浅埋煤层保水开采的研究进展.pdf

2 0 0 9 年8 月 矿 业安 全 与环保 第3 6 卷第4 期 浅埋煤层保水开采的研究进展 张杰 ， 马岳谭 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 分析 了陕北榆神府矿 区浅埋煤层保水开采的水文及工程地质条件， 对砂基型保水开采地质 条件进行 了分类， 推导出浅埋煤层导水裂隙发展计算公式； 通过一系列不同地质条件下的“固一 液” 耦合 相似材料模拟实验 ， 得 出了不同砂基型条件下及河流下的间歇式保水开采参数； 建立 了保水煤柱稳定性 分析的三维数值模拟模型， 计算 了煤柱和基岩保护层 的稳定性。通过地质分析、 实验研究、 数值模拟 ， 对 榆神府矿区实行保水开采的可行性进行 了综合分析。 关键词 榆神府矿 区； 浅埋煤层； 保水开采； 综合分析 中图分类号 T D 8 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 9 0 4 0 0 2 6 0 3 随着陕北榆神府矿区煤炭资源的逐步开发及能 源化工基地的建设 ， 一些耕地 、 草场已被风蚀沙化或 为流沙所侵占 。煤层开采引发矿区一些地方土地 塌陷、 水源渗漏 、 植被枯死 ， 导致矿 区水资源进一步 枯竭 、 生物产量 降低 ， 土地 生产潜力 下降， 最终造成 可利用土地资源丧失 ， 严重影响 了该区的经济可持 续发展和人 民生活 ， 有 的地方甚 至陷入 了无地 、 无 水 、 无房的“ 三无” 状态 ， 使本来就脆弱的生态环境雪 上加霜， 同时也使该地 区的生态平衡遭受 了严重的 破坏 ， 自然环境正 日趋恶化 J 。因此 ， 榆神府矿区的 水资源和其他生态环境 的保护已到了刻不容缓的地 步， 研究榆神府煤层 开采保水 的可行性及保水开采 方法 ， 对矿区水资源保护 、 土地塌陷的综 合治理、 预 防能源化工基地建设遭遇灭顶之灾 、 实现矿 区关于 “ 三个转化” 的宏伟计划具有重大意义。 1 矿区水文地质及导水断裂带高度计算 1 ． 1 水文地质及分类 地质特征分类 的方法主要有 3种 按 照岩层 的 组成成分来划分 ； 按煤层的上覆岩层分 布空间及其 组合形态来划分 ； 按水环境与上覆岩层厚 度及土层 厚度进行划分。榆神府矿 区工程地质条件复杂 ， 结 合 3种方法的 1种或 2种组 合来划分 ， 可 把榆神府 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 2 1 ； 2 0 0 9 0 21 5修订 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 0 7 4 0 2 3 ； 博士 学科点基金资助项 目 2 0 0 5 0 7 0 4 0 0 3 ； 西安科技大学培育基金 资助 项 目 2 0 0 6 0 1 作者简介 张杰 1 9 r 7 8 一 ， 男， 四川达县人， 博士， 主要从 事浅埋煤层研究和教学工作。E m a i l z h a n g j i e 6 5 5 1 6 3 ． c o rn。 ．2 6 矿 区分成砂土基 型潜水采煤 区、 砂基型潜水采煤 区 及土基型与基岩型无水采煤 区， 见表 1 。 矿区富水性差异较大 ， 一般为 中等富水区， 其含 水层结构及空间配置主要有 3种情况 1 基岩上依次为砂砾石层含水层 、 黄土层 和松 散砂层。一般为第 四系中更新统黄土隔水层及其下 部的砂层含水层 ， 其富水性不均 。 2 基岩上 为黄土层 和松散砂层含水层。第三 系三趾马红土隔水层全 区分布， 隔水性能 良好 ； 其上 是第四系上更新统 萨拉乌苏潜水 含水层 ， 大气 降水 补给是本区主要含水层和间接充水水源 。 3 基岩上直 接为砂层 含水层。这部分地 表大 部分被第四系松散 层所覆盖 ， 由上而下为第 四系冲 积层孔隙潜水 ， 第 四系冲积 、 湖积 层孔隙潜水 ， 下更 新统砂层潜水 ， 中侏罗统直罗组裂隙潜水 ， 中下侏罗 统延安组裂隙承压水。 1 ． 2 导水断裂带高度计算 根据“ 三下开采规程” 计算导水断裂带高度公式 1 ， 再加上 1 2 m防水安全岩柱保护层厚度 ， 可计算 采高 4 m时， 上覆基岩厚度在 5 7 m以上才不会发生 突水 。而根据西安科技大学矿山压力研究所多年来 的研究及实践表 明 矿区煤层埋深 浅 、 顶板基 岩薄、 松散覆盖层厚 ， 属于典型的浅埋煤层 ， 只有当上覆基 岩厚度大于采高 1 5倍时， 岩层破断规律才不再是全 厚度切落 j 。由此可得覆岩不出现全厚度切落的最 小厚度为 6 0 m， 加上 1 5 m 防水安全岩柱保护层厚 度 ， 则上覆基岩厚度在 7 5 m 以上才不会发生突水。 从而可推导出浅埋煤层 中硬岩层导水断裂带高度公 式 2 ， 该公式得到了实验和现场实践的验证 J 。 2 0 0 9年8月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6 卷第4期 潜水采煤 区 砂基型 大柳塔 大渠矿 l 2～ 1 2 O l O～3 8 郭家梁 1 O～6 O 1 0 3 H s ． 6 1 6 2 式中 H为导水断裂带的高度， m； M为煤层的采高， m。 2 保水 开采方法 榆神府矿区覆盖层厚度和组成不同， 但研究和实 践表明， 当基岩厚度为采高的 l 5倍左右 ， 有厚黏土层 覆盖时， 在开采过程中亚黏土层形成“ 弯曲下沉带” 能 防止水的渗漏 ， 容易实现保水开采。而厚砂覆盖区域 表现为基岩整体切落 ， 这 极易导致水砂溃入井下 ， 进 而造成地下水位急剧下降。采用房柱式采煤 、 充填开 采及采前疏水开采后 回灌等可防止地下水位过多下 降， 但这些方法代价较高 ， 在国内很少采用。如果改 变开采方法或调整开采技术参数 如改房柱式为区间 隔离煤柱方法 就可有效地 防止 水资源破坏。因此， 根据榆神府矿区的地质条件可选择的开采方法有 1 间歇式 旺格维利 开采方法。其机械化程度 高， 效率高， 采出率可达 6 0 ％以上 ， 是保水开采最好的 开采方法之一 ， 在上湾煤矿 5 2 1 0 2工作面的开采实践 证明能达到保水开采 目的。 2 厚煤层小分层 开采 ， 即厚煤层 分层 连续 下沉 采煤法。目前 ， 神华集团对厚煤层采用一次采全高 ， 采动裂隙一直发展到地表造成潜水流失。如果限制 每次采高 ， 控制关键层的沉降， 控制采动裂隙发育的 高度， 将其限制在潜水层以下， 就可以实现厚煤 层的 保水开采 3 保水 开采可行性 3 ． 1 “ 固一液” 耦合实验材料的研制 ] 笔者在文献[ 5 ] 中根据“ 固一液” 两相模拟试验的 要求 ， 进行了相似材料的筛选试验 ， 包括骨料 、 胶凝 材 料 的选择 、 材料的力学性质及配合 比试 验。根据试 验 结果 ， 筛选 出适 合作为 “ 固一液” 相似模拟模型 的材 料 ， 研制 了以低熔度优质石蜡 4 2～ 5 4 c c 为胶凝 剂 的相似模拟实验材料， 用这种材料制作 的模型试件具 有 良好的非亲水性能， 其力学参数见表 2 ， 这为保水采 煤 的“ 固一液” 耦合实验提供了条件。 表 2 实验模型的力学参数 参数 组别 6／MP a E ， MP a ／ A A ／ k N／i n O ． 1 5 6 1 7 5 2 ． 6 2 l 6 ． O O O ． 1 5 0 l 4 9 2 ． 9 l l 5 ． 9 0 O ．1 6 0 1 6 O 2 7 7 1 6 ． 2 O 0． 1 5 5 l 5 8 2 ． 8 6 l 5 8 0 0． 1 5 O l 6 3 2． 7 3 l 6 ． 1 O O ．1 5 4 l 61 2 ． 7 8 l 6 ． O O 研究取得的主要成果有 1 “ 固一液” 耦合相似实验材料具有 良好的非亲 水性能 ， 解决 了以往模 型相似模拟 材料遇水崩 解 问 题 ， 且材料力学变形性 能稳定 ， 完 全满 足固液两相耦 合实验的要求 ， 突破了传统的单一固体模拟实验。 2 通过对材料的力学性能和相似材料配比实验 的多次逼 近， 找 到了与原型岩石 能够相似 的对 应配 比， 能够通过相 似材料模拟实验再现地质原型， 解决 了多相实验过程的可视性 问题 以及不 同介质材料相 似比的耦合问题。 3 对现场浅埋煤层多个开采工作面进行 了验证 性实验 ， 模拟实验结论和现场开采的一致性证 明了耦 合模拟实验材料选取的正确性 、 模拟过程 的可靠性和 结论的科学性 。 3 ． 2 保水开采“ 固一液” 耦合实验分析 笔者在文献[ 6 ] 中按照砂基型长壁开采发生涌水 上覆岩层厚度的界定条件 ， 设计 了 l 5 ， 3 0 ， 4 2， 5 4 ， 6 0 m 等 5种不 同基岩厚度的保水开采固液耦合实验 。图 1 2 7 2 0 0 9年8月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6卷第4期 是保水开采实验模型 ， 通过对不同地质条件下 的保水 开采实验得出了不同厚度基岩的保水开采参数见表 3 。 图 1 未开挖前的耦合实验模型 表 3 不同厚度基岩保水开采有关参数 研究所取得的主要成果有 1 通过一系列不 同地质条件下 的“ 固一液” 耦合 实验研究 ， 得 出了不同条件下砂基型的间歇式保水开 采参数 基岩厚度与采高之 比 k为 7 ． 5 ， 1 0 ． 5 ， l 3 ． 5 ， 1 5 的条件下 ， 保水工作 面合 理推进距 离分别 为 3 5 ， 5 0， 5 8， 6 0 m。 2 浅埋煤层保水采煤 中基 岩厚度是影响保水性 的一个重要 因素 ， 随基岩厚 度的增 加， 其安全推进距 离也有所增加但不成 比例 ， 并且基岩保护层厚度不小 于 1 5 m。 3 ． 3保水煤柱稳定性数值模拟 笔者在文献[ 7 ] 中以相似材料模拟所得到的工作 面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据 ， 运用 A L G O R 有限元程序 ， 模拟了基岩厚度 3 0 m以下、 松散层 2 0 m 以下和基岩厚度 3 0 m以上 、 松散层 2 0 m以上 的 2种 类型的工程地质条件下保水煤柱的稳定性 ， 通过煤柱 上的米赛斯应力分布 、 上覆岩层的拉应力分布 以及顶 板的下沉量等模拟结果分析 ， 判断了煤柱和覆岩 的稳 定性 ， 数值模拟模型如 图 2所示 。进一步证明了间歇 开采所确定的有关参数 的可靠性 ， 研究取得的主要成 果如 下 1 基岩厚度与采高之 比 k1 2 ． 5条件的数值模 拟表明， 随煤柱尺寸 的减小 ， 煤柱上的米赛斯应力增 加 ， 但 即使 8 m 的煤 柱 ， 其 上 的米 赛 斯 应 力 仅 约 4 M P a ， 远小于煤的单向抗压强度而没有屈服。 ． 2 8 图2 工作面三维计算机模型 2 模拟求出断裂带之上的顶板岩层的最 大拉应 力为 1 ． 5 MP a ， 其拉应力未超过相应岩层的抗拉强度 ， 顶板下沉量也很小 ， 因而可知相应的防水安全岩柱保 护层稳定 ， 均可实现保水间歇式开采 。 4 现场分析 神府上湾煤矿 5 2 1 0 2工作面采用旺格维利采煤方 法 ， 采空区形成的实际面积为 6 7 m1 5 0 m， 这就相当 于间歇式开采工作面长 1 5 0 m， 每推进 6 7 m左右 留设 一 宽 1 5 m煤柱所留的采空区。在工作面回采 1 a 后对 黑炭沟流量进行 了实测 ， 其流量没有发生大的变化 ， 地 表到目前也未出现裂隙 ， 说明工作面采空区未与上覆水 系贯通， 这和实验 中取得的结论基本是一致的， 进而证 明了在浅埋煤层采用间歇式保水采煤是可行的。 5 结论 通过现场地质评价 、 相似模 拟材料研究 、 实验研 究、 数值模拟等方法 ， 综合分析 了榆 神府矿区采用保 水开采的可行性 ， 得 出了以下结论 1 对榆神府矿区浅埋煤层保水开采地质条件进 行了分区， 并提 出了适合浅埋煤 层的保水开采方法 ， 即间歇式开采 。 2 研制了以石蜡为胶凝剂的“ 固一液” 两相相似 模拟实验材料 ， 该实验材料具有 良好的非亲水性能 ， 突破了传统的单一固体模拟实验， 为地下保水开采相 似模拟实验取得 了突破性进展。 3 通过一 系列 不同砂 基型地质条件下 的“ 固一 液” 耦合实验研究 ， 得 出了不同基 岩厚度条件下 的间 歇式保水开采参数。 4 建立了保水煤柱稳定性分析的三维数值模拟 模型 ， 计算 了煤柱 和基岩保护层 的稳定性 ， 进一步证 明了保水参数的正确性。 下转第 3 1页 2 0 0 9年8月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6卷第4期 3 回采巷道 围岩变形监测结果及分析 为检验锚杆支护质量 ， 利用反馈信息及时对设 计参数进行调整 ， 在首采工作 面运输巷中对顶板离 层和锚杆受力进行了监测。 3 ． 1 顶板离层监测 监测结果表明 顶板 7 m范 围内岩层的总离层 值只有 4～1 0 m m， 顶板离层不大 ， 说明锚杆 与锚索 支护效果显著， 充分发挥 了岩石的 自承载能力。在 巷道掘进 1 5 d ， 顶板离层基本趋于稳定 。在工作面 回采期间， 顶板离层值 变化不大 ， 巷道维护状况 良 好 ， 表明回采工作面超前支承压力影响范围小 ， 影响 程度不大。回采工作面掘进期间顶板典型离层曲线 如 图 9所示 。 g g ＼ 蝴 懒 匿 日期 图 9 巷道掘进期间顶 板离 层曲线 3 ． 2锚杆受力变化监测 1 在 掘进 期 间顶 板锚 杆 受 力 较 小 ， 一 般 在 5 0 k N 左右， 最大不超过 9 0 k N； 在回采工作面动压影 响期间顶板锚杆受力增大 ， 一般在 8 0 k N左右， 但锚 杆受力最大不超过 1 6 0 k N， 在设计允许范围内， 锚杆 保持一定的工作载荷且有部分余量 。 2 回采工作 面动压影响期 间顶板锚杆受力变 化很小 ， 且 只有 很少部 分锚杆 中部最 大变化 值为 1 1 k N。再次表明工作 面超前支承压力影响程度不 大 ， 支护质量较好 。 综合以上监测结果表明 ， 采用树脂加长锚 固锚 杆组合支护系统， 并进 行锚索补强的支护形式是合 适的 ， 支护参数选择较为合理 ， 能够有效地保证巷道 安全。 4 结论 1 对大断面回采巷道合理支护参数 的数值分 析结 果 表 明， 该 开 采 条 件 下， 采 用 锚 杆 长 度 为 2 4 0 0 m m、 间距 1 0 0 0 mm， 2根锚索补强支护的联合 支护方式 ， 能够保证回采期间巷道围岩的稳定。 2 回采巷道顶板离层及锚杆载荷观测结果 顶 板离层在 1 5 d之内基本稳定 ， 离层量不超过1 2 mm； 掘进期间锚杆受力在 5 0 k N左右， 受 动压影响时增 大至 8 0 k N， 最大受力不超过 1 6 0 k N， 锚杆受力变化 不大 ， 载荷稳定增加。支护参数选择合理， 支护效果 较好。 参考文献 [ 1 ]Z h a o H o n gL i a n g ， Y a o J i n g Mi n g ， H e F uL i a n ， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n o f p r e s t r e s s t r u s s c a b l e i n l a r g e c r o s s s e c t i o n c o a l r o a d w a y 『 J 1 ． J o u rna l o f t h e C h i n a C o a l S o c i e t y ． 2 0 0 7 ， 3 2 1 0 1 0 6 11 0 6 5 ． [ 2 ]丁志娟， 张宝泰， 陈江．深部复合顶板 大断面煤巷锚 索 网支护技术[ J ] ． 煤 炭科技 ， 2 0 0 6 4 2 1 2 2 ． [ 3 ]孙海 良．“ 三软” 突 出煤层大倾角 、 大断面巷道锚 网支护 实践[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 3 ， 3 1 1 1 3 2 3 4 ． [ 4 ]王旭锋， 张东升， 陈家轩， 等． 开槽加固底板控制软岩硐 室底鼓的数值分析[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 6 3 6 1 6 3 ． 责任编辑 李 琴 上接第 2 8页 参考文献 [ 1 ]叶贵钧， 张莱， 李文平， 等． 陕北榆神府矿区煤炭资源开 发主要水工环境及防治对策[ J ] ．工程地质学报， 2 0 0 0， 8 4 4 4 74 5 5 ． [ 2 ]侯忠杰． 地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定性分 析[ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 0 ， 2 5 2 1 2 71 3 1 ． [ 3 ]李文平， 叶贵均， 张莱， 等． 陕北榆神府矿 区保水采煤工 程地质条件研 究[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 0， 2 5 5 4 4 9 4 54 [ 4 ]张杰， 侯忠杰． 浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模拟分 析[ 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