煤炭资源开采绿色减损控制方法及系统

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及煤炭资源开采绿色减损控制方法及系统。

背景技术：

1、目前，我国煤炭开采常用的方法是长壁开采方法，长壁开采工作面回采后，覆岩顶板自然垮落，煤层上方的岩层自下而上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，最终导致岩层损伤断裂、岩层和地表下沉，从而产生地表塌陷、地下水流失、水土流失等各类环境问题。鉴于此，本发明提出一种煤炭资源开采绿色减损控制方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了煤炭资源开采绿色减损控制方法及系统，可以减轻、减缓上覆岩层运动剧烈程度，减小岩层运动空间，从而降低采矿引起的岩层和地表环境损伤，实现绿色开采，保护矿区生态环境。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、煤炭资源开采绿色减损控制方法，包括以下步骤：

4、建立岩层理论控制方程，基于所述岩层理论控制方程，确立理论目标和工程实际目标；

5、基于所述理论目标和所述工程实际目标，确立控制准则，基于所述控制准则，确立顶板岩层控制的工程目标；

6、基于所述顶板岩层控制的工程目标，根据模型实验、现场测量和数值模拟获取顶板岩层的运动规律，确立顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小；

7、基于所述顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小，针对不同地点和时间采取相应的控制技术对顶板岩层进行控制，实现地表减沉。

8、优选的，建立岩层理论控制方程的方法包括：

9、定义损伤系数k1、k2、k3，建立采矿引起的地表沉降损伤变量、裂隙带岩层损伤变量和垮落矸石碎胀变量的关系，确定损伤系数之间关系的控制方程即岩层理论控制方程：

10、k1+k2+k3=1，

11、其中，k1=v1/v，为采矿引起的垮落矸石碎胀变量；k2=v2/v，为采矿引起的裂隙带岩层损伤变量；k3=v3/v，为采矿引起的地表沉降损伤变量；v1为垮落带内碎胀岩体的空隙体积，v2为覆岩裂隙带及弯曲下沉带中的离层和裂隙体积，v3为地表下沉体积，v为采出煤炭的体积。

12、优选的，所述理论目标为：在理想条件下k1=1或k1+k2=1，即垮落的顶板岩体碎胀后完全充填采空区，或者虽未充分充填但产生的顶板离层不再向地表传递，地表不产生下沉；

13、所述工程实际目标为：依据地表所处位置不同，判断地表允许的下沉量，当地表下沉量达到准许的临界下沉量时，通过控制技术对顶板离层或采空区进行处理，实现对地表的减沉控制，使地表下沉量不超过临界值。

14、优选的，所述顶板岩层控制的工程目标为：当地表所对应的是建筑地时，其地表所允许下沉量x1；当地表所对应的是田地时，其地表所允许的地表下沉量x2，当地表所对应的是山地时，其地表所允许的地表下沉量x3。

15、优选的，根据模型实验、现场测量和数值模拟获取顶板岩层的运动规律，确立顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小的方法包括：

16、建立基于相似材料的煤层开采物理实验模型，对采空区的垮落过程、顶板的离层过程及其运动过程进行模拟，获得模型实验结果；

17、现场测量k1、k2、k3，获取顶板离层、裂隙和垮落矸石碎胀的变形量即现场实测结果；

18、通过控制变量法，对煤层的厚度、煤的埋深和顶板岩层分布对地表下沉量的影响分别进行模拟，获得煤层厚度、煤层埋深和采空区顶板岩层分布因素与地表下沉量的关系即数值模拟结果；

19、对模型实验结果、现场实测结果和数值模拟结果进行分析，获得某条件下采空区垮落岩体空隙、裂隙带离层和裂隙、地表下沉产生的时间、空间大小。

20、优选的，针对不同地点和时间采取相应的控制技术对顶板岩层进行控制的方法包括：

21、通过顶板定向切缝的方法，控制一定区域内的岩体垮落高度和碎胀程度，使其完全充填采矿空间；

22、通过对液压支架进行调控，增大顶板垮落后的碎胀系数，使顶板垮落后顶板岩石的碎胀特性充填采矿空间；

23、通过地面钻孔向采空区注浆，充填破碎岩体之间的空隙；

24、通过地面钻孔对顶板离层部位进行注浆，将顶板离层运动阻断。

25、本发明还公开了煤炭资源开采绿色减损控制系统，包括：控制方程构建模块、控制准则构建模块、工程数据获取模块和控制措施采取模块；

26、所述控制方程构建模块用于建立岩层理论控制方程，基于所述岩层理论控制方程，确立理论目标和工程实际目标；

27、所述控制准则构建模块用于基于所述理论目标和所述工程实际目标，确立控制准则，基于所述控制准则，确立顶板岩层控制的工程目标；

28、所述工程数据获取模块用于基于所述顶板岩层控制的工程目标，根据模型实验、现场测量和数值模拟获取顶板岩层的运动规律，确立顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小；

29、所述控制措施采取模块用于基于所述顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小，针对不同地点和时间采取相应的控制技术对顶板岩层进行控制，实现地表减沉。

30、优选的，建立岩层理论控制方程的过程包括：

31、定义损伤系数k1、k2、k3，建立采矿引起的地表沉降损伤变量、裂隙带岩层损伤变量和垮落矸石碎胀变量的关系，确定损伤系数之间关系的控制方程即岩层理论控制方程：

32、k1+k2+k3=1，

33、其中，k1=v1/v，为采矿引起的垮落矸石碎胀变量；k2=v2/v，为采矿引起的裂隙带岩层损伤变量；k3=v3/v，为采矿引起的地表沉降损伤变量；v1为垮落带内碎胀岩体的空隙体积，v2为覆岩裂隙带及弯曲下沉带中的离层和裂隙体积，v3为地表下沉体积，v为采出煤炭的体积。

34、优选的，所述理论目标为：在理想条件下k1=1或k1+k2=1，即垮落的顶板岩体碎胀后完全充填采空区，或者虽未充分充填但产生的顶板离层不再向地表传递，地表不产生下沉；

35、所述工程实际目标为：依据地表所处位置不同，判断地表允许的下沉量，当地表下沉量达到准许的临界下沉量时，通过控制技术对顶板离层或采空区进行处理，实现对地表的减沉控制，使地表下沉量不超过临界值。

36、优选的，所述顶板岩层控制的工程目标为：当地表所对应的是建筑地时，其地表所允许下沉量x1；当地表所对应的是田地时，其地表所允许的地表下沉量x2，当地表所对应的是山地时，其地表所允许的地表下沉量x3。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、本发明提出了煤炭资源开采绿色减损控制方法及系统，通过建立岩层理论控制方程，基于所述岩层理论控制方程，确立理论目标和工程实际目标；基于所述理论目标和所述工程实际目标，确立控制准则，基于所述控制准则，确立顶板岩层控制的工程目标；基于所述顶板岩层控制的工程目标，根据模型实验、现场测量和数值模拟获取顶板岩层的运动规律，确立顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小；基于所述顶板裂隙、离层产生的时间和空间大小，针对不同地点和时间采取相应的控制技术对顶板岩层进行控制，实现地表减沉。本发明可以减轻、减缓上覆岩层运动剧烈程度，减小岩层运动空间，从而降低采矿引起的岩层和地表环境损伤，实现绿色开采，保护矿区生态环境。

39、附图说明

40、为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

41、图1是煤炭资源开采绿色减损控制方法的主要步骤示意图；

42、图2是煤层未开采前岩层结构示意图；

43、图3是煤层开采后垮落岩体未完全充填采空区造成地表下沉示意图；

44、图4是垮落带、裂隙带、弯曲下沉带损伤体积示意图；

45、图5是顶板切缝技术影响区域示意图；

46、图6是支架调控技术影响区域示意图；

47、图7是垮落岩体碎胀后完全充填采空区示意图；

48、图8是采空区注浆使地表减沉示意图；

49、图9是顶板离层注浆使地表减沉示意图；