绿色开采方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本发明涉及煤矿安全开采技术领域，尤其涉及一种绿色开采方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.煤层开采后上覆岩层在重力的作用下将会发生破断和下沉运动，随着我国煤炭开采技术的进一步发展，西部矿区新建矿井开采强度十分巨大，西部矿区开采呈现大采高、超长工作面、快速推进等特征。在高强度开采下采动覆岩下沉空间大、速度快，采动覆岩剧烈破坏，岩层极易破断导水和大幅度下沉运动，进而引发矿井水害事故和地表沉陷等一系列安全和环境问题。
3.现有技术中，低损开采方法主要有限厚开采，条带开采，分层开采，充填开采、覆岩离层注浆技术等，现有矸石处理方法主要有井下固体充填、粉碎注浆充填和工业利用等。
4.然而，现有的低损开采方法以牺牲采出率、开采效率和增大开采成本为代价，不能兼顾绿色安全开采和高效经济开采，而现有的矸石处理技术生产能力不足，且处理成本较高。


技术实现要素：

5.本发明提供一种绿色开采方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中低损开采方法以牺牲采出率、开采效率和增大开采成本为代价，不能兼顾绿色安全开采和高效经济开采，而现有的矸石处理技术生产能力不足，且处理成本较高的缺陷。
6.本发明提供一种绿色开采方法，包括：
7.获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；
8.在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；
9.基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；
10.在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
11.根据本发明提供的一种绿色开采方法，所述基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式，包括：
12.基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量；
13.基于所述预裂工程量，确定所述预裂方式。
14.根据本发明提供的一种绿色开采方法，所述在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填，包括：
15.基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填
钻孔布置位置；
16.在所述煤层开采完成后，基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填。
17.根据本发明提供的一种绿色开采方法，所述基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填，包括：
18.基于所述注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。
19.根据本发明提供的一种绿色开采方法，所述含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，所述导水裂缝带预测高度是基于所述含煤地层中覆岩类型确定的。
20.根据本发明提供的一种绿色开采方法，所述含煤地层的预裂弱化层是基于所述含煤地层的覆岩强度、所述含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。
21.本发明还提供一种绿色开采装置，包括：
22.获取单元，用于获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；
23.确定预裂方式单元，用于在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；
24.开采单元，用于基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；
25.充填单元，用于在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
26.本发明还提供一种电子设备，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上述任一种所述绿色开采方法。
27.本发明还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上述任一种所述绿色开采方法。
28.本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述绿色开采方法。
29.本发明提供的绿色开采方法、装置、电子设备及存储介质，基于预裂方式对预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采，在煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填，预裂方式是在采动导水裂缝顶界与含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度确定的。由此，通过预裂坚硬岩层实现覆岩破坏和地表沉陷的综合控制，对比传统低损开采方法具有低成本、高采出率、不影响生产等突出优势；并且，通过向预裂破坏后碎胀堆积体注入矸石浆液，利用碎胀堆积体的大空隙度和应变强化特性，允许更大颗粒矸石注入，延长注浆时间并提高注浆量，从而提高矸石的处理能力和岩层控制效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明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。
31.图1是本发明提供的绿色开采方法的流程示意图；
32.图2是本发明提供的绿色开采装置的结构示意图；
33.图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。
35.本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类。
36.相关技术中，煤层开采后上覆岩层在重力的作用下将会发生破断和下沉运动，采动裂隙带发育至含水层时将会引发矿井大量涌水、含水层水资源流失甚至导致突水溃砂等水害事故，而地表沉降将会造成地表建、构筑物和地表土层破坏。采动覆岩破坏给矿井安全生产和矿区生态环境造成巨大威胁。控制导水裂隙带发育高度和采动岩层移动减少地表沉陷实现低损开采，对保障矿井安全生产和保护矿区生态环境具有极其重要的意义。
37.同时，煤矿开采将会产生大量矸石等固体废料，矸石等固体废料露天堆放将会造成空气，水源和土壤的污染，大量煤基固废的处理和高效合理利用具有巨大的经济价值和环境价值。
38.现有的低损开采方法主要有限厚开采，条带开采，分层间隔开采，充填开采、覆岩离层注浆技术等。限厚开采以降低煤层开采厚度，只采出部分煤层来实现降低开采扰动；条带开采又称部分开采，是将煤层划分为若干分带，开采部分条带，遗留部分条带煤柱支撑顶板；分层间隔开采是利用厚煤层分层开采时下分层开采引起的导水裂缝带增加高度显著低于上分层导水裂缝高度，分层间隔开采导水裂缝带累计高度显著小于综放开采和综采一次采全高导水裂缝带高度的原理降低导水裂缝带高度；充填开采是通过向采空区充入充填材料支撑顶板，降低开采扰动；覆岩离层注浆通过向覆岩不协调变形产生的离层空间中注入充填浆液实现对地表下沉的控制。
39.现有矸石处理方法主要有井下固体充填、粉碎注浆充填和工业利用等。矸石井下固体充填使用专用充填支架，在支架支护下及时将破碎矸石充入采空区支撑顶板；破碎矸石浆液充填将矸石充分破碎后制成浆液通过管道将矸石输运至覆岩离层空间或者采空区充填开采空间；矸石工业利用是利用矸石制作建筑材料、肥料、发电燃料等工业产品。
40.然而，限厚开采和部分开采将会大幅度降低采出率；分层间隔开采将会降低采煤
效率，深部和冲击危险性矿井上分层开采时煤巷底板难以维护，同时不利于煤层防火；充填开采需要大量易于运输的材料在短时间内达到一定强度以及时支撑顶板，同时充填作业会与采煤作业相互干扰，将大幅增加成本并且造成生产效率降低。
41.矸石固体充填需要专用的充填设备和工艺，工艺复杂、生产效率低、生产成本高；矸石浆液注浆充填受空隙大小影响显著，同时覆岩破坏压实周期较短，采空区空隙随上覆岩层下沉闭合，一般方法注浆充填矸石处理能力不足；矸石工业利用受运输成本和生产力的约束难以处理大量的矸石。
42.简而言之，即现有低损开采方法以牺牲采出率、开采效率和增大开采成本为代价，不能兼顾绿色安全开采和高效经济开采。现有矸石处理利用技术生产能力不足，且处理成本较高。
43.基于上述问题，本发明提供一种绿色开采方法，图1是本发明提供的绿色开采方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
44.步骤110，获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界。
45.具体地，考虑到岩体破坏的不可逆性，破坏岩体均会产生体积膨胀，消耗一部分的采出空间。在采动应力的作用下，距离煤层较近，同时强度较低的岩体将会充分破坏，破坏后产生的块体块度较小且能乱堆积到采空区，采动破坏膨胀量较大；当岩体强度较高且结构完整时，采动后容易形成较大的块体，工作面推过一定距离后大面积破断下沉，整齐堆积在采空区，采动破坏膨胀量较小。
46.煤层采出引起的岩层移动和导水裂缝带发育的根本原因是煤层采出后上覆岩层存在下沉空间，低损开采根本上应该从控制采出空间出发。
47.统计表明顶板强度高且结构完整时采动导水裂缝带高度显著大于顶板强度较低时的导水裂缝带高度。
48.水力压裂能够在岩层中制造裂隙网络，同时压裂岩体与水相互作用后强度将会大幅度降低，水力压裂能显著降低岩层的完整性和整体强度。采用水力压裂对顶板岩层进行处理，再借助矿山压力作用进一步破坏岩体减小顶板的破坏块度，使其杂乱堆积到采空区中，能增大顶板岩体破坏膨胀量，降低上覆岩层的下沉移动空间。
49.同时注意到，压裂和采动作用后产生的碎胀岩体空隙度大，是典型的应变强化材料，但初始刚度较小。上覆岩层作用初期破碎岩体对上覆岩层的支撑作用较小，控制覆岩层下沉和破坏的效果有限。
50.并且，注意到压裂及采动破坏后产生的碎胀岩体的大空隙度和应变强化特性为矸石浆液注入提供了足够的空间和时间，既能够允许更大颗粒的矸石颗粒注入，降低矸石破碎成本，又能够延长注浆时间，增大矸石浆液注入量。矸石浆液注入一方面能够充填破碎体的空隙，增大碎胀体的刚度，降低覆岩破坏范围和地表下沉量；另一方面能够增大矸石处理量，避免矸石排放造成的环境污染。
51.压裂处理坚硬覆岩结合破碎矸石注浆充填能大幅度降低采动导水裂缝带高度和地表沉陷。
52.因此，可以获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，此处的含煤地层的导水裂缝带高度是指采动致使上覆岩层断裂导水的最大高度，触及覆岩含水层时将会造成
含水层水资源流失、矿井涌水量增大甚至矿井水害事故，一般导水裂缝带高度从煤层顶板开始算起。
53.还可以获取矿井水文地质条件、地层结构特征、地层岩石力学参数、本矿井及临近的相似地质条件矿井地表沉陷和导水裂缝带高度实测数据。此处的矿井水文地质条件反映了矿井周围的水文地质好坏情况，此处的地层结构特征反映了含煤地层结构层面的特征信息，此处的地层岩石力学参数反映了岩石破碎和稳定两方面的参数，也可以反映岩石在不同物理环境中各种应力状态下的变形参数、破坏规律。
54.本矿井及临近的相似地质条件矿井地表沉陷和导水裂缝带高度实测数据可以用于确定导水裂缝带高度。
55.可以理解的是，矿井水文地质条件、地层结构特征、地层岩石力学参数、本矿井及临近的相似地质条件矿井地表沉陷和导水裂缝带高度实测数据会对煤层开采产生影响，因此，还需要参考到这些因素对煤层开采的影响。
56.此处的导水裂缝带高度可以是基于含煤地层的第一矿井的观测数据、第一矿井的相似矿井的观测数据，以及导水裂缝带预测高度确定的。
57.此处的采动导水裂缝顶界是指用煤层底板标高减去导水裂缝带高度得到的。
58.地表沉陷，是指由地下采空区顶板的冒落所造成的地面变形，地表沉陷数据可以是基于覆岩类型确定的，此处的地表沉陷数据可以包括地表下沉系数和水平移动系数，也可以包括主要影响角正切、开采影响传播角、拐点偏移距离，还可以包括地表下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、开采影响传播角、拐点偏移距离等，本发明实施例对此不作具体限定。
59.其中，地表沉陷数据如表1所示：
60.表1.地表沉陷数据
61.[0062][0063]
步骤120，在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式。
[0064]
具体地，在确定采动导水裂缝顶界之后，可以在采动导水裂缝顶界与含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，确定预裂方式。
[0065]
此处的含煤地层的含水层是指以含裂隙水为主的含水层，含煤地层的含水层主要由各种孔隙裂隙较发育岩石所构成。
[0066]
此处的第一预设阈值为隔水岩柱高度值，此处的隔水岩柱高度值是基于覆岩类型确定的，其中，隔水岩柱高度值要求如表2所示。
[0067]
表2.隔水岩柱高度值要求
[0068][0069]
表2中∑m为累计采厚，n为分层层数，表2适用于缓倾斜(0
°
～35
°
)、中倾斜(36
°
～54
°
)煤层。
[0070]
此处的第二预设阈值可以包括地表下沉系数的预设阈值、水平移动系数的预设阈值、主要影响角正切的预设阈值、开采影响传播角的预设阈值、拐点偏移距离的预设阈值等，本发明实施例对此不作具体限定。
[0071]
例如，在表1中，覆岩类型为坚硬时，地表沉陷数据中的地表下沉系数的预设阈值为0.54，地表沉陷数据中的水平移动系数的预设阈值为0.3；又例如，覆岩类型为中硬时，地表沉陷数据中的主要影响角正切的预设阈值为2.40，地表沉陷数据中的地表下沉系数的预设阈值为0.84等。
[0072]
即，在采动导水裂缝顶界与含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值的情况下，可以基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，确定预裂方式，或者在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间的岩层厚度，确定预裂方式。
[0073]
此处，可以基于预裂弱化层厚度，确定预裂工程量，再基于预裂工程量确定预裂方式。
[0074]
此处的预裂弱化层是指含煤地层中需要进行预裂的层，此处的预裂方式可以包括井下定向水平钻孔水力压裂技术和地表定向长钻孔分段水力压裂技术等，本发明实施例对此不作具体限定。
[0075]
例如，如果含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度较薄，则可以采取预裂方式为井下定向水平钻孔分段水力压裂技术，如果含煤地层的预裂弱化层与煤层之间的岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度较厚，则可以采取预裂方式为地表定向长钻孔分段水力压裂技术。
[0076]
此处的水力压裂技术是指利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中使完整岩层破坏产生网状裂缝。
[0077]
步骤130，基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采。
[0078]
具体地，在确定预裂方式之后，可以基于预裂方式对预裂弱化层进行预裂，例如，可以采取定向井下水平钻孔分段水力压裂技术对预裂弱化层进行预裂，也可以采取地表定向长钻孔分段水力压裂技术对预裂弱化层进行预裂等，本发明实施例对此不作具体限定。
[0079]
在预裂完成后，进行煤层开采。此处，可以根据预裂弱化层的岩层厚度、强度、工作面尺寸等因素以充分预裂岩层、改变岩层采动破坏形式为目的确定预裂施工方案。
[0080]
在确定预裂施工方案之后，可以在煤层开采前进行预裂施工。预裂施工过程中可以通过微震监测技术监测预裂裂隙发育情况，确保充分压裂弱化坚硬岩层。
[0081]
此处的微震监测技术是利用煤岩破裂产生的微震信息来判断压裂裂隙发育的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法。
[0082]
此处的预裂裂隙发育特征表征了目标地层预裂裂隙发育情况。
[0083]
步骤140，在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
[0084]
具体地，可以在煤层开采完成后，可以进行煤基固废注浆充填。例如，可以先确定注浆充填钻孔布置位置，再基于注浆充填钻孔布置位置进行煤基固废注浆充填。
[0085]
例如，可以将煤矸石粉碎等煤基固废与粉煤灰、水泥和相应添加剂按照一定比例配置，以形成便于管道高效运输的煤基固废注浆充填浆液。
[0086]
可以理解的是，煤基固废注浆充填浆液应在合理控制成本的条件下便于运输并具有一定的胶结性能，能与预裂和矿山压力作用后杂乱堆积在采空区的破碎岩体形成对上覆岩层具有支撑作用的组合承载体。
[0087]
注浆充填可以充分利用已施工的压裂井以及其他钻孔以降低钻孔成本。根据注浆钻孔控制面积，压裂处理后的冒落区的空隙总量和空隙结构特征确定每个钻孔的注浆充填量以便于提前准备充填原材料。注浆钻孔终孔位置应该布置到压裂层位之上，保证浆液能够流入杂乱堆积体内部充填堆积体空隙。
[0088]
通过设计施工的注浆钻孔向压裂处理后的冒落带内部注入煤基固废浆液，注浆过程中通过井下监测和注浆压力监测判断注浆情况。
[0089]
此外，还需要进行压裂-注浆充填效果检验，即通过井下及地面钻孔、矿山压力显现、岩层移动监测、地表下沉测量、矿井导水裂缝带高度探测、矿井涌水量变化等数据综合判断压裂-注浆充填控制地表沉陷和采动导水裂缝带高度效果。
[0090]
可以理解的是，本发明实施例通过水力压裂改造煤层近场的厚硬岩层，使其在矿山压力作用下能充分破坏，采后能在采空区形成杂乱堆积体。增大厚硬岩层的采动破坏膨胀量并依靠厚硬岩层充分破坏形成的充分破坏体的高空隙度和应变硬化特性为煤基固废浆液注浆充填提供空间和时间。
[0091]
并利用矸石浆液充填空隙后形成的组合承载体限制上覆岩层的下沉运动和破坏，能在不影响采出率和开采效率的情况下实现导水裂缝带高度的控制和地表沉陷的控制。
[0092]
由此，既能降低开采扰动，又能处理煤矿开采和利用排放的大量固体废物。对比传统低损开采方法具有低成本、高采出率、不影响生产等突出优势，同时也为大规模处理煤基固废提供了解决方案，适用于顶板赋存厚硬岩层的厚煤层开采。即，本发明实施例为实现保水开采、煤矿顶板水害防控、地表下沉控制和矸石处理提供了一种高效、低成本的新途径。
[0093]
可以理解的是，本发明中的绿色开采方法减小了开采成本，可以兼顾绿色安全开采和高效经济开采的要求。
[0094]
本发明实施例提供的方法，基于预裂方式对坚硬岩层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采，在煤层开采完成后，在采空区进行煤基固废注浆充填，预裂方式是在导水裂缝顶界与含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度确定的。由此，通过预裂坚硬岩层实现覆岩破坏和地表沉陷的综合控制，对比传统低损开采方法具有低成本、高采出率、不影响生产等突出优势；并且，通过向预裂破坏后碎胀堆积体注入矸石浆液，利用碎胀堆积体的大空隙度和应变强化特性，允许更大颗粒矸石注入，延长注浆时间并提高注浆量，从而提高矸石的处理能力和岩层控制效果。
[0095]
基于上述实施例，步骤120包括：
[0096]
步骤121，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量；
[0097]
步骤122，基于所述预裂工程量，确定所述预裂方式。
[0098]
具体地，考虑到煤层采厚对预裂方式的选择也会产生影响，因此，可以基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量。此处的煤层采厚是指煤层的可采厚度，此处的预裂工程量是指进行压裂施工所需的工程量。
[0099]
可以理解的是，含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度越厚，以及煤层采厚越大，预裂工程量越大；含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度越薄，以及煤层采厚越小，预裂工程量越小。
[0100]
在确定预裂工程量之后，可以基于预裂工程量，确定预裂方式。
[0101]
例如，当预裂工程量较小时，即当含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度较薄且煤层采厚越小时，可以采取井下定向水平钻孔水力压裂技术为预裂方式。
[0102]
又例如，当预裂工程量较大时，即当含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度较厚且煤层采厚越大时，可以采取地表定向长钻孔分段水力压裂技术为预裂方式。
[0103]
本发明实施例提供的方法，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量，再基于预裂工程量，确定预裂方式，提高了预裂方式确定的准确性和可靠性。
[0104]
基于上述实施例，步骤140包括：
[0105]
步骤141，基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置；
[0106]
步骤142，在所述煤层开采完成后，基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填。
[0107]
具体地，在进行煤基固废注浆充填之前，需要先确定注浆充填钻孔布置位置，因此，可以基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置。
[0108]
此处的注浆充填钻孔布置位置反映了用于煤基固废注浆充填的钻孔位置信息。
[0109]
此处的渗流规律是指以浆液颗粒沉积下的顶板破坏堆积体空隙演化和浆液运移
为主线，反映了注浆浆液在破碎顶板堆积体中的扩散和颗粒沉积特征的规律。
[0110]
在常规灌浆中浆液被从灌浆孔中压出向地层中扩散，设想扩散的平面范围为一圆，该圆的半径即为浆液扩散半径。
[0111]
在煤层开采完成后，可以基于注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填。
[0112]
本发明实施例提供的方法，基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置，提高了注浆充填钻孔布置位置确定的准确性和可靠性，在煤层开采完成后，基于注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填，提高了煤基固废注浆充填的高效性和合理性，又能处理煤矿开采和利用排放的大量固体废物。
[0113]
基于上述实施例，步骤142包括：
[0114]
基于所述注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。
[0115]
具体地，在进行煤基固废注浆充填时，还可以结合导水裂缝带高度控制目标和地表减沉目标。
[0116]
即，可以基于注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。
[0117]
此处的导水裂缝带高度控制目标可以参见表2隔水岩柱高度值要求中的各高度控制目标，此处的地表减沉目标可以参见表1地表沉陷数据中的各地表减沉目标。
[0118]
可以理解的是，在满足导水裂缝带高度控制目标，和/或，地表减沉目标的情况下，再基于注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填，进一步提高了煤基固废注浆充填的准确性和可靠性。
[0119]
基于上述实施例，所述含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，所述导水裂缝带预测高度是基于所述含煤地层中覆岩类型确定的。
[0120]
具体地，含煤地层的导水裂缝带高度可以是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的。当缺乏同一矿井和相似矿井两带高度数据时，可以依据经验公式及其他方法确定导水裂缝带高度。基于统计规律的导水裂缝带高度如表3所示：
[0121]
表3.导水裂缝带预测高度公式
[0122][0123]
表3中∑m为累计采厚。导水裂缝带预测高度公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m。计算公式中
±
号项为中误差。
[0124]
此外，也可以基于关键层理论确定导水裂缝带预测高度：当关键层位于7-10倍采高范围内时，采动导水裂缝带发育至该关键层控制岩层顶部。
[0125]
还可以基于变形分析法确定导水裂缝带预测高度：岩层层向拉伸变形率大于一临界值时岩层拉伸破坏产生纵向裂隙导水。
[0126]
其中，层向拉伸变形率的公式如下：
[0127][0128]
其中，ε为岩层拉伸变形率；h为岩层距离煤层顶板高度，m；wk为煤层上方第k+1层岩层的下沉量，m；μ＝cotδ0+cotψ3,δ0为煤层采动边界角，ψ3为充分采动角。
[0129]
各种岩性岩层断裂导水极限：(1)软弱岩层，裂采比为7.8～8.3，岩层层向临界拉伸率大于0.40％；(2)中硬岩层，裂采比为10.0～15.88，岩层层向临界拉伸率为0.1％～0.24％；(3)坚硬岩层，裂采比为19.2，岩层层向临界拉伸率为0.04％。
[0130]
在基于含煤地层中覆岩类型确定导水裂缝带预测高度、基于关键层理论确定导水裂缝带预测高度，以及基于变形分析法确定导水裂缝带预测高度之后，可以取三种计算方法中得到的最大值作为导水裂缝带预测高度，本发明实施例对此不作具体限定。
[0131]
此处的第一矿井的观测数据是指同一矿井有两带观测钻孔时以矿井内钻孔观测得到的裂采比数据。也可以以第一矿井的观测数据作为未采工作面导水裂缝带高度计算依据。
[0132]
此处的第一矿井的相似矿井的观测数据是指同一矿井内没有两带观测记录时，优先采用临近的覆岩结构和开采参数相似矿井导水裂缝带观测数据。还可以以第一矿井的相似矿井的观测数据预测本工作面开采导水裂缝带高度。
[0133]
本发明实施例提供的方法，含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，由此，
提高了含煤地层的导水裂缝带高度确定的准确性和可靠性。
[0134]
基于上述实施例，所述含煤地层的预裂弱化层是基于所述含煤地层的覆岩强度、所述含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。
[0135]
具体地，含煤地层的预裂弱化层可以是基于含煤地层的覆岩强度、含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。此处的含煤地层的覆岩强度反映了含煤地层的覆岩的抗压强度，此处的含煤地层的采动覆岩破坏特征反映了含煤地层的覆岩的破坏情况。
[0136]
例如，可以收集矿井岩层柱状图和岩层岩石力学参数，根据岩层结构和强度参数综合确定坚硬主控岩层。预裂弱化层层位的确定原则有：
[0137]
(1)岩层结构致密、完整性好、强度高，具有良好的可压性。
[0138]
(2)对采动地层活动具有主控作用，薄层硬质岩层对采动裂缝发育的影响较小，当覆岩中赋存的硬质地层厚度达到煤层采厚2倍以上时，其对采动覆岩活动的控制作用显著。坚硬岩层厚度越大对上覆岩层活动的控制作用越显著，对其进行预裂弱化控制导水裂缝带高度和上覆地层活动作用效果更好。
[0139]
(3)岩层在整个工作面，采区甚至矿井区域内赋存稳定。预裂弱化坚硬岩层控制岩层移动是对整个工作面、采区、甚至是整个矿井岩层移动的全面控制，因此在采区甚至矿井范围内赋存稳定且厚度相对均匀的岩层可作为理想的预裂弱化层。
[0140]
(4)根据采动覆岩破坏特征，将距离煤层较近、采动作用下能够充分破坏杂乱堆积的岩层称为小块度破坏区，将覆岩强度较高，采动作用下呈现大块度破断的岩层称为大块度破坏区，选择大块度破坏区岩层作为预裂弱化层。
[0141]
基于上述任一实施例，一种绿色开采方法，步骤如下：第一步，获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界。还可以获取矿井水文地质条件、地层结构特征、地层岩石力学参数、本矿井及临近的相似地质条件矿井地表沉陷和导水裂缝带高度实测数据。
[0142]
此处的含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，此处的导水裂缝带预测高度是基于含煤地层中覆岩类型确定的。
[0143]
第二步，在采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量。
[0144]
第三步，基于预裂工程量，确定所述预裂方式。
[0145]
第四步，基于预裂方式对预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采。
[0146]
此处的含煤地层的预裂弱化层是基于含煤地层的覆岩强度、含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。
[0147]
第五步，基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置。
[0148]
第六步，在煤层开采完成后，基于注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。
[0149]
下面对本发明提供的绿色开采装置进行描述，下文描述的绿色开采装置与上文描述的绿色开采方法可相互对应参照。
[0150]
基于上述任一实施例，本发明提供一种绿色开采装置，图2是本发明提供的绿色开采装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：
[0151]
获取单元210，用于获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；
[0152]
确定预裂方式单元220，用于在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；
[0153]
开采单元230，用于基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；
[0154]
充填单元240，用于在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
[0155]
本发明实施例提供的装置，基于预裂方式对预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采，在煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填，预裂方式是在导水裂缝顶界与含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于含煤地层的预裂弱化层与煤层之间的岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度确定的。由此，通过预裂坚硬岩层实现覆岩破坏和地表沉陷的综合控制，对比传统低损开采方法具有低成本、高采出率、不影响生产等突出优势；并且，通过向预裂破坏后碎胀堆积体注入矸石浆液，利用碎胀堆积体的大空隙度和应变强化特性，允许更大颗粒矸石注入，延长注浆时间并提高注浆量，从而提高矸石的处理能力和岩层控制效果。
[0156]
基于上述任一实施例，确定预裂方式单元220具体用于：
[0157]
基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量；
[0158]
基于所述预裂工程量，确定所述预裂方式。
[0159]
基于上述任一实施例，充填单元240具体用于：
[0160]
确定注浆充填钻孔布置位置单元，用于基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置；
[0161]
煤基固废注浆充填单元，用于在所述煤层开采完成后，基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填。
[0162]
基于上述任一实施例，煤基固废注浆充填单元具体用于：
[0163]
基于所述注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。
[0164]
基于上述任一实施例，所述含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，所述导水裂缝带预测高度是基于所述含煤地层中覆岩类型确定的。
[0165]
基于上述任一实施例，所述含煤地层的预裂弱化层是基于所述含煤地层的覆岩强度、所述含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。
[0166]
图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(communications interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通
信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行绿色开采方法，该方法包括：获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
[0167]
此外，上述的存储器330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。
[0168]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的绿色开采方法，该方法包括：获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
[0169]
又一方面，本发明还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以执行上述各方法提供的绿色开采方法，该方法包括：获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。
[0170]
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。
[0171]
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。
[0172]
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。

技术特征：
1.一种绿色开采方法，其特征在于，包括：获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。2.根据权利要求1所述的绿色开采方法，其特征在于，所述基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式，包括：基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，以及煤层采厚，确定预裂工程量；基于所述预裂工程量，确定所述预裂方式。3.根据权利要求1所述的绿色开采方法，其特征在于，所述在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填，包括：基于煤基固废注浆充填的浆液冒落带内部的渗流规律和扩散半径，确定注浆充填钻孔布置位置；在所述煤层开采完成后，基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填。4.根据权利要求3所述的绿色开采方法，其特征在于，所述基于所述注浆充填钻孔布置位置，进行煤基固废注浆充填，包括：基于所述注浆充填钻孔布置位置，以及导水裂缝带高度控制目标和/或地表减沉目标，进行煤基固废注浆充填。5.根据权利要求1所述的绿色开采方法，其特征在于，所述含煤地层的导水裂缝带高度是基于第一矿井的观测数据、所述第一矿井的相似矿井的观测数据和导水裂缝带预测高度中的任一种确定的，所述导水裂缝带预测高度是基于所述含煤地层中覆岩类型确定的。6.根据权利要求1所述的绿色开采方法，其特征在于，所述含煤地层的预裂弱化层是基于所述含煤地层的覆岩强度、所述含煤地层的采动覆岩破坏特征确定的。7.一种绿色开采装置，其特征在于，包括：获取单元，用于获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定采动导水裂缝顶界；确定预裂方式单元，用于在所述采动导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及所述预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；开采单元，用于基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂，在预裂完成后进行煤层开采；充填单元，用于在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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6任一项所述绿色开采方法。
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，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述绿色开采方法。10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述绿色开采方法。

技术总结
本发明提供一种绿色开采方法、装置、电子设备及存储介质，其中方法包括：获取含煤地层的导水裂缝带高度和地表沉陷数据，并基于所述导水裂缝带高度确定导水裂缝顶界；在所述导水裂缝顶界与所述含煤地层的含水层之间的距离小于第一预设阈值，或，在所述地表沉陷数据大于第二预设阈值的情况下，基于所述含煤地层的预裂弱化层与煤层之间岩层的厚度以及预裂弱化层的厚度，确定预裂方式；基于所述预裂方式对所述预裂弱化层进行预裂后进行煤层开采；在所述煤层开采完成后，进行煤基固废注浆充填。本发明提供的方法、装置、电子设备及存储介质，对比传统低损开采方法具有低成本、高采出率、不影响生产等突出优势，且提高了矸石的处理能力和岩层控制效果。力和岩层控制效果。力和岩层控制效果。


技术研发人员：张玉军 肖杰 李嘉伟 李友伟 申晨辉 张志巍 张风达 范淑敏
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/20