据富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。通过对水体和岩体检测，从而通过顶水开采与疏干或疏降开采相结合、钻孔先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、覆岩控制与含水层疏降程度相结合技控制工作面的涌水量大小及涌水形式，降低过量疏放水钻孔而造成的人为导水通道隐患，减少钻孔工程量及排水费用，实现复合水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种复合水体下的控水采煤方法及装置。
背景技术
煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60％以上，2019年共生产煤炭37.5亿吨，对我国经济发展具有重大作用。我国煤矿地质采矿条件及水文地质条件千差万别、复杂多变，水体类型千奇百态，水体压煤现状错综复杂。据不完全统计，我国受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27％，我国重点煤矿受水威胁的煤炭储量约250亿吨，其中水体下压煤储量约近百亿吨。国内外专家学者成功的进行了海洋、河流、湖泊、水库、松散含水层、基岩含水层、岩溶等各种水体下的采煤，并且逐步形成一套符合我国煤矿实际的理论和安全开采技术与措施。针对不同类型水体，成功的实现了留设防水、防砂及防塌煤柱等条件下不同开采工艺安全开采；针对水害防治技术，主要从探测、监测、预测、治理、矿井水资源化与综合利用等方面入手，形成了顶板水疏水降压、底板灰岩水注浆改造与加固等水害治理技术。近几年，煤矿水害事故总体呈下降趋势，但较大水害事故仍有上升趋势，灾害性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失。防水煤岩柱的留设造成煤炭资源大量损失，而过量的对水体疏放则增加矿井涌水量及排水费用，导致地下水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏。
随着煤炭基地开发力度的增加，煤炭开采深度、厚度和规模的逐渐增大，大采高、快速推进及综放等高强度开采技术的发展，采动破坏程度明显加剧，煤炭资源开发面临的水害威胁由单一的地表水体或者地下含水层，逐步发展为地表水体、松散含水层水体和基岩含水层水体等多重复合水体。同时，随着煤炭科学技术水平的不断进步、煤炭开采装备的不断发展，开采工艺的变革，以及社会对生态环境保护的重视，促使防治水技术需要与采煤方法及其各有关技术的发展变化、现代化安全生产需求的结合更加紧密。因此，急需开发一种多重水害威胁的条件下的采煤方法，实现复合水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采。
发明内容
本发明实施例提供一种复合水体下的控水采煤方法及装置，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种复合水体下的控水采煤方法，包括：
获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；
根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
更具体的，所述根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案的步骤，具体包括：
根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系；
若主采煤层与水体之间的距离大于垮裂安全性分区，则进行顶水开采方案。
更具体的，所述根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系的步骤之后，所述方法还包括：
若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，则进行先疏后采方案。
更具体的，若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，所述方法还包括：
将所述富水性分区中的水体和垮裂安全性分区中的水体通过回采的方式，导水裂缝带上部微小开裂区进入水体，实现对水体进行疏降，同时进行边疏边采方案。
更具体的，所述顶水开采方案具体是指对水体不做任何处理，直接在主采煤层进行开采。
更具体的，所述先疏后采方案具体是指，根据富水性分区中的水层压力信息和水体水量信息确定疏水孔大小；
对所述富水性分区中的水体进行钻孔疏降后，然后进行采煤。
更具体的，所述边疏边采方案具体是指，已通过钻孔疏降的含水层和位于导水裂缝带微小开裂区范围内的含水层，通过回采过程控制不同导水裂缝带分区进入含水层的范围，借助回采裂缝的导水性差异实现对含水层的逐步疏降；
对所述富水性分区中的水体进行边疏边采。
第二方面，本发明实施例提供一种复合水体下的控水采煤装置，包括：
获取模块,用于获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；
采煤模块，用于根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述复合水体下的控水采煤方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述复合水体下的控水采煤方法的步骤。
本发明实施例提供的复合水体下的控水采煤方法及装置，通过对水体和岩体检测，从而获取不同水体与主采煤层的空间关系，基于覆岩破坏规律和含水层的富水特性，综合考虑煤矿安全和经济合理双重因素，结合具体的地质采矿条件和相应的采煤工艺，通过顶水开采与疏干或疏降开采相结合、钻孔先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、覆岩控制与含水层疏降程度相结合技术，将允许工作面出水但不形成灾害作为平衡点，控制工作面的涌水量大小及涌水形式，实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采，大大降低过量疏放水钻孔而造成的人为导水通道隐患，减少钻孔工程量及排水费用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中所描述复合水体下的控水采煤方法流程示意图；
图2为本发明一实施例所描述的井下疏水钻孔布置示意图；
图3为本发明一实施例所描述的回采疏降示意图；
图4为本发明另一实施例所描述的控水采煤设计流程图；
图5为本发明一实施例所描述的复合水体下的控水采煤装置结构示意图；
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例中所描述复合水体下的控水采煤方法流程示意图，如图1所示，包括：
步骤S1，获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；
步骤S2，根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
具体的，本发明实施例中所描述的复合水体赋存特征信息具体是指采用钻探、物探和化探等综合探查手段，探查主采煤层顶板含水层的赋存特征、厚度、富水性水文地质参数，基于探查结果和收集的钻孔柱状资料、矿井地质与水文地质条件的综合分析得到复合水体赋存特征信息。
本发明实施例中所描述的煤层覆岩破坏高度预测信息主要以本矿井已有实测数据为主进行新开采区域的预计。如果该矿井未进行过实测，则综合采用理论计算、数值模拟和相似模拟的方法。理论计算以经验公式和类比法为主。如果矿井煤层厚度或开采工艺满足薄、中厚以及厚煤层分层开采，则其覆岩破坏预计以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》公式进行计算；如果矿井煤层厚度为厚煤层，开采工艺为一次采全高或者放顶煤，覆岩破坏高度预计则以类比法为主，通过类比周边类似矿井确定裂采比(导水裂缝带高度与采厚的比值)，计算覆岩破坏高度。同时，配合数值模拟和相似模拟手段研究覆岩破坏规律。
根据复合水体赋存特征信息中的煤层、顶板含水层、隔水层、地表水体分布信息和基于主采煤层覆岩破坏高度精准预计和含水层的充水规律评价，确定富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区。
对于主采煤层与水体之间的距离大于垮裂安全性分区，则进行顶水开采方案，对于主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，则进行先疏后采方案或边采边疏方案。
并且本发明实施例中的开采方案可以是顶水开采与疏干或疏降开采相结合、钻孔先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、覆岩控制与含水层疏降程度相结合的方案。
本发明实施例通过对水体和岩体检测，从而获取不同水体与主采煤层的空间关系，基于覆岩破坏规律和含水层的富水特性，综合考虑煤矿安全和经济合理双重因素，结合具体的地质采矿条件和相应的采煤工艺，通过顶水开采与疏干或疏降开采相结合、钻孔先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、覆岩控制与含水层疏降程度相结合技术，将允许工作面出水但不形成灾害作为平衡点，控制工作面的涌水量大小及涌水形式，实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采，大大降低过量疏放水钻孔而造成的人为导水通道隐患，减少钻孔工程量及排水费用。
在上述实施例的基础上，所述根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案的步骤，具体包括：
根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系；
若主采煤层与水体之间的距离大于垮裂安全性分区，则进行顶水开采方案。
具体的，本发明实施例中所描述的顶水开采是指对水体不作任何处理，采用顶水开采方案。
在上述实施例的基础上，所述根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系的步骤之后，所述方法还包括：
若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，则进行先疏后采方案。
具体的，图2为本发明一实施例所描述的井下疏水钻孔布置示意图，如图2所示，包括松散含水层、导水裂缝带顶点、岩基含水层、垮落带顶点、煤层和疏水钻孔。
本发明实施例所描述的先疏后采设计是指对于距离主采煤层距离较近(位于垮落带和导水裂缝带范围内)的强含水体，则对水体实行先疏后采，目的是采用疏水钻孔预先疏放含水层的静储量，降低回采初期含水层压力和瞬时水量，避免工作面瞬间涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范围内。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，
将所述富水性分区中的水体和垮裂安全性分区中的水体通过回采的方式，将水体导入倒水裂缝带分区，实现对水体进行疏降，同时进行采煤。
具体的，图3为本发明一实施例所描述的回采疏降示意图，如图3所示，导水裂缝带从下而上分为垮落区、严重断裂区、一般开裂区、微小开裂区，而微小开裂区部分可以起到既能实现安全开采又能限制涌水量大小的双重作用。对于已通过钻孔疏降的含水层和位于导水裂缝带微小开裂区范围内的含水层，通过回采过程控制不同导水裂缝带分区进入含水层的范围，借助回采裂缝的导水性差异实现对含水层的逐步疏降，控制涌水量和涌水形式。
在上述实施例的基础上，所述先疏后采方案具体是指，根据富水性分区中的水层压力信息和水体水量信息确定疏水钻孔深度、间距和数量；
对所述富水性分区中的水体进行钻孔疏降后，然后进行采煤。
具体的，本发明实施例中所描述的疏水孔设计是在工作面正上方和后方采空区形成疏降漏斗，对含水层水位起到疏降作用，控制在安全水量范围之内。
本发明实施例还可以。回采工作面覆岩破坏高度观测，可采用井上下钻孔注水试验配合钻孔窥视技术方法、物探方法和微震监测等综合方法实现对于包含水体自动监测***设计和覆岩破坏高度观测设计。通过对采动影响范围内的不同水体通过布设井上下自动监测***，实现对水体受采动影响程度的监测。内容包括地表水体水位、流量、流速等水文信息；含水层水位、水量、水压、水温和水质等信息。
图4为本发明另一实施例所描述的控水采煤设计流程图，如图4所示，包括：收集矿井地质资料、水文地质资料和采矿资料，然后结合钻探、物探探查和三维地质建模确定复合水体赋存特征信息；通过现场实测、经验公式或裂比法，确定主采煤层覆岩破坏高度预测信息；从而根据复合水体赋存特征信息和主采煤层覆岩破坏高度预测信息进行复合水体威胁精准评价和分区，确定富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；从而得到复合水体下控水开采方案；对于导水裂缝带范围外的水体采用顶水开采，对于导水裂缝带范围内的水体，采用先疏后采或边疏边采的方案；同时对于开采全过程进行实施动态监测，实时监测地表水和含水层信息，同时对覆岩破坏高度实时监测，从而最终实现复合水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采。
图5为本发明一实施例所描述的复合水体下的控水采煤装置结构示意图，如图5所示，包括：获取模块510和采煤模块520；其中，获取模块510用于获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；其中，采煤模块520用于根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
本发明实施例提供的装置是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
本发明实施例通过对水体和岩体检测，从而获取不同水体与主采煤层的空间关系，基于覆岩破坏规律和含水层的富水特性，综合考虑煤矿安全和经济合理双重因素，结合具体的地质采矿条件和相应的采煤工艺，通过顶水开采与疏干或疏降开采相结合、钻孔先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、覆岩控制与含水层疏降程度相结合技术，将允许工作面出水但不形成灾害作为平衡点，控制工作面的涌水量大小及涌水形式，实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采，大大降低过量疏放水钻孔而造成的人为导水通道隐患，减少钻孔工程量及排水费用。
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，包括：
获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；
根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案,所述控水开采方案的步骤包括：根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系；若主采煤层与水体之间的距离大于垮裂安全性分区，则进行顶水开采方案。
2.根据权利要求1所述复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，所述根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系的步骤之后，所述方法还包括：
若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区，则进行先疏后采方案。
3.根据权利要求2所述复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，所述方法还包括：
若主采煤层与富水性分区之间的距离小于或等于垮裂安全性分区；
将所述富水性分区中的水体和垮裂安全性分区中的水体通过回采的方式，将导水裂缝带上部微小开裂区进入水体，实现对水体进行逐步疏降，进行边疏边采方案。
4.根据权利要求1所述复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，所述顶水开采方案具体是指对水体不做任何处理，直接在主采煤层进行开采。
5.根据权利要求2所述复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，所述先疏后采方案具体是指，根据富水性分区中的水层压力信息和水体水量信息确定疏水钻孔深度、间距和数量；
对所述富水性分区中的水体进行钻孔疏降或疏干后，然后进行采煤。
6.根据权利要求3所述复合水体下的控水采煤方法，其特征在于，所述边疏边采方案具体是指，对于已通过钻孔疏降的含水层和位于导水裂缝带微小开裂区范围内的含水层，通过回采过程控制不同导水裂缝带分区进入含水层的范围，借助回采裂缝的导水性差异实现对含水层的逐步疏降；
对所述富水性分区中的水体进行边疏边采。
7.一种复合水体下的控水采煤装置，其特征在于，包括：
获取模块,用于获取复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息，以根据所述复合水体赋存特征信息和煤层覆岩破坏高度预测信息得到富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区；
采煤模块，用于根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水开采方案,所述控水开采方案的步骤包括：根据所述富水性分区、垮裂安全性分区和突涌水分区确定控水主采煤层和水体之间的位置关系；若主采煤层与水体之间的距离大于垮裂安全性分区，则进行顶水开采方案。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述复合水体下的控水采煤方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述复合水体下的控水采煤方法的步骤。
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