浅埋煤层关键层破断运动地覆岩移动的影响分析.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 浅埋煤层关键层破断运动地覆岩移动的影响分析 姓名高杨 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师黄庆享 论文题目浅埋煤层关键层破断运动对覆岩移动的影响分析 专业采矿工程 硕 士 生高杨签名 指导教师黄庆享签名 摘要 神东矿区是我国最大的现代化能源基地，煤层埋藏浅、倾角小、上覆厚松散层是该 矿区的典型赋存特征，工作面采动容易导致地表潜水流失，破坏地表生态环境。分析浅 埋煤层对覆岩移动、顶板导水裂隙演化与突水等采动损害问题的影响规律，具有重要的 学术价值和社会意义。 论文在岩层控制的关键层理论的基础上，采用理论分析、数值模拟实验、物理模拟 实验等方法，就神东矿区浅埋煤层覆岩移动规律进行了深入研究。本文首先分析了浅埋 煤层覆岩关键层结构分类以及各类关键层结构的破断失稳特征及其力学机理，其次介绍 了浅埋煤层分类。以大柳塔 1203 工作面为例分析了典型浅埋煤层的覆岩运动规律顶 板基岩沿全厚切落，基岩破断角度大，破断直接波及地表，来压强度大、速度快且来压 期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象，并且工作面上方一般只存在冒落带和裂隙带， 甚至是“三带合一”现象；通过对补连塔煤矿 31401 工作面的数值模拟实验，深入分析了 关键层运动对导水裂隙演化的影响，得出近浅埋煤层关键层破断块体运动会出现破断、 回转、反向回转直至稳定的过程，主关键层上覆岩体裂隙同样经历了“产生发育原 裂隙闭合新裂隙产生”的过程；通过榆树湾 20102 工作面的物理相似模拟实验观测， 揭示了榆树湾近浅埋煤层保水开采的覆岩运动基本规律近浅埋煤层岩层内由于存在两 层老顶关键层，工作面推进过程中上方基岩并不是沿全厚切落，而是呈现出一般开采下 的“三带”形式，但老顶关键层的周期性破坏与典型浅埋煤层有相似之处，即老顶主关键 层周期性破坏呈现出“砌体梁”结构，老顶关键层破断岩块的块度接近于 1，形成了“短砌 体梁”结构；通过对榆树湾现地表下沉情况和工作面淋水情况的场实测，对比分析模拟 实验与现场实测数据，二者数据与结论基本一致，从而验证了模拟实验结论的可靠性。 这些将对今后浅埋煤层开采理论研究和工程实际都有重大意义。 关 键 词神东矿区；浅埋煤层；关键层；开采沉陷；导水裂隙带高度 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubjectAnalysAnalysAnalysAnalysi i i is s s s ofof ofof InfluencesInfluencesInfluencesInfluences onononon thethethethe BreakingBreakingBreakingBreaking MovementMovementMovementMovement ofof ofof thethethethe KeyKeyKeyKey StrataStrataStrataStrata inininin ShallowShallowShallowShallow SeamSeamSeamSeam totototo thethethethe OverburdenOverburdenOverburdenOverburden MovementMovementMovementMovement SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty MiningMiningMiningMining EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameNameGAOGAOGAOGAOYANGYANGYANGYANG（（SignatureSignatureSignatureSignature）） InstructorInstructorInstructorInstructorHuangHuangHuangHuang QiQiQiQingngngngxiangxiangxiangxiang（（SignatureSignatureSignatureSignature）） ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Shendong Mining Area is the largest modern energy source base in our country. There are some representative characters of this base, they are shallow coal bed embedding, small tilt angle and thick loose bed covered on it. Besides, caving mining face will easily cause the loss of phreatic water which will break up the ecological environment of the terrain. There will be great academic interest and social significance of the analysis which focuseson the influence of shallow seam to some problems of caving damages such as movement of overburden bed, the evolvement of roof water-flowing fracture, water-inrushand so on. This paper which bases on the key strata of ground control and uses s of theoretical analysis, numerical simulation and physical experiments, makeadeep research on the shallow seam in Shendong Mining Area. It firstly analyses the classifications of key strata and the character of fracture and instability and dynam mechanism of the constructure of key strata, then it introduces varieties of shallow seam. The Daliuta 1203 face is used to research the typical shallow seam overburden moving regulation Full-thickness cut along the overburdenk down, rock breaking angle, directly affect the surface rupture to compressive strength, speed and to pressure significantly during the subsidence of the roof level and dynamic load phenomenon, and face the top general there is only caving zone and fracture zone, or even “Three One“ phenomenon; through 31401 face Bulianta Numerical simulation of coal experiment, in-depth analysis of key movement on the water level of the crack evolution, concluded that in recent critical layer in shallow seam body breaking block breaking games there, turn, reverse rotation until the stable process, the main key is overlain by the same rock mass on experienceda“generation - development - the original fracture closure -anew cracks have a“ process; by elm Bay 20102 face similar simulation of physical observation, revealed the elm Bay near the water in shallow seam mining overburden the basic law of motion the past light buried within the rock seam roof because of two key strata, the working face advancing along the top of the bedrock is notafull-thickness cut off, but showinganormal exploitation under the “three zones“ , but theold top layer of the cycle key destruction are similar toatypical shallow coal seam, that roof destruction of the main key stratum showed cyclical “masonry beam“ structure, the key layer of roof rock breaking close to 1 degree block, inga“short masonry beam “structure[13]; by yushuwan subsidence situation and face current situation in the field Drenching measured, compared simulations with the measured data, both data and the results agree, to verify the conclusions of the simulation experiments reliability..These will haveamomentous significance to the research and project of shallow seam mining. KeyKeyKeyKey wordswordswordswordsShendong Mining AreaShallow Seamkey strataMining subsidence Hydraulic conductivity fracture zone ThesisThesisThesisThesisApplication of Study 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 1.1.1 研究的背景 神东矿区位于陕西省北部榆林地区和内蒙古南部伊克昭盟境内，毛乌索沙漠的边 缘。现为我国最大的井工煤矿开采地，煤田面积 3.12 万 km2，探明储量 2236 亿 t，是我 国目前已探明储量最大的煤田、最主要的煤炭生产基地之一。神东煤田地表广泛覆盖着 现代风积沙及第四系黄土，含煤地层为中下侏罗统延安组，煤层埋藏浅、倾角小、赋存 稳定、煤质优良。神华集团神东煤炭分公司目前是神东矿区最大的煤炭生产企业， 20052009 年连续五年原煤产量超过 1.0 亿 t。神东煤炭分公司的煤炭单产与效率、百万 吨死亡率等技术经济指标已居于世界领先水平或世界先进水平。尽管如此，神东煤炭分 公司在生产过程中仍遇到了一系列采动损害问题，与采动岩层运动相关的问题主要包括 以下三个方面 （1）异常压架和冒顶事故；尽管神东矿区煤层埋藏较浅，但工作面矿压显现异常 强烈，在矿区开发早期因支架载荷不够，曾发生多起压架事故。目前支架载荷最大已超 过 10000kN 时，仍有压架冒顶异常矿压显现。 （2）工作面涌水溃沙事故；神东矿区浅埋煤层开采过程中，经常发生工作面涌水 溃沙灾害，不仅对工作面安全高效生产造成不利影响，同时会对宝贵的沙漠地区地下水 资源造成破坏。 （3）地面塌陷；神东矿区浅埋煤层大面积高强度的煤炭开采造成的地面塌陷会恶 化沙地的植被，加剧沙漠化。 上述问题（1）、（2）与采矿安全紧密相关，问题（2）、（3）与采矿环境紧密相关。 上述问题都由采动岩层破断运动所致，为了更清楚地认识和解决上述问题，需要掌握浅 埋煤层采动岩层破断运动规律。 岩层控制的关键层理论为采动岩层破断运动规律的深入研究提供了新的理论平台。 毫无疑问，关键层理论也为浅埋煤层采动岩层破断运动规律及相关采动损害问题的研究 提供了有力的理论武器。已有学者利用关键层理论对浅埋煤层采动异常矿压显现作出了 合理的解释，但还没有应用关键层理论对浅埋煤层覆岩移动动态过程、裂隙演化和突水 等采动损害问题进行过系统研究，没有形成系统的浅埋煤层关键层理论。本文将在前人 研究工作基础上，分析浅埋煤层型对覆岩移动、顶板导水裂隙演化与突水等采动损害问 题的影响规律，为实现近浅埋煤层保水开采提供依据。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.1.2 研究的目的及意义 本论文的研究将深入揭示浅埋煤层采动岩层运动规律，为浅埋煤层采动损害的认识 和控制提供理论基础，进一步促进浅埋煤层的安全高效绿色开采技术的发展。浅埋煤层 关键层理论研究成果也将对其他类似浅埋煤层条件矿井提供指导和借鉴，同时，浅埋煤 层关键层理论的研究也将促进岩层控制关键层理论的发展与完善。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 岩层控制的关键层理论研究 随着地下煤炭资源的采出，岩层将产生移动和破坏，并导致矿山压力显现、地表塌 陷、煤岩体中水与瓦斯的流动，从而引发一系列的环境与安全问题，如地表建筑物和土 地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。 煤炭开采引起的上述采动损害问题的发生都与采动岩层移动破坏有关，因此，研究掌握 采动岩层移动破坏规律是解决上述采动损害问题的关键。长期以来，采矿研究工作者对 此投入了很大的研究力量，对采场上覆岩层移动破断规律提出了如图 1.1 所示的“横三 区”、“竖三带”的总体认识[1]，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响 区、离层区、重新压实区，由下而上岩层移动划分为垮落带（冒落带） 、断裂带（裂隙 带） 、整体弯曲下沉带。 图 1.1覆岩移动破坏的“横三区”与“竖三带” A煤壁支承区；B离层区；C重新压实区； α支承影响角；I跨落带；II裂隙带；III弯曲下沉带 在岩层移动破坏研究方面，由于各自关注的问题方面不同以及研究手段和方法的差 异，形成了几个相对独立的学科研究领域和体系，如矿山压力学科和开采沉陷学科等。 1 绪论 3 上世纪 60 年代至 80 年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段，也是“砌体梁”结构 学说形成时期，这一阶段对覆岩可能形成的结构提出了众多假说，用以解释采场各种矿 压现象。 各派学说的争鸣， 促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有压力拱假说 、 悬臂梁假说、以及比利时学者 A.拉巴斯提出的预成裂隙假说和原苏联学者г.H.库兹涅 佐夫提出的铰接岩块假说。到 70 年代末 80 年代初，我国学者钱鸣高院士根据岩层内部 移动实测，提出了采场上覆岩层“砌体梁”结构假说并给出了力学模型，创造性地发展 了上述有关假说。砌体梁结构理论代表了我国学者对采场上覆岩层结构理论的贡献，并 成为这一时期的代表作。 80 年代后期，是砌体梁结构理论的大实践与大发展时期， 也是砌体梁结构理论力学 模型向体系化和定量化的发展阶段。在 80 年代中后期，展开了对老顶岩层形成砌体梁 结构前的连续介质力学模型分析，视其为弹性地基梁和板结构，分析了这些结构的断裂 形态及断裂前后对工作面来压的影响，奠定了采场超前来压预报的理论基础[24]。钱鸣 高院士所提出的砌体梁理论已被广泛应用，并不断在实践中得到发展。进入 90 年代后， 给出了砌体梁结构受力的理论解[5]，建立了砌体梁关键块体的“S-R”稳定理论；证明 了顶板下沉与支架载荷的 P△L 双曲线关系；建立了采场矿山压力整体力学模型，阐 明了支架受力来源问题，成功地解释了包括放顶煤采场在内的支架受力问题。 上世纪 90 年代中期，为了解决采动损害中更为广泛的问题，钱鸣高院士及其领导 的课题组，在“砌体梁”结构理论的基础上，进一步提出了岩层控制的关键层理论[68]。 岩层控制的关键层理论的基本学术思想为由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形 成了厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动 中起主要的控制作用，将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层 判别的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层 的下沉变形是相互一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。也就是 说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层 可能不止一层，而主关键层只有一层。关键层运动上可影响至地表，下可影响至回采工 作面。为了弄清开采时由下向上传递的岩层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的 采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效的监测与控 制，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互 耦合作用关系。 岩层控制的关键层理论为采动岩层移动破坏规律的深入研究提供了强有力的理论 和思想工具。关键层理论学术思想的创新主要体现在以下二个方面一是将采动覆岩作 为统一的研究整体，避免了以往各学科相对分割的研究现状，实现了采场矿压、开采沉 陷、 采动岩体中水与瓦斯运移等方面研究的有机统一； 二是抓住了岩层运动的主要矛盾 ， 突出了重点，避免了传统学科中对岩层进行统计均化的不足。 西安科技大学硕士学位论文 4 岩层控制的关键层理论自提出以来， 在关键层判别方法； 关键层上的载荷分布规律 、 关键层的破断规律及其复合效应；关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及 采动裂隙场分布的影响；关键层理论在开采沉陷控制、卸压瓦斯抽采和保水开采等方面 的工程应用上取得了显著进展。 目前，岩层控制的关键层理论得到了学术界和采矿工程技术人员的普遍认可，并在 各自研究工作中应用了关键层理论。 1.2.2 浅埋煤层开采采场矿山压力研究 浅埋煤层开采首先遇到的一个采动损害问题是采场矿山压力控制问题。浅埋煤层开 采采场矿压非但没有因采深变浅而减少，反而出现异常强烈的矿压显现，工作面出现台 阶下沉，甚至压坏支架。例如[27]，神东矿区大柳塔煤矿正式投产的第一个工作面 1203， 埋深 5060m， 采高 3.54.0m， 使用 YZ3500.23/45 型液压支架支护顶板。 初次来压期间 ， 工作面中部 91m 范围顶板出现大范围台阶下沉现象，其中中部 31m 范围顶板台阶下沉 量高达 1000mm，部分支架立柱被压死，并出现溃沙现象，大量地面风积沙进入机尾。 周期来压时，不少支架的立柱因动载强烈而出现涨裂，支架损坏严重。矿区周围几个地 方国有煤矿，如郭家湾、大砭窑煤矿曾经设计和应用了长壁工作面开采方式，但因为难 以控制工作面来压时出现的顶板台阶下沉，严重影响了生产和安全，为此又改回为各种 方式的柱式开采。这说明在神东煤田浅埋深、薄基岩、厚上覆松散沙层的条件下，工作 面顶板岩层破断运动具有特殊性。 国外对于浅埋煤层顶板岩层控制方面做了大量的研究工作，较早的有前苏联 M.秦 巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说。该假说指出当煤层埋深 较浅时，上覆岩层可视为均质，随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方垮落 直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。 在浅埋煤层矿压显现方面，前苏联 B.B.布德雷克研究认为，在埋深 100m 且存在厚 粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象；约 12的采区煤柱出现动载现象。动载现象 说明浅埋煤层顶板来压迅猛，与普通采场顶板逐层次垮落以及老顶回转失稳形成的比较 缓和的来压特征有明显区别。 澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特等对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的矿压现象进行了实 测。L.Holla 认为浅部开采顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快， 来压明显且难以控制。 90 年代初，随着神东矿区的开发， 我国许多学者开始了浅埋煤层采场矿压问题的研 究。其中尤为突出的是西安科技大学石平五、黄庆享、侯忠杰等学者所开展的卓有成效 的研究工作。他们曾先后开展了神东矿区大柳塔煤矿 C202 工作面、1203 工作面等浅埋 煤层开采采场矿山压力的工程实测研究工作。在此基础上在实验室开展了大量的浅埋煤 1 绪论 5 层采场矿山压力的相似材料模拟试验研究工作，掌握了神东矿区浅埋煤层长壁开采采场 矿压显现的主要特点。工作面来压表现为图 1.2 所示的煤层上覆基岩全厚切落，导致工 作面顶板出现台阶下沉，支架工作阻力不够将导致压架事故。 图 1.2浅埋煤层顶板全厚切落形式 在掌握神东矿区浅埋煤层采场矿压基本规律的基础上，侯忠杰等应用岩层控制的关 键层理论对浅埋煤层上覆基岩全厚切落的机理进行了合理的解释，提出了浅埋煤层组合 关键层的概念，并基于关键层理论建立了判别浅埋煤层覆岩是否为组合关键层及是否全 厚切落的条件如下 （1.1）1 1 3 1 3 1 1 ≤ ∑ ∑ ∑ ∑ n i ii m ni ii m ni iig n i iig hE hE qh h ρ ρ 式中第 层岩层的质量密度； ig ρi 第 层岩层的厚度； i hi 第 层岩层的弹性模量； i Ei 地表松散层（风积沙）载荷；q 从第一层基本顶算起的岩层总层数；m 第二层关键层；1n 第二层关键层之下的岩层层数。n 地表厚松散层浅埋煤层覆岩中若有两层坚硬岩层，则这两层坚硬岩层均为关键层。 因为这两层关键层和其中所夹的弱岩形成一个整体，协调变形，同步破断，属于关键层 的一种组合效应。可将这种主要由两层关键层组成的岩层组称为组合关键层。显然，地 表厚松散层浅埋煤层这种组合关键层具有一般赋存条件下煤层关键层所具有的岩性特 征、变形特征、破断特征和支承特征，但组合关键层的厚度要比关键层厚度大的多。组 合关键层破断后，砌体梁结构的滑落失稳是导致浅埋煤层长壁开采矿压显现异常强烈的 根本原因。 西安科技大学硕士学位论文 6 黄庆享教授等基于“砌体梁”结构理论研究了浅埋煤层基岩老顶切落的短块“砌体 梁”结构模型及其失稳性，提出了风积沙的载荷传递系数的概念，并据此提出了浅埋煤 层工作面支架阻力的确定公式。认为，对于普通采场，基本顶关键层上的载荷层为附着 于其上的软弱岩层，载荷层随关键层的运动而运动，载荷层的重量几乎全部作用于关键 层。浅埋煤层工作面基本顶关键层载荷层厚度大（直达地表） ，根据实测并非所有载荷 层的重量都传递于基本顶岩块， 作用于基本顶岩块的载荷不能简单取 P01ρg h h1l01。 鉴于载荷层为地表松散层，顶板岩块载荷的构成如图 1.3 所示。 图 1.3基本顶关键层初次来压顶板载荷计算图 此外，赵宏珠教授等针对我国出口印度的长壁综采设备与支架，开展了印度浅埋煤 层矿压规律研究。PV 煤矿采深 65m，煤层倾角 57，采高 3m，顶板基岩为约 40m 厚的砂岩层，表土层厚 3m 左右。实测表明工作面煤顶、直接顶和老顶由下向上离层， 沿工作面长度方向，分段断裂和垮落，来压显现为煤壁前方顶底板移近速度增大，地表 缓慢下沉并呈周期性的产生裂缝。大周期来压步距与地表裂缝间距一致。由于支架额定 工作阻力较高，所以工作面矿压显现不明显，根据支架与围岩相互作用原理和 PV 矿的 具体条件，建立了液压支架受载力学模型。 然而，此后对于浅埋深顶板整体性强的巴兰布矿 P.1 首采工作面，遇到了顶板难以 垮落的现象。该煤层赋存条件5 号煤 P.1 首采面开采深度 4055m，煤厚平均 2.41m， 倾角 13，该面上覆岩层从下向上为薄层页岩平均厚 0.24m，比较稳定；砂岩平 均厚 41.5m，RQD 平均为 62.477，个别分层 RQD 达 100，RMR 为 48，单向抗 压强度为 3.2213.96MPa，单向抗拉强度为 0.911.32MPa；表土层平均厚 9.5m，底板为 砂岩及砂页岩。在工作面推采过程中上覆岩层两次垮至地表，顶板大面积垮落，活柱急 速下缩，工作面矿压显现剧烈，使工作面中部部分支架被压死，并遭破坏，采取地面爆 破措施后较好解决了上述问题。 事实上，同样是浅埋煤层，由于其覆岩岩性结构组合关系的不同，工作面矿压显现 1 绪论 7 呈现不同的特点，即使矿压显现都强烈，其产生的机理也不一定相同，如印度浅埋煤层 与神东矿区浅埋煤层压架事故的机理是有差异的。因此，有必要对浅埋煤层覆岩关键层 结构类型进行必要的分类。对于神东矿区而言，目前对于浅埋煤层特殊的矿压规律及其 机理已基本掌握，但工作面支架工作阻力合理确定的问题仍然没有完全解决，同时，在 支架额定工作阻力达 12000KN 条件时，工作面强烈的矿压显现仍时有发生，对矿井的 安全生产构成威胁，需要对此类问题进行深入研究。 1.2.3 浅埋煤层开采导水裂隙发育与保水开采研究 浅埋煤层开采遇到的另一个严重的采动损害问题是采动导水裂隙的异常发育和地 下水资源的破坏与工作面涌水溃沙事故。神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原丘陵沟壑 区的过渡地带，属于干旱地区，常年蒸发量大于年降雨量。有关研究表明神东矿区浅 埋煤层赋存的显著特点是埋藏浅、顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层。沙漠覆盖层之 下基岩之上第四系的萨拉乌苏组含水层蕴藏着宝贵的潜水，对脆弱的地表植被生长起着 关键作用；同时该含水层水量丰富，矿化度小于 0.5g/L，是陕北沙漠草滩地东缘地区居 民生活和工业优质用水水源，也是矿区唯一的含水层。现场调研也表明，潜水水位接近 地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的含水量较大，风既难以吹 起沙尘，水土流失也难以出现，环境质量比较好；当潜水水位降低到草本植物及灌、乔 木植物，或间接（通过毛细现象）吸收的位置时，环境质量往往比较好；当潜水水位继 续降低，以致部分草本植物因缺水而逐渐死亡，但耐旱酷热的草本植物仍能残存，而对 根系较为发达的灌木也没有大的影响；当水位持续下降，即使灌木也难以幸免，而连乔 木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵袭，因而最终导 致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不变，即保持地下 潜水水位不降低，对预防陕北矿区荒（沙）漠化具有十分重要的作用。但是由于煤层顶 板基岩一般比较薄，随着矿区大规模的开发，采动裂隙将直接影响和波及到该含水层， 造成水源地的直接破坏，并导致原来接受该含水层补给的井泉、河流和水库干涸，加剧 了地表荒漠化进程，同时也使该区域生态环境面临严重危险。据统计，矿区开采初期地 表植被破坏面积就达 126.6 万亩，年增加水土流失量达 2780 万 t。因此，对神东矿区浅 埋煤层开采岩层导水裂隙发育规律及地下水资源保护性开采的研究，具有十分巨大的意 义。 此外，神东矿区浅埋煤层长壁开采工作面曾发生多次涌水溃沙灾害。为了防治此类 灾害，目前采取“强排提前疏放，上吐下泻”，达到提前疏降地下水，使初次放顶时水 动力降低，以沙溃入矿井的动力条件不存在为目的。如大柳塔煤矿 20601 面共布置抽水 孔 2 个， 巷道泄水孔 8 个， 观测孔 3 个， 强排孔 1 个， 主要工作量布设在初次放顶区 （切 眼部位 40m 以内） 。进行地下水的强排强疏，历时 74 天，使地下水位大幅度降低。疏放 西安科技大学硕士学位论文 8 水后，形成了以 10 号钻孔为中心，半径达 150m 的不规则椭圆状降落漏斗，地下水位平 均下降 36m，最大达 9.4m，进一步加剧了地下水资源的破坏。 对覆岩导水裂隙带发育规律的研究，我国是处于国际先进水平的。刘天泉院士等对 我国煤矿开采覆岩破环的导水裂隙带做了大量的实测和理论研究，根据覆岩岩性不同 等，统计得出如表 1.1 所示的计算导水裂隙带高度的经验公式，并指导了许多煤矿的水 体下采煤试验。尽管如此，由于对采动覆岩内部移动破坏的动态过程缺乏清晰的认识， 在某些特定条件下（如浅埋煤层）按上述传统的顶板导水裂隙带发育高度计算方法不能 客观体现其特殊的覆岩破断特征，可能会引发一些异常的涌水灾害的发生。 表 1.1传统的顶板导水裂隙带高度计算经验公式 注∑m累计采厚；公式应用范围单层采厚 1.3m，累计采厚不超过 15m；号项为误差。 国内对于神东矿区浅埋煤层水沙灾害大多从地质和环境灾害方面研究。魏秉亮认为 解决这一地质灾害目前最为有效措施是采前疏排基岩顶部直接充水含水层中的潜水， 使 沙失去水载体而无法进入矿井。叶贵钧、李文平等对榆神府矿区保水采煤及地质环境综 合研究，论证了保水开采的可能性，估算了地表水可利用资源量，并对地质环境质量现 状及其采后的影响进行了评价与预测。王经明对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质 效应进行了分析，认为采矿造成的地下水位下降是该地区土地沙化的根本原因。指出了 改革采煤方案， 改变水文地质边界条件， 控制降落漏斗扩展，排灌结合的环保采煤方案 。 武强等对神府东胜矿区水土环境问题及其调控技术进行研究，讨论了由开采顶板岩层变 形引发的矿井突水溃沙、地表裂缝塌陷、水源地破坏、植被死亡并造成沙漠化加剧和水 质污染等严重的水土环境问题，提出了建立水源地分级保护体系，以拦蓄排泄方式开采 地下水等保护水环境的应对措施。近年来，黄庆享、侯忠杰等也开展了神东矿区浅埋煤 层保水开采的理论与试验研究。 目前，深入研究关键层运动对浅埋煤层顶板导水裂隙带发育的影响规律是实现其保 水开采的当务之急。 岩性计算公式之一/m计算公式之二/m 坚硬 9 . 8 0 . 22 . 1 100 ∑ ∑ M M Hd1030 ∑M Hd 中硬 6 . 5 6 . 36 . 1 100 ∑ ∑ M M Hd1020 ∑M Hd 软弱 0 . 4 0 . 51 . 3 100 ∑ ∑ M M Hd510 ∑M Hd 极软 0 . 3 0 . 80 . 5 100 ∑ ∑ M M Hd 1 绪论 9 1.2.4 浅埋煤层开采地表沉陷研究 国内外对不同水文地质开采条件下的地表沉陷特征做了大量的研究，开采引起的地 表塌陷同样是浅埋煤层开采遇到的另一个严重采动损害问题。由于煤层埋藏浅，浅埋煤 层开采地表沉陷具有两个明显的特点，其一是地表沉陷的动态发展受内部岩移控制作用 而呈显著的非均匀性、下沉速度突变性，有时与井下工作面来压存在明显的对应关系； 其二是地表破坏严重，裂隙发育明显。 陕西煤田地质局的魏秉亮、范立民、杨宏科以神府煤田为例，探讨了浅埋煤层开采 过程中，地表下沉变形的过程及有关参数，为地面建筑物的安全煤柱留设提供了依据。 他们指出随工作面的不断推进，下沉盆地范围不断扩大，下沉值不断增加，但均以最终 下沉值为极限；动态曲线呈现非对称性，固定开采边（开切眼）一侧较陡，工作面推进 一侧较缓；当达到充分采动时，固定一侧已经定型不再变化，随工作面推进的一侧，致 使充分采动范围不断扩大，从宏观上来看，下沉曲线仍出现平底，在一定范围内起伏变 化。各下沉点均经历了突发性阶段和稳定也快的趋势，前进中测点下沉曲线的间距与工 作面验收的间距也基本相等，说明覆岩能很快垮落而达地表[56]。魏秉亮还以神府矿区大 柳塔煤矿 1203 工作面为例，探讨了浅埋深煤层开采过程中，地表变形过程及有关参数。 结果表明煤层开采引起的地面沉陷不仅与采厚有关，而且与采面大小、覆岩岩性、煤层 倾角、开采方法等因素有关。对于煤层回采引起的地面沉陷预测问题，应综合考虑各种 影响因素。 在开采沉陷预计方面，开展了地表沉陷的实测和统计工作，掌握了缓斜、倾斜、急 倾斜煤层开采后沉陷的分布形态特征，提出了多种地表沉陷预计方法，如典型曲线法、 影响函数法、概率积分法等。其中以概率积分法应用最为普遍，但其预计结果在有些条 件下常与实测结果相差甚远。20 世纪 50 年代，波兰学者李特维尼申等应用颗粒体力学 研究岩层与地表移动问题，认为开采引起的岩层和地表移动的规律以及作为随机介质的 颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似；认为岩层或地表下沉盆地的函数形式与正 态分布概率密度函数相同，从而建立了岩层与地表下沉预计的随机介质理论法。后来由 刘宝琛、廖国华、周国铨等发展为概率积分法，该方法目前是我国较成熟且应用最广的 地表下沉预计方法之一。针对概率积分法预计结果与实际的差异，许多学者都试图从岩 层内部的移动机理来修正地表下沉的预计方法。例如何国清提出了地表下沉预计的威布 尔分布法，郝庆旺在地表下沉预计中提出了采动岩体空隙扩散模型，邓喀中在地表沉陷 预计中考虑了岩层移动层间错动的影响，隋旺华研究了厚表土层土体变形对地表沉陷的 影响，所有这些都丰富和完善了地表沉陷预计方法。然而完全根据岩层移动规律直接预 计地表下沉的方法目前尚未提出。 实践表明，上覆岩层的岩性对岩层移动和地表沉陷有很大的影响。因此，在岩层移 西安科技大学硕士学位论文 10 动研究中必须考虑上覆岩层的岩性因素。同时，在地表沉陷预计中也注意到了覆岩岩性 的影响因素，将覆岩分为坚硬、中硬、软弱三类，根据不同的覆岩类型选取预计公式中 的各项参数值。如在概率积分法中，其下沉系数的取值，在覆岩平均为坚硬、中硬、软 弱时，即分别取值为 0.40.65，0650.8，0.81.00，存在明显的均化倾向，不符合关键 层理论的学术思想。 目前，对于浅埋煤层开采地表沉陷研究方面，需要深入揭示关键层运动对地表沉陷 的动态影响规律。 1.3 研究内容与研究方法 1.3.1 研究内容 本论文围绕神东矿区浅埋煤层采动损害问题，研究浅埋煤层理论及其应用，具体包 括以下内容 1 浅埋煤层覆岩关键层结构分类和破断特征； 2 浅埋煤层关键层运动对覆岩移动的影响规律； 3 浅埋煤层关键层运动对导水裂隙演化的影响规律。 1.3.2 研究方法 本论文综合采用理论分析、模拟实验、现场观测与工程应用等研究方法，开展上述 内容的研究，采取的技术路线如图 1.5 所示。 浅埋煤层关键层破断运动对覆岩移动的影响分析 浅埋煤层覆岩移动规律 不同类型关键层结构对浅埋煤层开采损害的影响 物理模拟实验观测数值模拟实验观测经验理论分析 图 1.5本文研究技术路 2 神东矿区浅埋煤层地质开采条件 11 2 神东矿区浅埋煤层地质开采条件 2.1 神东矿区概况 神东矿区位于内蒙古西南部，陕西、山西北部。煤系地层包括神东侏罗系和河东石 炭二叠系（康家滩矿区） 。其中侏罗纪煤田总面积为 31172km2，探明地质储量为 2236 亿 t，远景储量为 10000 亿 t，占全国探明储量的四分之一，相当于 70 个大同矿