專利名稱：確定工作面尤其是硬煤層中的工作面之最優(yōu)定向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在具有構(gòu)造應(yīng)力的沉積層中，尤其是在硬煤層中采煤工作面的設(shè)計(jì)方法，這種方法是通過(guò)確定開采方向、開采長(zhǎng)度、開采速度和開采順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而能根據(jù)礦體中構(gòu)造斷層及已被發(fā)現(xiàn)的各個(gè)地質(zhì)斷層的傾向、走向、落差，以及構(gòu)造能的形式來(lái)確定采煤工作面的位置，在巖層中由構(gòu)造能引起的解集、破碎和壓裂并受此影響的礦體移動(dòng)都被用作設(shè)計(jì)工具和用來(lái)確定要被開采的礦層體。
在WO 95/14155中描述了一種這種類型的方法。在這種方法中，在對(duì)礦層部分進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)程中考慮了礦層形成時(shí)所發(fā)生的構(gòu)造力學(xué)過(guò)程。這是因?yàn)楫?dāng)形成礦層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生構(gòu)造力的連接，這里的礦層是工作面設(shè)計(jì)的對(duì)象，可以把這些構(gòu)造力連接用作工作面設(shè)計(jì)的工具，因此，能獲得更精確的有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造的形式和特性的數(shù)據(jù)，從而能改善用于工作面設(shè)計(jì)的工具，也改進(jìn)了相關(guān)的揭煤及開采工作的設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，在這種已知的方法中，對(duì)于工作面設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以獲得大型構(gòu)造和小型構(gòu)造或原始斷層和后形成的斷層之間的相互連接。在這個(gè)過(guò)程中，由于考慮了構(gòu)造力學(xué)過(guò)程，因而能更快地給出這樣的信息，如已知斷層落差在走向上或其它方向上是保持不變，還是增大或減小。因此，利用這種已有的方法，已經(jīng)能確定已知斷層在走向和傾向上變化的大小，并從這些變化中可得出如何設(shè)計(jì)工作面的結(jié)論；對(duì)于獲得關(guān)于斷層是如何斷開的數(shù)據(jù)并以之作為巖層傾向的一個(gè)函數(shù)，即褶皺狀態(tài)的函數(shù)是可能的，并依此調(diào)整采煤工作面。因此，用這種方法已經(jīng)能夠獲得更精確的關(guān)于大型和小型構(gòu)造的形式和特性的數(shù)據(jù)，工作面設(shè)計(jì)工具和工作面設(shè)計(jì)本身已經(jīng)成為一些旨在改進(jìn)的措施的對(duì)象。
就在礦體中采煤工作面的定向而言，設(shè)計(jì)的可靠性雖然已得到提高，但是在開采恰在巖層附近的煤層的過(guò)程中又產(chǎn)生了其它的問(wèn)題。煤層就在巖層附近，會(huì)導(dǎo)致工作地點(diǎn)產(chǎn)出量的下降，甚至?xí)?dǎo)致不得不放棄這個(gè)開采盤區(qū)。
于是，本發(fā)明的目的是提高總體設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)工具的預(yù)測(cè)能力。
這個(gè)問(wèn)題的解決方案，包括其優(yōu)點(diǎn)及本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)可從說(shuō)明書后面的權(quán)利要求書中看出。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，根據(jù)已知的和預(yù)知的礦層沖蝕(seamoutwashes)的走向、走向長(zhǎng)度，并考慮褶皺能和構(gòu)造機(jī)械能所引起的構(gòu)造力作用，進(jìn)而在礦體內(nèi)設(shè)計(jì)出采煤工作面。
術(shù)語(yǔ)“礦層沖蝕”是指礦層中的不規(guī)則性，其包括礦層貧化、填砂、礦層匯接、分裂礦層、礦層中的透鏡狀?yuàn)A層、侵蝕溝槽礦層的填入及一般的礦層侵蝕。在開采過(guò)程中，礦層沖蝕會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，如由于緊鄰巖層而造成采出的煤炭中尾礦數(shù)量的增加，冒頂傾向更大，從而導(dǎo)致“支護(hù)問(wèn)題”，而且開采機(jī)械上的開采工具磨損得很厲害，在一些地方還不得不把機(jī)采換成炮采。此外，礦層沖蝕還還導(dǎo)致任意相同的產(chǎn)出煤中，尾礦數(shù)量增大，從而導(dǎo)致地面上的矸石山更高。而且，如果在同一礦井中，非要產(chǎn)出相同的煤炭，那么礦層沖蝕訓(xùn)導(dǎo)致需另外開辟工作地點(diǎn)，以獲得更高的回采率或需花預(yù)算外的投資來(lái)開掘另外的采煤工作面，這樣就不可能按原來(lái)設(shè)計(jì)的開采順序來(lái)進(jìn)行開采了。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，在大部分情況下都能避免上面所提到的困難。采取在工作面走向上繞過(guò)相對(duì)嚴(yán)重的礦層沖蝕和/或繞過(guò)常出現(xiàn)礦層沖蝕的地點(diǎn)，從而避免了上述困難。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，確定出大規(guī)模的礦層位移和/或位移區(qū)域的位置，確定時(shí)考慮了礦層中固有的等距離，當(dāng)開拓礦層沖蝕時(shí)，在距此少于300米外確定出礦層沖蝕的走向，并使之與在能量流動(dòng)方向上的位移和/或區(qū)域成一個(gè)比例。
原則上，巖層被較大的大致平行的位移區(qū)域以特寫的間隔分隔開，這個(gè)區(qū)域在附近的路徑延伸很長(zhǎng)的距離。在這個(gè)過(guò)程中，在這個(gè)位移上發(fā)生了更大的或更小的巖體移動(dòng)。依靠巖層的傾向和所加入的構(gòu)造能以及局部的破碎，在位移區(qū)域的范圍內(nèi)，在構(gòu)造力作用過(guò)程中了斷層，這種斷層在從微小的剪切到落差大于100米的大斷層。
在多數(shù)情況下，大位移區(qū)域都開始或終止于大的背斜與大的斷層交叉處的區(qū)域。如果當(dāng)已存在一些大斷層時(shí)，背斜仍然向上皺起，那么在隆皺過(guò)程中，在斷層的上面就產(chǎn)生解集(disaggregations)，而在斷層的下面產(chǎn)生破碎。此時(shí)如果背斜軸線相互間在斷層兩側(cè)不是正相對(duì)，那么就不會(huì)交互發(fā)生解集和破碎，而會(huì)并排地發(fā)生巖體順差和逆差。這種巖體的逆差和順差被材料在位移上的移動(dòng)來(lái)調(diào)整。除了大位移區(qū)域外，有可能存在具有其它走向的位移區(qū)域。這種區(qū)域有一特定的走向，于是，這種走向方向是主導(dǎo)走向，并一個(gè)接一個(gè)和并排地延伸很長(zhǎng)的距離。作為一個(gè)規(guī)律，這種主要的位移產(chǎn)生于大背斜層與落差大于200米的大斷層的交叉處，走向縱向上的位移和/或位移區(qū)域大約垂直于走向，主要發(fā)生在主導(dǎo)位移和/或位移區(qū)域與大斷層的交叉處，并在落差大于200米的魯爾石炭紀(jì)中向西傾斜。
在這個(gè)例子中，應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)設(shè)計(jì)采煤工作面時(shí)，處于與主導(dǎo)位移和/或位移區(qū)域交叉的大斷層會(huì)明顯地改變走向，這種走向的改變得在構(gòu)造作用期間，在斷層的底板發(fā)生相對(duì)大的解集，在頂板發(fā)生破碎。由于在位移上發(fā)生巖體移動(dòng)，借助于偏轉(zhuǎn)的褶皺能，解集被合閉起來(lái)，這也適用于魯爾石炭紀(jì)中向西傾斜的大斷層底板上的解集。另一巖體移動(dòng)可以在第二位移上發(fā)生，這第二位移需要關(guān)閉那兒的解集；在更大的解集區(qū)域里，如果材料和移動(dòng)僅發(fā)生在一個(gè)位移區(qū)域，那么用于調(diào)整解集的能耗會(huì)更大。
很大的大體平行的位移區(qū)域或位移以特定的間隔劃分巖石，位移區(qū)域沿著相鄰路徑延伸相對(duì)長(zhǎng)的距離。這種巖石的劃分產(chǎn)生一個(gè)延伸區(qū)域，這個(gè)延伸區(qū)域具有一系列斷層，在其它不太明確的礦層中，可以認(rèn)為也存在這些斷層。這系列斷層是根據(jù)信移區(qū)域的等距離而形成的，因此，在魯爾石炭紀(jì)，在東西走向的大的主要位移之間的距離大約為5.2Km。這種大的主要位移是潛在的，并且在這種情況下，通常是弱區(qū)域。而且，位移區(qū)域或位移位于這些弱區(qū)域之間，間隔都為0.8至1.5Km，這取決于褶皺能的衰減情況。
相對(duì)大的大體平行的位移區(qū)域或位移將巖石以特定的間隔劃分，這種劃分會(huì)影響褶皺能和反壓。這些褶皺能和反壓被位移偏轉(zhuǎn)。當(dāng)褶皺能通過(guò)寬工作面到達(dá)巖層時(shí)，并列的能量偏轉(zhuǎn)與加入的能量和越來(lái)越大的反壓有關(guān)。因此，其它構(gòu)造斷層的形成被影響，根據(jù)定律，這種影響是構(gòu)造力作用的一種函數(shù)關(guān)系。于是，位于相對(duì)大的位移區(qū)域或位移區(qū)域內(nèi)的斷層通常具有更小的落差或損壞。斷層或損壞是來(lái)自兩側(cè)，位于鄰近位移的區(qū)域和/或又從這里開始的區(qū)域。這特別適用于那些下落距在100米以下的相對(duì)小的斷層；斷層的走向也發(fā)生改變。這些同樣適用于逆掩斷層。在構(gòu)造力作用內(nèi)，根據(jù)這些交叉點(diǎn)，位于位移區(qū)域之間的斷層都會(huì)有相對(duì)大的落差。巖石一層一層地被加入，使得在這種區(qū)域內(nèi)，小型構(gòu)造斷層上的移動(dòng)的可能性是有限的。
在褶皺能衰減后，礦層內(nèi)的主要位移和/或位移區(qū)域的走向朝向大的背斜和逆掩斷層區(qū)域。更大的隆皺和/或逆掩斷層的大小是與構(gòu)造能的衰減情況相聯(lián)系的。因此，在能量流動(dòng)方向上，不同大小的能量并列地形成，較大的能量在較低能量方向上對(duì)角地偏轉(zhuǎn)。在這個(gè)方向(走向)上產(chǎn)生剪切斷層，這些剪切斷層是形成和產(chǎn)生位移的原因，尤其是在構(gòu)造力作用過(guò)程中。剪切斷層是在早期形成的，它們能被看作巖石的征兆。
如果具有東西走向的主要位移和/或位移區(qū)域與背斜和/或逆掩斷層區(qū)域相會(huì)，那么就會(huì)由于它們的隆皺和逆掩斷層的大小而產(chǎn)生具有南北走向的主要位移和/或位移區(qū)域，來(lái)自兩個(gè)系統(tǒng)的剪切斷層在能量流動(dòng)方向上從背斜和逆掩斷層區(qū)域相互疊加。從而造成具有南北走向的位移和/或位移區(qū)域。
礦層沖蝕的走向之間的差別對(duì)于采煤工作面的設(shè)計(jì)是非常重要的，這種走向的差別一般是一次又一次地出現(xiàn)，礦層沖蝕在早期階段形成，后來(lái)形成的斷層是在后期形成的。這種走向上的不同可以通過(guò)材料在相反方向朝位移區(qū)域的剪切斷層的移動(dòng)來(lái)解釋，礦層沖蝕和后來(lái)形成的斷層的走向平行于位移區(qū)域的走向，或者是這些走向方向一起形成一個(gè)約30哥恩(gon)的角，這適用于魯爾石炭紀(jì)；然而，這個(gè)在相反方向上的角頂點(diǎn)表示巖體在剪切斷層的兩邊上的移動(dòng)方向相反。因此，首先，(已在沉積期間)巖體的移動(dòng)已存在于總的走向上，，后來(lái)垂直于后者；仍有彈性巖體有向東和西移動(dòng)，后來(lái)(固化到一定程度后)又向北移動(dòng)。沉積巖的偏轉(zhuǎn)垂直于最大的水平巖石應(yīng)力，對(duì)于魯爾石炭紀(jì)，這個(gè)方向是南南東—北北西，這個(gè)偏轉(zhuǎn)對(duì)于魯爾石炭紀(jì)中的礦層沖蝕的走向是很重要的，這樣，就在位移和/或弱區(qū)域上產(chǎn)生移動(dòng)，這種移動(dòng)的方向與后來(lái)的移動(dòng)方向相反，從而決定了礦層沖蝕的走向。
礦層沖蝕是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例來(lái)預(yù)測(cè)的，預(yù)測(cè)時(shí)考慮了上面提到的各方面，在每種情況下，把采煤工作面的開采方向確定為與預(yù)測(cè)的礦層沖蝕相平行。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，產(chǎn)生另一種預(yù)測(cè)礦層沖蝕的形式的方法是根據(jù)與存在的逆掩斷層之間的聯(lián)系來(lái)進(jìn)行的。兩個(gè)逆掩斷層可能在切斷總體走向或相同方向上的狹窄段的直線上發(fā)生破碎，在這種情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)采煤工作面的方向時(shí)，必須也包括礦層沖蝕，該礦層沖蝕的走向在該直線方向上或在狹窄段上。這成其適用于這樣的礦層侵蝕，即這種礦層侵蝕起始于朝南的逆掩斷層的破碎區(qū)域，并且在逆掩斷層前約400米發(fā)生破碎，這個(gè)逆掩斷層位于它的北面。后來(lái)的能量差在構(gòu)造力作用中有早期的影響，如果具有東西走向的位移或具有南北走向的位移在向北面的相同區(qū)域上發(fā)生破碎，那么就會(huì)有相似的情況。而且，褶皺和夾層的破碎是非常重要的，因?yàn)樵诿糠N情況中，在設(shè)計(jì)中都必須考慮南北走向的破碎區(qū)域礦層沖蝕的北面的情況，作為東部破碎區(qū)域內(nèi)東西走向的礦層沖蝕。
此外，在設(shè)計(jì)采煤工作面時(shí)，必須考慮落差大于10米的且傾向和走向大致平行的兩個(gè)逆掩斷層之間的交叉線。在這種情況下，如果逆掩斷層之間的垂直于分層的距離小于800米，那么巖層中的應(yīng)力就會(huì)疊加，就魯爾石炭紀(jì)而言，這800米的距離是非常重要的，因?yàn)樵谝恍敔柺考o(jì)區(qū)域，這個(gè)距離是大型構(gòu)造逆掩斷層之間的一個(gè)非常重要的間隔。
此外，在采煤工作面的方向設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮在逆掩斷層的頂板上與分層的垂直距離達(dá)到約400米的礦層沖蝕；這里，礦層沖蝕平行于逆掩斷層延伸。在這種情況下，逆掩斷層位于大背斜系統(tǒng)的北面和南面并朝南和北傾斜，這是一個(gè)重要的因素；此處，隨后的應(yīng)力將會(huì)相對(duì)小，因?yàn)樵跇?gòu)造力作用中的應(yīng)力分配會(huì)因早期可能的弱區(qū)域而形成一個(gè)空間，礦層沖蝕就在這個(gè)空間內(nèi)形成。
在構(gòu)造力作用期間，逆掩斷層的頂板區(qū)域受到源于礦層滑移的應(yīng)力影響。這與同一地層水平內(nèi)的逆掩斷層上的落差變化相關(guān)。在這種情況下，礦層滑移給具有礦層沖蝕的區(qū)域造成更大的破壞，因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)計(jì)采煤工作面時(shí)，已規(guī)定減小巷道內(nèi)的支架之間的距離，減小在工作面區(qū)域內(nèi)架設(shè)支架的延遲。
此外，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，礦層的巖相是非常重要的。厚的砂巖層嵌入礦層一個(gè)短距離，表示沉積層靠近采煤工作面，并且在該區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造移動(dòng)會(huì)更小一些；不曾發(fā)生與在弱區(qū)域上的移動(dòng)相聯(lián)系的礦層沖蝕。在這種情況下，設(shè)計(jì)采煤工作面就不需要考慮礦層沖蝕。然而，必須采取措施調(diào)整工作面以開采較薄的煤層，同時(shí)較大范圍的調(diào)整工作面支護(hù)，并使用合適的開采設(shè)備。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，借助以前在狹窄的鉆網(wǎng)中的沉孔，確定礦層的最小厚度，然后調(diào)整工作面支護(hù)和開采設(shè)備，使其達(dá)到已確定的值，這是可行的。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例，單獨(dú)考慮和結(jié)合起來(lái)考慮以上的說(shuō)明書、權(quán)利要求書和摘要都是非常重要的。
權(quán)利要求
1.在構(gòu)造應(yīng)力的沉積礦層中，尤其是在硬煤層中采煤工作面操作的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)確定出開采方向、開采長(zhǎng)度、開采速度和開采順序確定采煤工作面的位置，把礦體中的構(gòu)造斷層和各個(gè)已被發(fā)現(xiàn)的各個(gè)地質(zhì)斷層的傾向、走向，和落差以及因構(gòu)造能引起的巖石內(nèi)的褶皺能的形式、解集、破碎和擠壓及由此所引起的構(gòu)造巖體的移動(dòng)都作為一種設(shè)計(jì)工具，以決定把要開拓和開采的礦體作為工作面，其特征在于礦層中的采煤工作面開采方向是根據(jù)已知的和預(yù)知的礦層沖蝕的走向、走向長(zhǎng)度和寬度，并考慮因褶皺能和構(gòu)造力作用引起的構(gòu)造力作用而確定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定出大規(guī)模位移和/或位移區(qū)域的位置，同時(shí)考慮礦層中固有的等距離，并且當(dāng)在距該位置的距離小于300米處開拓礦層沖蝕時(shí)，就確定礦層沖蝕的走向，并使之與位移和/或位移區(qū)域在能量流動(dòng)方向上成一個(gè)比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于通過(guò)礦層沖蝕及位移和/或位移區(qū)域的走向線之間的一已知角模式，預(yù)測(cè)礦層沖蝕的位置處于位移和/或位移區(qū)域的另一個(gè)走向的已知角上，把開采方向確定為平行于預(yù)定的礦層沖蝕。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于根據(jù)礦層沖蝕和位移和/或位移區(qū)域走向上已知的平行模式，預(yù)測(cè)礦層沖蝕的位置平行于位移和/或位移區(qū)域的另一個(gè)走向，并把開采方向確定為平行預(yù)測(cè)的礦層沖蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的所述方法，其特征在于根據(jù)在大規(guī)模位移和/或位移區(qū)域模式中的已知的或預(yù)測(cè)的中斷，預(yù)測(cè)已知的或預(yù)測(cè)的礦層沖蝕的模式處于位移和/或位移區(qū)域的走向方向上，并把開采方向確定為平行于預(yù)測(cè)的礦層沖蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的所述方法，其特征在于如果得知礦層沖蝕處于一逆掩斷層的頂板區(qū)域內(nèi)，且預(yù)測(cè)頂板區(qū)域的走向平行于這個(gè)逆掩斷層，那么就應(yīng)打鉆孔和/或采取超聲波探測(cè)，以進(jìn)一步弄清礦層體與距逆掩斷層達(dá)400米的分層之間的垂直距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于當(dāng)同一地層水平內(nèi)的逆掩斷層的尺寸大小有變化時(shí)，工作面開采設(shè)計(jì)應(yīng)使巷道區(qū)域內(nèi)的支架之間的距離更短一些，應(yīng)減小架設(shè)支架的遲延時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于當(dāng)在傾向和走向大致平行的兩個(gè)逆掩斷層之間有一小于800米的垂直于分層的距離對(duì)于大部分工作面的設(shè)計(jì)都應(yīng)排除具有已知的和/或預(yù)測(cè)的礦層沖蝕的區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于當(dāng)存在一個(gè)褶皺破碎，它大致橫切能量供給方向，具有已知或預(yù)測(cè)的礦層沖蝕并位于褶皺能量陰影中的區(qū)域應(yīng)排除在大部分工作面設(shè)計(jì)之外。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于當(dāng)存在一個(gè)褶皺破碎，它大致橫切能量供給方向，在具有已知的和/或預(yù)測(cè)的礦層沖蝕的褶皺能量陰影區(qū)域中，應(yīng)設(shè)計(jì)產(chǎn)出量小一些的工作面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于當(dāng)存在一個(gè)褶皺破碎，該褶皺破碎大致橫切能量供給方向，那么對(duì)于具有已知的和/或預(yù)測(cè)的礦層沖蝕的能量陰影內(nèi)的區(qū)域而言，把開采方向確定在礦層沖蝕的走向方向上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的方法，其特征在于如果距離礦層一個(gè)短距離的地方存在一厚層的砂巖，那么設(shè)計(jì)工作面開采時(shí)就不需采取措施來(lái)預(yù)測(cè)礦層沖蝕，但是必須提供更大范圍的調(diào)整工作面支護(hù)和調(diào)整合適的開采設(shè)備的措施，以調(diào)整對(duì)薄礦層的工作面開采。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于借助于在一狹窄的鉆網(wǎng)內(nèi)超前鉆孔，確定被發(fā)現(xiàn)的最小的礦層的厚度，并根據(jù)所確定的值來(lái)調(diào)整工作面支護(hù)和開采設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明的目的是在具有構(gòu)造應(yīng)力的沉積層,如硬煤層中,工作面開采操作設(shè)計(jì)的方法的可靠性通過(guò)確定開采方向、開采長(zhǎng)度、開采速度及開采順序來(lái)提高。為此,應(yīng)根據(jù)與褶皺能及構(gòu)造能相關(guān)的構(gòu)造力作用,按照礦層體已探測(cè)到的礦層侵蝕及設(shè)計(jì)的礦層侵蝕的走向、走向長(zhǎng)度和寬度來(lái)確定開采操作的方向。
文檔編號(hào)E21C41/16GK1207155SQ96199490
公開日1999年2月3日 申請(qǐng)日期1996年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月13日
發(fā)明者W·艾爾哈德特, J·羅斯 申請(qǐng)人:魯阿科勒股份公司