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)造應力的沉積層中，尤其是在硬煤層中采煤工作面的設(shè)計方法，這種方法是通過確定開采方向、開采長度、開采速度和開采順序來實現(xiàn)的，從而能根據(jù)礦體中構(gòu)造斷層及已被發(fā)現(xiàn)的各個地質(zhì)斷層的傾向、走向、落差，以及構(gòu)造能的形式來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都被用作設(shè)計工具和用來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，在對礦層部分進行預測過程中考慮了礦層形成時所發(fā)生的構(gòu)造力學過程。這是因為當形成礦層時，會產(chǎn)生構(gòu)造力的連接，這里的礦層是工作面設(shè)計的對象，可以把這些構(gòu)造力連接用作工作面設(shè)計的工具，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)計的工具，也改進了相關(guān)的揭煤及開采工作的設(shè)計過程。因此，在這種已知的方法中，對于工作面設(shè)計來說，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。在這個過程中，由于考慮了構(gòu)造力學過程，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)計工作面的結(jié)論；對于獲得關(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)計工具和工作面設(shè)計本身已經(jīng)成為一些旨在改進的措施的對象。
就在礦體中采煤工作面的定向而言，設(shè)計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程中又產(chǎn)生了其它的問題。煤層就在巖層附近，會導致工作地點產(chǎn)出量的下降，甚至會導致不得不放棄這個開采盤區(qū)。
于是，本發(fā)明的目的是提高總體設(shè)計方法中設(shè)計工具的預測能力。
這個問題的解決方案，包括其優(yōu)點及本發(fā)明的進一步改進可從說明書后面的權(quán)利要求書中看出。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，根據(jù)已知的和預知的礦層沖蝕(seamoutwashes)的走向、走向長度，并考慮褶皺能和構(gòu)造機械能所引起的構(gòu)造力作用，進而在礦體內(nèi)設(shè)計出采煤工作面。
術(shù)語“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、礦層中的透鏡狀夾層、侵蝕溝槽礦層的填入及一般的礦層侵蝕。在開采過程中，礦層沖蝕會帶來諸多問題，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，從而導致“支護問題”，而且開采機械上的開采工具磨損得很厲害，在一些地方還不得不把機采換成炮采。此外，礦層沖蝕還還導致任意相同的產(chǎn)出煤中，尾礦數(shù)量增大，從而導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，那么礦層沖蝕訓導致需另外開辟工作地點，以獲得更高的回采率或需花預算外的投資來開掘另外的采煤工作面，這樣就不可能按原來設(shè)計的開采順序來進行開采了。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是，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相對嚴重的礦層沖蝕和/或繞過常出現(xiàn)礦層沖蝕的地點，從而避免了上述困難。
在本發(fā)明的一個實施例中，確定出大規(guī)模的礦層位移和/或位移區(qū)域的位置，確定時考慮了礦層中固有的等距離，當開拓礦層沖蝕時，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方向上的位移和/或區(qū)域成一個比例。
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，這個區(qū)域在附近的路徑延伸很長的距離。在這個過程中，在這個位移上發(fā)生了更大的或更小的巖體移動。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。如果當已存在一些大斷層時，背斜仍然向上皺起，那么在隆皺過程中，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。此時如果背斜軸線相互間在斷層兩側(cè)不是正相對，那么就不會交互發(fā)生解集和破碎，而會并排地發(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來調(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走向，并一個接一個和并排地延伸很長的距離。作為一個規(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米的魯爾石炭紀中向西傾斜。
在這個例子中，應當注意，當設(shè)計采煤工作面時，處于與主導位移和/或位移區(qū)域交叉的大斷層會明顯地改變走向，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，借助于偏轉(zhuǎn)的褶皺能，解集被合閉起來，這也適用于魯爾石炭紀中向西傾斜的大斷層底板上的解集。另一巖體移動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，如果材料和移動僅發(fā)生在一個位移區(qū)域，那么用于調(diào)整解集的能耗會更大。
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長的距離。這種巖石的劃分產(chǎn)生一個延伸區(qū)域，這個延伸區(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，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，這種劃分會影響褶皺能和反壓。這些褶皺能和反壓被位移偏轉(zhuǎn)。當褶皺能通過寬工作面到達巖層時，并列的能量偏轉(zhuǎn)與加入的能量和越來越大的反壓有關(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，位于位移區(qū)域之間的斷層都會有相對大的落差。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角地偏轉(zhuǎn)。在這個方向(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，那么就會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，來自兩個系統(tǒng)的剪切斷層在能量流動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于采煤工作面的設(shè)計是非常重要的，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，后來形成的斷層是在后期形成的。這種走向上的不同可以通過材料在相反方向朝位移區(qū)域的剪切斷層的移動來解釋，礦層沖蝕和后來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約30哥恩(gon)的角，這適用于魯爾石炭紀；然而，這個在相反方向上的角頂點表示巖體在剪切斷層的兩邊上的移動方向相反。因此，首先，(已在沉積期間)巖體的移動已存在于總的走向上，，后來垂直于后者；仍有彈性巖體有向東和西移動，后來(固化到一定程度后)又向北移動。沉積巖的偏轉(zhuǎn)垂直于最大的水平巖石應力，對于魯爾石炭紀，這個方向是南南東—北北西，這個偏轉(zhuǎn)對于魯爾石炭紀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，這種移動的方向與后來的移動方向相反，從而決定了礦層沖蝕的走向。
礦層沖蝕是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來預測的，預測時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測的礦層沖蝕相平行。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，產(chǎn)生另一種預測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)系來進行的。兩個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，當設(shè)計采煤工作面的方向時，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，這個逆掩斷層位于它的北面。后來的能量差在構(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，那么就會有相似的情況。而且，褶皺和夾層的破碎是非常重要的，因為在每種情況中，在設(shè)計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)計采煤工作面時，必須考慮落差大于10米的且傾向和走向大致平行的兩個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，那么巖層中的應力就會疊加，就魯爾石炭紀而言，這800米的距離是非常重要的，因為在一些魯爾石炭紀區(qū)域，這個距離是大型構(gòu)造逆掩斷層之間的一個非常重要的間隔。
此外，在采煤工作面的方向設(shè)計過程中，必須考慮在逆掩斷層的頂板上與分層的垂直距離達到約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，這是一個重要的因素；此處，隨后的應力將會相對小，因為在構(gòu)造力作用中的應力分配會因早期可能的弱區(qū)域而形成一個空間，礦層沖蝕就在這個空間內(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)明的一個實施例中，設(shè)計采煤工作面時，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)明的一個實施例中，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)造移動會更小一些；不曾發(fā)生與在弱區(qū)域上的移動相聯(lián)系的礦層沖蝕。在這種情況下，設(shè)計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，同時較大范圍的調(diào)整工作面支護，并使用合適的開采設(shè)備。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，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)整工作面支護和開采設(shè)備，使其達到已確定的值，這是可行的。
為實現(xiàn)本發(fā)明中的各個實施例，單獨考慮和結(jié)合起來考慮以上的說明書、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)計方法，通過確定出開采方向、開采長度、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)造斷層和各個已被發(fā)現(xiàn)的各個地質(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)造巖體的移動都作為一種設(shè)計工具，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)已知的和預知的礦層沖蝕的走向、走向長度和寬度，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，同時考慮礦層中固有的等距離，并且當在距該位置的距離小于300米處開拓礦層沖蝕時，就確定礦層沖蝕的走向，并使之與位移和/或位移區(qū)域在能量流動方向上成一個比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于通過礦層沖蝕及位移和/或位移區(qū)域的走向線之間的一已知角模式，預測礦層沖蝕的位置處于位移和/或位移區(qū)域的另一個走向的已知角上，把開采方向確定為平行于預定的礦層沖蝕。
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，預測礦層沖蝕的位置平行于位移和/或位移區(qū)域的另一個走向，并把開采方向確定為平行預測的礦層沖蝕。
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測的中斷，預測已知的或預測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測的礦層沖蝕。
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)，且預測頂板區(qū)域的走向平行于這個逆掩斷層，那么就應打鉆孔和/或采取超聲波探測，以進一步弄清礦層體與距逆掩斷層達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，其特征在于當同一地層水平內(nèi)的逆掩斷層的尺寸大小有變化時，工作面開采設(shè)計應使巷道區(qū)域內(nèi)的支架之間的距離更短一些，應減小架設(shè)支架的遲延時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于當在傾向和走向大致平行的兩個逆掩斷層之間有一小于800米的垂直于分層的距離對于大部分工作面的設(shè)計都應排除具有已知的和/或預測的礦層沖蝕的區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于當存在一個褶皺破碎，它大致橫切能量供給方向，具有已知或預測的礦層沖蝕并位于褶皺能量陰影中的區(qū)域應排除在大部分工作面設(shè)計之外。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于當存在一個褶皺破碎，它大致橫切能量供給方向，在具有已知的和/或預測的礦層沖蝕的褶皺能量陰影區(qū)域中，應設(shè)計產(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，其特征在于當存在一個褶皺破碎，該褶皺破碎大致橫切能量供給方向，那么對于具有已知的和/或預測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短距離的地方存在一厚層的砂巖，那么設(shè)計工作面開采時就不需采取措施來預測礦層沖蝕，但是必須提供更大范圍的調(diào)整工作面支護和調(diào)整合適的開采設(shè)備的措施，以調(diào)整對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)所確定的值來調(diào)整工作面支護和開采設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明的目的是在具有構(gòu)造應力的沉積層,如硬煤層中,工作面開采操作設(shè)計的方法的可靠性通過確定開采方向、開采長度、開采速度及開采順序來提高。為此,應根據(jù)與褶皺能及構(gòu)造能相關(guān)的構(gòu)造力作用,按照礦層體已探測到的礦層侵蝕及設(shè)計的礦層侵蝕的走向、走向長度和寬度來確定開采操作的方向。
文檔編號E21C41/16GK1207155SQ96199490
公開日1999年2月3日 申請日期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 申請人:魯阿科勒股份公司