一种冻土区露天煤矿的采煤方法

技术领域

本发明涉及采煤技术领域，尤其涉及一种冻土区露天煤矿的采煤方法。

背景技术

露天煤矿中为了提高煤炭资源回收率和经济效益，广泛采用靠帮开采技术回收露天煤矿的端帮压煤。但受安全因素限制，只能开采部分端帮压煤，仍有部分煤炭资源压覆在端帮的边坡下。我国多数大型露天煤矿地处北方季节性冻土区域，当进入冻期后，露天煤矿的端帮的边坡形成季节性冻土层，冻结深度最大可达1-3m，冻土层造成了煤炭上覆岩层剥离困难，若对冻土层一次性进行爆破，边坡存在坍塌的安全隐患。

有鉴于此，提供一种施工安全的冻土区露天煤矿的采煤方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种施工安全的冻土区露天煤矿的采煤方法。

本发明技术方案提供一种冻土区露天煤矿的采煤方法，其中，所述冻土区露天煤矿的端帮从上往下依次分为冻土层、中间岩层和煤层；

包括如下步骤：

S01：沿着垂直于所述端帮的走向，将所述端帮依次划分为多个条带区；

其中，所述条带区包括多个间隔布置的第一条带区和多个间隔布置的第二条带区，任意相邻的两个所述第一条带区之间具有一个所述第二条带区，任意相邻的两个所述第二条带区之间具有一个所述第一条带区；

S02：采用采煤设备开采完所有的所述第一条带区下方的所述煤层；

S03：停机等待，直至开采后暴露的所述煤层的表面形成冻结层；

S04：采用所述采煤设备开采完所有的所述第二条带区下方的所述煤层；

S05：采用推土设备将剥离出的岩石排入开采完的所述条带区中形成内排台阶以覆盖住暴露的所述煤层的表面，完成一个循环的采煤作业。

在其中一项可选技术方案中，所述端帮包括从下往上依次布置的多个端帮台阶；

按照从下往上的顺序且依照步骤S01-S05的方式依次开采所述端帮台阶。

在其中一项可选技术方案中，步骤S03还包括：采用冻结厚度监测装置来监测所述冻结层的厚度。

在其中一项可选技术方案中，所述冻结厚度监测装置包括用于深埋的监测器和与所述监测器通信连接的计算机；

所述监测器包括外管、内管、密封盖和应力传感器；

所述内管悬置在所述外管的空腔中，所述密封盖盖住所述外管和所述内管的管口；

在所述内管的管壁的外表面上沿着上下方向间隔地布置有多个所述应力传感器；

所述内管中注满水；

每个所述应力传感器都与所述计算机通信连接，且每个所述应力传感器的位置信息及监测力值信息都会通过所述计算机予以显示；

其中，当所述内管中的水未结冰呈液态时，与液态的水对应处的所述应力传感器的监测力值为F

当所述内管中的水结冰呈固态时，与固态的冰对应处的所述应力传感器的监测力值大于F

在其中一项可选技术方案中，采用所述冻结厚度监测装置来监测所述冻结层的厚度的步骤如下：

S031：将所述应力传感器与所述计算机通过导线连接，在所述内管中注满水，然后组装好所述监测器；

S032：将所述外管埋入暴露的所述煤层中，并使得所述密封盖露出所述煤层的上方；

S033：静置预设时间，直至多个所述应力传感器的监测力值大于F

S034：监测力值大于F

在其中一项可选技术方案中，所述外管上安装有两根相对布置的平衡杆；

在所述步骤S032中还包括如下步骤：

将所述平衡杆放置在所述煤层的顶面上，并通过调节所述平衡杆使得所述外管竖直埋入到所述煤层中。

在其中一项可选技术方案中，所述内管的底部具有重锤，以使得所述内管在所述外管中保持处于竖直状态。

在其中一项可选技术方案中，在开采过程中通过边坡位移监测设备来监测端帮的边坡位移变形。

在其中一项可选技术方案中，所述边坡位移监测设备包括监测车、设置在所述监测车上的处理器、设置在所述监测车上的报警器、设置在所述监测车上的网络传输装置和设置在所述监测车上的雷达监测装置；

所述监测车的尾部设置有用于固定所述监测车且能够收展的车辆固定架；

所述雷达监测装置包括安装在所述监测车上的雷达支架和可调节地安装在所述雷达支架上的雷达，所述雷达在所述雷达支架上能够在水平方向和竖直方向转动调节；

所述雷达和所述报警器分别与所述处理器通信连接。

在其中一项可选技术方案中，通过所述边坡位移监测设备来监测端帮的边坡位移变形的步骤如下：

在开采作业之前，将所述监测车移动到所述端帮的所述边坡的一侧，使得所述雷达朝向所述端帮的所述边坡，打开所述车辆固定架固定所述监测车；

打开所述雷达，通过所述雷达实时监测所述边坡在开采过程的位移变化，如所述边坡的位移变化超出预设的警戒值，则通过所述报警器发出警示信号；

当需要移动所述边坡位移监测设备时，收起所述车辆固定架，将所述监测车移动到指定位置。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的冻土区露天煤矿的采煤方法，以交替开采第一条带区和第二条带区的方式进行开采端帮压煤，充分利用了开采前形成的冻土层和开采中形成的冻结层的强度来保障端帮的边坡的稳定性，提高了开采的安全性，可以进一步地回收端帮压煤，提高了煤炭资源回收率。

附图说明

图1为冻土区露天煤矿的端帮从上往下依次分为冻土层、中间岩层和煤层的示意图；

图2为沿着垂直于端帮的走向，将端帮依次划分为多个条带区，条带区包括多个间隔布置的第一条带区和多个间隔布置的第二条带区的示意图；

图3为开采完第一条带区下方的煤层的示意图；

图4为开采完第一条带区下方的煤层后，暴露的煤层的表面形成冻结层的示意图；

图5为开采完第二条带区下方的煤层的示意图；

图6为将剥离出的岩石排入开采完的条带区中形成内排台阶以覆盖住暴露的煤层的表面的示意图；

图7为冻结厚度监测装置的结构示意图；

图8为通过边坡位移监测设备来监测端帮的边坡位移变形的示意图；

图9为边坡位移监测设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-6所示，本发明一实施例提供的一种冻土区露天煤矿的采煤方法，其中，冻土区露天煤矿的端帮从上往下依次分为冻土层1、中间岩层2和煤层3。

包括如下步骤：

S01：沿着垂直于端帮的走向，将端帮依次划分为多个条带区。

其中，条带区包括多个间隔布置的第一条带区5和多个间隔布置的第二条带区6，任意相邻的两个第一条带区5之间具有一个第二条带区6，任意相邻的两个第二条带区6之间具有一个第一条带区5。

S02：采用采煤设备开采完所有的第一条带区5下方的煤层3。

S03：停机等待，直至开采后暴露的煤层3的表面形成冻结层7。

S04：采用采煤设备开采完所有的第二条带区6下方的煤层3。

S05：采用推土设备将剥离出的岩石排入开采完的条带区中形成内排台阶8以覆盖住暴露的煤层3的表面，完成一个循环的采煤作业。

本发明提供的一种冻土区露天煤矿的采煤方法，主要用于对端帮的压煤进行开采，开采时采用靠帮开采的方式进行开采。本发明提供的一种冻土区露天煤矿的采煤方法充分利用了冻土层1和冻结层7对土壤、岩层、煤层等的加固作用，由于岩、土体、煤层等冻结后硬度增大，在一定程度上提高了边坡稳定性，此时可对端帮的边坡进行二次靠帮开采进一步地回收端帮下方的压煤，提高了煤炭资源回收率。

本发明中的冻土区露天煤矿是指地处季节性冻土区域的露天煤矿。一般处于北方地区的煤矿，在冬季时，因温度低，露天煤矿的端帮会形成冻土层1。

端帮指的是位于露天采矿场的端部的边帮。靠帮开采方式为端帮开采的现有技术，在此不再赘述。

冻土区露天煤矿的端帮一般从上往下划分为冻土层1、中间岩层2和煤层3。在煤层3下方还有岩层，因不涉及本发明，在此不再详细说明。

本发明提供的冻土区露天煤矿的采煤方法的步骤如下：

第一步：沿着垂直于端帮的走向，将端帮依次划分为多个条带区。如图2端帮的走向为沿着箭头A的方向。条带区为用于条带式的开采区，其与端帮的走向垂直。

如图2所示，将条带区分为多个间隔布置的第一条带区5和多个间隔布置的第二条带区6，任意相邻的两个第一条带区5之间具有一个第二条带区6，任意相邻的两个第二条带区6之间具有一个第一条带区5。

第一条带区5为开采条带区的一个作业循环中第一次开采时的开采区，第二条带区6为开采条带区的一个作业循环中第二次开采时的开采区，因此本发明采用二次靠帮的方式对端帮进行开采。

第一条带区5和第二条带区6的最小宽度不小于开采设备的最大挖掘半径和最大卸载半径。

第二步：采用采煤设备开采完所有的第一条带区5下方的煤层3。例如，采用区域爆破的方式爆破第一条带区5表面的冻土层1和中间岩层2，然后采用挖掘机等将爆破的冻土层1和中间岩层2产生的土、岩石等剥离，露出下方的煤层3。然后采用采煤机对露出的煤层3进行截割回收，采用挖掘机、运输机等将截割后的每块运出。

按照一定的顺序将所有的第一条带区5下方的煤层3开采完，保留第二条带区6的区域不动，起到稳定支撑作用。

第三步：停机等待，由于温度较低，开采完第一条带区5后暴露的煤层3的表面会逐渐形成冻结层7。等待时间可以根据现场情况决定。当监测到冻结层7的厚度满足要求后，再进行下一步的施工。冻结层7增加了暴露的煤层3的硬度，在下一步开采第二条带区6时，在一定程度上提高了边坡稳定性。

第四步：在冻结层7形成并且厚度满足要求后，再采用采煤设备开采完所有的第二条带区6下方的煤层3。开采方式与开采第一条带区5下方的煤层3一样，在此不再赘述。

第五步：最后采用推土设备(推土机、吊斗铲等)将剥离出的岩石排入开采完的条带区中形成内排台阶8。内排台阶8覆盖住暴露的煤层3的表面，并起到压帮作用。

经过第一步至第五步的操作，完成一个循环的端帮二次靠帮采煤作业。

由此，本发明提供的冻土区露天煤矿的采煤方法，以交替开采第一条带区5和第二条带区6的方式进行开采端帮压煤，充分利用了开采前形成的冻土层1和开采中形成的冻结层7的强度来保障端帮的边坡的稳定性，提高了开采的安全性，可以进一步地回收端帮压煤，提高了煤炭资源回收率。

在其中一个实施例中，端帮包括从下往上依次布置的多个端帮台阶4。按照从下往上的顺序且依照步骤S01-S05的方式依次开采端帮台阶4。

一个循环的端帮二次靠帮采煤作业开采完一个端帮台阶4下的压煤，按照从低到高的顺序依次开采端帮台阶4，直至完成端帮压煤的开采。

在其中一个实施例中，步骤S03还包括：采用冻结厚度监测装置9来监测冻结层7的厚度。

冻结厚度监测装置9用来监测冻结层7的厚度，当监测到冻结层7的厚度为冻深或冻土层1的2/3时，即表示冻结层7的厚度满足要求，可以进行下一步作业。冻土层1的厚度可以通过钻孔的方式获取。冻土层1的厚度可以取平均厚度。为了增加安全性，冻土层1的厚度可以取最大厚度或最大冻深。

在其中一个实施例中，如图7所示，冻结厚度监测装置9包括用于深埋的监测器91和与监测器91通信连接的计算机92。

监测器91包括外管911、内管912、密封盖913和应力传感器914。

内管912悬置在外管911的空腔中，密封盖913盖住外管911和内管912的管口。

在内管912的管壁的外表面上沿着上下方向间隔地布置有多个应力传感器914。内管912中注满水。

每个应力传感器914都与计算机92通信连接，且每个应力传感器914的位置信息及监测力值信息都会通过计算机92予以显示。

其中，当内管912中的水未结冰呈液态时，与液态的水对应处的应力传感器914的监测力值为F

当内管912中的水结冰呈固态时，与固态的冰对应处的应力传感器914的监测力值大于F

冻结厚度监测装置9包括监测器91、计算机92、导线93(光纤)和调节器94。监测器91与调节器94通过一条导线93连接，调节器94与计算机92通过一条导线93连接，实现监测器91与计算机92的信号传输。

监测器91包括外管911、内管912、密封盖913和应力传感器914(布拉格应力传感器)。内管912的底部密封，密封盖913可拆卸式安装在内管912的顶部管口上。内管912插装在外管911的管腔中，并保证内管912保持竖直。密封盖913同时盖住外管911的顶部管口，外管911的底部也封闭。外管911用于在深埋在土、岩或煤中时对内部的内管912起到保护作用。

应力传感器914贴在内管912的外侧管壁上，在沿着内管912的轴向上布置有多个间隔布置的应力传感器914。优选地，应力传感器914的数量为300个，相邻的应力传感器914之间的距离为1cm。应力传感器914通过穿过密封盖913的导线93与调节器94相连，然后通过调节器94与计算机92相连。每个应力传感器914的位置都有标识，每个应力传感器914的位置信息及监测力值信息都会通过计算机92予以显示。

一般地，地下距离地表越近温度越低，距离地表越远温度越高。水的密度大于冰的密度。因此，当内管912中注满水，并在地下结冰时，一般都是从上往下结冰，冰块浮在水面上。因此当获取液面位置或冰块底面的位置后即可获取冻结深度或冻结厚度。

当内管912中的水未结冰呈液态时，与液态的水对应处的应力传感器914的监测力值为F

当内管912中的水结冰呈固态时，水冻结后膨胀对该深度或位置的应力传感器914施加应力，该深度或位置的应力传感器914的监测力值大于F

内管912可以通过毛毡918与密封盖913连接，密封盖913上设置有提环917，方便将密封盖913与内管912分离。密封盖913与外管911螺纹连接。

在其中一个实施例中，如图1、图3-4和图7所示，采用冻结厚度监测装置9来监测冻结层7的厚度的步骤如下：

S031：将应力传感器914与计算机92通过导线93连接，在内管912中注满水，然后组装好监测器91。

S032：将外管911埋入开采完第一条带区5后所暴露的煤层3中，并使得密封盖913露出煤层3的上方。

S033：静置预设时间，直至多个应力传感器914的监测力值大于F

S034：监测力值大于F

在其中一个实施例中，如图7所示，外管911上安装有两根相对布置的平衡杆915。

在步骤S032中还包括如下步骤：

将平衡杆915放置在煤层3的顶面上，并通过调节平衡杆915使得外管911竖直埋入到煤层3中。

两根平衡杆915垂直设置在外管911的外侧管壁上，且两根平衡杆915沿外管911的中轴线对称设置。在将外管911深埋时，通过按压、提拉或转动平衡杆915的方式来调整外管911，使其竖直插入在土、岩或煤中，以提高监测的精确度。两根平衡杆915放置在土、岩或煤的顶面，对监测器91起到支撑作用，避免自动下沉。

在其中一个实施例中，如图7所示，内管912的底部具有重锤916，以使得内管912在外管911中保持处于竖直状态。

在其中一个实施例中，如图8-9所示，在开采过程中通过边坡位移监测设备10来监测端帮的边坡位移变形。

边坡位移监测设备10用来监测端帮的边坡位移变形，当监测到端帮的边坡位移变形过大时，则发出警告信息，提高了施工的安全性。

在其中一个实施例中，如图9所示，边坡位移监测设备10包括监测车101、设置在监测车101上的处理器102、设置在监测车101上的报警器103、设置在监测车101上的网络传输装置104和设置在监测车101上的雷达监测装置105。

监测车101的尾部设置有用于固定监测车101且能够收展的车辆固定架107。

雷达监测装置105包括安装在监测车101上的雷达支架1051和可调节地安装在雷达支架1051上的雷达1052，雷达1052在雷达支架1051上能够在水平方向和竖直方向转动调节。

雷达1052和报警器103分别与处理器102通信连接。

边坡位移监测设备10包括监测车101、处理器102、报警器103、网络传输装置104、雷达监测装置105、蓄电池106和车辆固定架107。处理器102、报警器103、网络传输装置104、雷达监测装置105和蓄电池106均设置在监测车101上。车辆固定架107用于固定监测车101，其安装在监测车101的尾部且能够收展。车辆固定架107铰接在监测的101的尾部。当需要固定监测车101时，将车辆固定架107从监测车101的尾部向下展开，并支撑地面，以固定监测车。当需要移动监测车101时，将车辆固定架107从监测车101的尾部收起即可。

监测车101用于移动设备。处理器102可为芯片或计算机，用于对雷达监测装置105传来的信号进行处理。报警器103用于接收处理器102传来的报警信号，并发出警示信号，例如声光报警、语音报警等。网络传输装置104用于提供网络信号(例如5G信号)，以传输数据。蓄电池106为处理器102、报警器103、网络传输装置104和雷达监测装置105提供电力。

雷达监测装置105包括雷达支架1051和雷达1052，雷达支架1051安装在监测车101上，雷达1052通过调节机构安装在雷达支架1051上，使得雷达1052在雷达支架1051上能够在水平方向和竖直方向转动调节，从而全范围探测边坡位移变形。

调节机构包括第一转轴1053、第二转轴(图中未示出)和俯仰摆动轴1054。第一转轴1053竖直安装在雷达支架1051上，第一转轴1053通过轴承与雷达支架1051连接，第一转轴1053可以相对于雷达支架1051转动。当然，根据需要可以在雷达支架1051安装第一电机，第一电机的输出轴与第一转轴1053连接，以带动第一转轴1053转动。

第二转轴连接在俯仰摆动轴1054与第一转轴1053之间，第二转轴与第一转轴1053垂直。第二转轴通过轴承与第一转轴1053连接，可以相对于第一转轴1053转动。当然，根据需要可以在第一转轴1053安装第二电机，第二电机的输出轴与第二转轴连接，以带动第二转轴转动。

俯仰摆动轴1054的一端与第二转轴固定连接，雷达1052安装在俯仰摆动轴1054的另一端。

因此，当第一转轴1053转动、第二转轴不转动时，通过俯仰摆动轴1054带动雷达1052在水平方向上转动或摆动；当第一转轴1053不转动、第二转轴转动时，通过俯仰摆动轴1054带动雷达1052在垂直方向上转动或摆动；当第一转轴1053转动、第二转轴也转动时，通过俯仰摆动轴1054带动雷达1052在水平方向和垂直方向上都转动或摆动。

在其中一个实施例中，通过边坡位移监测设备10来监测端帮的边坡位移变形的步骤如下：

在开采作业之前，将监测车101移动到端帮的边坡的一侧，使得雷达1052朝向端帮的边坡，打开车辆固定架107固定监测车101。

打开雷达1052，通过雷达1052实时监测边坡在开采过程的位移变化，如边坡的位移变化超出预设的警戒值，则通过报警器103发出警示信号。

当需要移动边坡位移监测设备10时，收起车辆固定架107，将监测车101移动到指定位置。

雷达1052为真实孔径雷达，真实孔径雷达实际监测精度可达毫米级的精度，能够满足边坡稳定性监测的工作要求，且真实孔径雷达直接扫描边坡得到真实图像，不需要使用外部的DTM数据即可生成实际边坡的三维图形，进而对边坡的稳定性进行监测；在开采全过程中，采用边坡位移监测设备10对端帮边坡位移变形进行实时监测，实现了边坡滑坡事故预警，提高了施工的安全性。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。