薄基巖淺埋煤層保水開采技術研究

1、第卷第期年月湖南科技大學學報（自然科學版）（）薄基巖淺埋煤層保水開采技術研究馬立強，張東升，劉玉德，王安，趙永峰，鄭銅鏢（中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)礦業(yè)工程學院，江蘇徐州；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇徐州；神東煤炭分公司，陜西神木）摘要：薄基巖淺埋煤層開采過程中頂板基巖易全厚切落，破斷直接波及地表，存在頂板突水的安全隱患在分析頂板導水通道特征基礎上，針對淺埋煤層采用傳統(tǒng)技術實現(xiàn)保水開采的難點，從開采方法本身采取措施，提出了一套較為系統(tǒng)的薄基巖淺埋煤層保水開采新技術此項技術的關鍵有三：一是長壁工作面快速推進；二是支架合理支護阻力的計算確定；三是局部降低采高或局部充填補連塔煤礦工作面的三維固液

2、耦合數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場實踐結(jié)果證明，該套技術的應用是成功而有效的，可在薄基巖淺埋煤層保水防潰開采中推廣應用圖，表，參關鍵詞：薄基巖；淺埋煤層；保水開采；快速推進；支護阻力；降低采高；充填中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）神東礦區(qū)各礦所開采區(qū)域大部分煤層仍然屬于埋深在以內(nèi)的淺埋煤層淺埋深、薄基巖（通常厚度）、上覆厚松散風積沙含潛水層是神東礦區(qū)目前開采煤層的典型賦存特征在沙漠覆蓋層下的三趾馬亞黏土隔水層上蘊藏著寶貴的地表潛水，在淺埋煤層開采過程中大量流失，這對于居民生活，生態(tài)環(huán)境及整個神東能源基地的可持續(xù)發(fā)展都造成了巨大的危害同時，我國西部許多煤礦在開采淺埋煤層過程中都發(fā)生了頂板潰水潰沙等事故

3、，影響正常安全生產(chǎn)因此，薄基巖淺埋煤層開發(fā)最大的技術難點是如何在煤炭資源安全開采的同時，最大限度地保護水資源，即“保水開采”的概念伴隨著西部淺埋煤田的大規(guī)模開發(fā)被提出了煤層開采前，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境基本是平衡的礦區(qū)水環(huán)境的失衡及其衍生的水害皆由煤層開采引起，所以必須從開采理論與方法本身入手，解決淺埋煤層水害和水資源流失問題大面積預留保（防）水煤柱和限厚開采顯然是不可行的預先疏排水雖然達到了安全生產(chǎn)，但對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不利有人提出利用旺格維利采煤法實現(xiàn)保水開采，但該方法煤炭資源的回采率低，不值得提倡充填式采煤，雖然可以減少頂板破壞，能達到保水開采目的，但這在技術和經(jīng)濟上暫時還不可行為此，本文提出一套以

4、長壁工作面快速推進為基礎的較為系統(tǒng)的薄基巖淺埋煤層保水開采技術薄基巖頂板導水通道特征煤層開采后，當含水層與煤層間存在關鍵層時，如隔水層很厚，則關鍵層破斷后，隔水層會將采動引起的裂隙消化，隔水層裂隙分布范圍小且發(fā)展緩慢，隔水層的上部是完整的，采動裂隙更不會波及到上部含水層；如隔水層較厚，則關鍵層破斷后，隔水層也會將采動引起的部分裂隙消化，但隔水層的整體隔水性能沒有被破壞，隔水層內(nèi)部采動裂隙沒有相互勾通但應盡可能優(yōu)化開采方法或選擇有效支護避免隔水層的劣化；如隔水層較薄，則關鍵層破斷后，隔水層不能將采動引起的裂隙消化，隔水層裂隙分布大且發(fā)展較快這種情況下，可改良隔水層的性狀；如隔水層很收稿日期：基金

5、項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室年開放基金項目；中國礦業(yè)大學科學研究基金項目（）；中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室年開放基金資助項目（）作者簡介：馬立強（），男，寧夏吳忠人，博士，講師，主要從事采動覆巖控制等方面的研究工作薄或無隔水層，則關鍵層破斷，很快形成導水通道，面下端鉸接并擠壓閉合周期來壓時，關鍵層破斷前，在工作面前方，隨著工作面支架的往復升降活動，頂板巖體的整體性遭到覆巖減弱，巖體的抗拉強度降低由于頂板周期破斷，向采空區(qū)發(fā)生傾斜，由拉應力產(chǎn)生裂縫因此，加大截深等加快工作面推進速度的開采技術可減少對

6、頂板巖體的破壞，頂板難以形成一次直達含水層底部的貫通裂隙，含水層水難以短時大量突入工作面工作面在覆巖破斷裂隙未發(fā)育完全時推過富水區(qū)域，保證了安全回采和水資源不流失反之，覆巖破斷裂隙發(fā)育充分，工作面上方含水層水便可能突入工作面，保水開采無從實現(xiàn)薄基巖淺埋煤層長壁工作面覆巖運動的基本特征是：頂板基巖易全厚切落，基巖破斷角較大，破斷直“三帶”，基本上為冒接波及地表工作面覆巖不存在落帶和裂隙帶“二帶”煤層上覆基巖過于薄，煤層采高大，采掘冒落后，頂板基巖全厚度切落形成的裂縫以及冒落形成的導水通道為水資源流失提供了必要的空間通道根據(jù)該區(qū)覆巖活動特征，工作面煤壁和開切眼處水資源流失程度的大小主要取決于頂板基

7、巖切落后的貫通裂隙寬度的大小，并與松散含水層粒度有關其關系為，（）（）（）支護阻力確定該區(qū)長壁工作面在關鍵層初次來壓和周期來壓式中，為導水通道寬度，；為頂板下沉量，；為頂板基巖垮落角，°；為采高，；為直接頂厚度，；為直接頂冒落后的碎脹系數(shù)但本區(qū)基巖上方廣泛分布的風化帶巖層屬于中等偏弱巖層，水穩(wěn)定性差，易水解，有利于導水裂縫的重新閉合現(xiàn)場采用快速推進開采技術，工作面推過后，頂板及其上覆厚松散沙土層幾乎不分先后的整體下沉，整體破斷的頂板巖塊可以鉸接擠壓并快速閉合，仍具有阻水作用實測大柳塔工作面采空區(qū)覆巖裂縫帶由形成到閉合約需的時間，隨著關鍵層裂縫的閉合，破壞巖體仍可以起到控水作用壁附近和

8、開切眼處時均有整體切落現(xiàn)象提高支護強度雖然不可能改變頂板全厚度切落這一基本特征，但合理的支護可以控制頂板破斷運動過程神東礦區(qū)長期的生產(chǎn)實踐表明，在長壁開采中保證足夠的支撐力可以控制剪切破斷首先由采空區(qū)側(cè)開始如果工作阻力較大時，可促使支架煤壁上方拉斷后在覆蓋層作用下沿支架后端切落；如果支架工作阻力很小時，就無法控制支架上方斷裂巖塊的滑落和回轉(zhuǎn)，切落會在煤壁處發(fā)生，從而在相同的水文地質(zhì)條件下工作面有可能直接突，保水開采無從實現(xiàn)水（如圖）關鍵層初次來壓時，所需支架工作阻力最大，此時頂板載荷計算示意如圖所示因此，薄基巖淺埋煤層保水開采的重點區(qū)域在工作面煤保水開采技術經(jīng)過近幾年的不斷探索與實踐，形成一套

9、以長壁工作面快速推進為基礎的較為系統(tǒng)的保水開采技術，長壁工作面快速推進；（）支護阻力其關鍵技術：（）確定；（）局部處理長壁工作面快速推進依據(jù)關鍵層理論，本區(qū)基本頂關鍵層（唯一關鍵層）承受整個覆蓋層載荷，基本頂關鍵層初次破斷后，直接頂冒矸充填部分采空區(qū)，阻礙巖塊的轉(zhuǎn)動，可能形成暫時的三鉸拱平衡由于中部運動被阻，因而在覆蓋層重載作用下，巖塊朝反方向回轉(zhuǎn)，靠工作面一側(cè)的裂縫被擠壓，而這一側(cè)裂縫的擠壓閉合運動是防止水資源流失的重要條件加快工作面推進速度可使破斷巖塊盡快朝反方向與工作面一側(cè)未斷巖層在斷載荷層關鍵層直接層關鍵塊圖關鍵層初次破斷時的頂板載荷支架必須提供的支護阻力由基本頂關鍵層結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)所傳

10、遞的壓力和直接頂巖柱重組成按照文獻的計算思路，并對其中相關參數(shù)進行修正，得到基本頂關鍵層結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)傳遞壓力為（）（）作用于支架的直接頂巖柱重量為：式中：為控頂距長度；，支架寬度；為巖石視（）密度；為初次來壓時載荷傳遞系數(shù)；為基本頂關為靠工作一側(cè)基本頂關鍵層初次斷裂巖鍵層厚度；塊長度；為基本頂關鍵層視密度；為載荷層厚度；載荷層平均視密度；，為工作面?zhèn)汝P鍵塊回轉(zhuǎn)角；為塊度（關鍵層破斷巖塊厚度與長度之比）支架設計中，真正采用的工作阻力是根據(jù)對支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，不斷進行修正的參數(shù)值，最終目標在于滿足維持工作面頂板穩(wěn)定所需要的支護阻力要求神東礦區(qū)目前較常用種兩柱掩護式液壓支架的工作阻力為，分別適

11、用于不同條件的綜采工作面局部處理局部降低采高（）從式（）中可以看出，裂隙寬度的大小取決于頂板基巖臺階下沉量，越大，裂隙寬度也越大；反之，其越小從式（）中可以看出，頂板基巖臺階下沉量取決于與及冒落后的碎脹系數(shù)，在后者一定的情況下，可以通過降低采高，使裂隙寬度減小在基本頂關鍵層初次來壓處，適當降低采高以減小基本頂關鍵層的運移空間，有利于破斷巖塊朝反方向回轉(zhuǎn)，靠工作面一側(cè)的裂縫被擠壓，而這一端裂縫的擠壓閉合運動是防止頂板水資源流失的重要條件且有利于關鍵層形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，從而使上部載荷層破壞程度減小，增強上部隔水層的阻水作當工作用如果在基本頂關鍵層初次來壓處降低采高，面經(jīng)過一個周期來壓后，頂

12、板的受力狀態(tài)由兩端固支梁變?yōu)閼冶哿?，巖層斷裂縫由超前工作面變?yōu)闇蠊ぷ髅?，此時即使導水裂縫帶進入含水層，水也只會從老空區(qū)流出，工作面不會出現(xiàn)頂板突水此時，可逐步如果由于采高大，冒增加采厚，進入正常回采反之，矸不能阻滯巖塊的變形失穩(wěn)，咬合點繼續(xù)破壞轉(zhuǎn)動，咬合兩端裂縫在回轉(zhuǎn)中進一步拉開、切落，則形成導水通道（）局部充填開切眼附近是應力集中區(qū)，頂板基巖一般要在開切眼側(cè)發(fā)生剪切破斷，頂板貫通性裂縫是頂板斷裂產(chǎn)生的動壓力造成的采用在開切眼附近局部充填的方法，直接頂冒落后與基本頂關鍵層間隙越小，臺階下沉量就越小，基本頂關鍵層切落后裂隙寬度（）就越小，水資源流失的程度就會減?。淮送?，局部充填可以改善局部頂板

13、的應力狀況，減小動壓破壞程度，減少覆巖貫通裂縫，基巖不會發(fā)生錯動式破壞當然，隨著工作面遠離充填體，充填體的影響會逐步減小，應力將再次升高，然而此時的頂板巖層已進入整體變形階段工程實例采礦地質(zhì)條件補連塔煤礦工作面寬，快速推進速度為距切眼有一強富水區(qū)域，該富水區(qū)上覆基巖最薄為，含水層初始厚度最厚為其強富水區(qū)煤的巖層綜合柱狀如表所示預計水資源會嚴重流失，且工作面排水能力和礦井的排水能力都很難滿足礦井預防突水的需要為確保安全回采及防止水資源流失，采用了快速推進的保水開采技術，并采用固液耦合模擬計算進行驗證表巖層綜合柱狀表名稱松散層砂質(zhì)泥巖砂巖砂質(zhì)泥巖中細粒砂巖砂質(zhì)泥巖煤層厚巖性描述中細粒砂，松散未膠結(jié)

14、，含礫石頂部左右的巖層已風化中間夾三層厚的煤層底部夾左右的細砂巖固液耦合模擬根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，采用進行了應力滲流系統(tǒng)進行固液耦合模擬計算，相應參數(shù)根據(jù)特性和工作面條件進行設置隨著工作面的快速推進，工作面后方采空區(qū)中部縱向裂隙的導水能力逐步減小，遠遠小于切眼和工作面處覆圍巖裂隙的滲透能力工作面兩端頭覆巖的導水裂隙的滲透能力比工作面中部大采動巖體的采動巖體導水裂隙的最大滲流速度的變化滲流量和裂隙壓力都經(jīng)歷了由小到大再變小的過程，說明采空區(qū)及其上方覆巖的導水裂隙被逐漸壓實，失去了導水能力計算結(jié)果如圖所示圖固液耦合計算模型及工作面開挖后狀況工作面推進速度越快，覆巖下沉越平緩，整體性越強，導水裂隙發(fā)

15、育程度越小圖為工作面推進速度與潛水位下降的定量變化關系隨著工作面的快速推進，垮落巖體逐漸被壓實，且斷裂基巖塊按一定的力學鉸接關系形成了較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，導水通道基本能完全閉合，采空區(qū)上方的地下水位有可逐步恢復，在一定地質(zhì)條件下，保護松散層水體及地表水體的采煤技術可以實現(xiàn)推進速度（）水位下降保水開采這一認識結(jié)論（）根據(jù)神東礦區(qū)薄基巖淺埋煤層的頂板導水機理，提出了工作面快速推進、局部降低采高或局部充填的保水開采技術（）工作面快速推進，頂板難以形成一次直達含水層底部的貫通裂隙；在基本頂關鍵層初次來壓處，適當降低采高以減小基本頂關鍵層的運移空間，可使覆巖破壞程度減小，能有效防止水資源流失；為預防工作面頂板

16、沿煤壁臺階下沉形成貫通導水裂縫，支架必須有合理的支護阻力（）在開切眼附近局部充填，可減小直接頂冒落后與基本頂關鍵層的間隙，還可以改善局部頂板的應力狀況，減少覆巖貫通裂縫（）三維固液耦合數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場工程實踐證明，該套保水開采技術的應用是成功可行的參考文獻：錢鳴高，許家林，繆協(xié)興煤礦綠色開采技術中國礦業(yè)大學學報，（）：，（）：范立民論保水采煤問題煤田地質(zhì)與勘探，（）：，（）：武強，董東林，傅耀軍煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題研究中國礦業(yè)大學學報，（）：，（）：錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等巖層控制的關鍵層理論徐州：中國礦業(yè)大學出版社，：，張東升，馬立強特厚堅硬巖層組下保水采煤技術采礦與安全學報，（）：

17、，（）：涂敏潘謝礦區(qū)采動巖體裂隙發(fā)育高度的研究煤炭學報，（）：，圖工作面推進速度與水位變化關系回采過程中和回采后水位的變化工作面在的快速推進條件下，采后各觀測水井的地下水位標高均呈下降趨勢，尤以天內(nèi)水位下降最為明顯，以后為緩慢變淺的過程，表明基巖斷裂過程中有部分潛水滲漏到采場之中，但沒有發(fā)生工作面頂板突水工作面快速推進保水開采的工程實踐是成功的在采后周之后，水位埋深又呈上升趨勢，并逐漸保持穩(wěn)定，表明斷裂的巖塊在快速采動之后能閉合，且能與其上軟弱巖層很好地耦合，使淺表水不再向井下滲漏各觀測水井水位下降，平均下降根據(jù)實測數(shù)據(jù)，除工作面兩順槽附近水位下降幅度大于地面下降幅度外，其余大部分地段總體水位下降幅度均小于地面下降幅度，采空區(qū)上方水位整體呈相對上升趨勢，如圖所示日期水位地面圖水井平均水位、地面下降動態(tài)曲線