薄基岩浅埋长壁大采高工作面保水开采工业性试验

1、马立强 1,2,张东升 1,2,王安 3,赵永峰 3,郑铜镖 3,刘玉德 1,2(1、中国矿业大学 能源与安全工程学院,江苏 徐州 221116; 2、煤炭资源与安全开采 国家重点实验室, 江苏 徐州 221008; 3、 中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司 , 陕 西 神木 719315E-mail :摘 要:为解决浅埋煤层保水与采煤这一矛盾,并最大限度的提高煤炭资源回收率,神东矿 区上湾煤矿 51201大采高长壁综采工作面进行了保水开采工业性试验。 采动覆岩裂隙、 松散 含水层水位、 地表裂缝和地表沉降的观测表明, 在适宜基岩厚度条件下, 浅埋煤层上覆的风 化岩层和软弱隔水岩层在采后仍

2、具有隔水和保水作用, 初步证明了薄基岩浅埋煤层保水开采 的可行性。 基岩厚度、 关键层层数和主关键层所在层位是影响浅埋煤层采动覆岩垮落、 导水 裂隙发育、 地表沉降和地表裂缝发育形态的决定性因素。 采动覆岩的垮落和导水通道的发育 过程受关键层影响, 但最终受泥岩等软弱隔水层控制。 浅埋煤层大采高工作面开采后的垮落 带高度约是采高的 56倍, 导水裂隙带高度约是采高的 1011倍。 研究成果为我国西部浅 埋煤层的安全生产和矿区生态环境建设奠定了可靠基础。关键词:薄基岩 浅埋煤层 保水开采 导水通道中图分类号:TD3251. 引 言薄基岩浅埋煤层开采过程中, 上覆松散含水层易受到影响或破坏, 造成

3、地表和地下水资 源的极大浪费, 同时影响正常安全生产。 保水防溃采煤问题一直是开发我国西部浅埋煤层面 临的一个典型难题 1-6。综合考虑经济效益以及安全与环保的要求, 在我国西部要尽可能形成浅埋煤层长壁工作 面保水开采技术 6。 文献 7针对保水与采煤这一矛盾, 提出了一套以工作面快速推进 (不小 于 15 m/d、支架合理选型及局部处理为核心的长壁工作面保水开采技术。文献 8就浅埋 煤层长壁工作面保水开采的基本条件及其分类适用条件进行了研究。 在文献 9、 10和文献 11的研究基础上,神东矿区上湾煤矿 51201大采高长壁综采工作面在 2007年 2月进行了 保水开采工业试验, 水位观测表

4、明, 薄基岩浅埋煤层长壁保水开采技术在基岩厚度适宜地质 条件下可以取得成功。2. 采矿地质条件上湾煤矿 51201工作面所在煤层为 1-2煤,工作面倾向长 301 m,煤层倾角 15°,平均 厚度约 5.8 m,上覆岩层最薄处的厚度小于 50 m。在工作面对应地表有西沙沟通过,该沟地 段 1-2煤上覆基岩厚度约为 4560 m,平均约 55 m。基岩顶部松散层厚度在 10 m左右,中 等富水,有顶板突水和水资源流失的隐患,地表形态如图 1所示。3. 保水开采可行性分析根据文献 8确定的“浅埋煤层保水开采适用条件分类”,可将 51201工作面在中等富 水区域划为类,即如要实现保水开采,

5、应将采高控制在 35 m以下。由于矿井具体生产 现状制约, 51201工作面实际采高为 4.75.3 m, 平均约 4.8 m, 实际平均推进速度约 15 m/d, 预计在局部地段可以实现保水开采。根据工作面生产实际,可达到的配套保水开采措施为:- 1 -在 51201工作面保水开采工业试验过程中, 为分析覆岩导水通道随在开采过程中的发育 情况和松散含水层水位变化情况, 沿西沙沟河滩, 布设了 3个地表窥视孔和 1个地表水文孔, 采用岩层探测仪进行了采前采后的全程观测。 窥 1孔在回风顺槽附近, 窥 2孔靠近工作面倾 向中部, 其与水位观测孔 (水位观测孔的孔底位于基岩顶部界面 都平行于工作面

6、倾斜方向 并相距 5 m;窥 3孔在胶顺附近;如图 2所示。各窥视孔揭露的关键参数如表 1所示。 图 1 51201工作面地表形态 Figure.1 Surface topography of the 51201 coalface图 2 51201工作面窥视孔位置Figure.2 Position of eye hole in 51201 coalface表 1 窥视孔关键参数Table 1 Key parameters of the observation holes孔号基岩总厚/m松散层厚度/m泥岩层厚度/m直接顶厚度/m关键层数1 59.04 6.96 6.42 8.51 22 48.7

7、5 7.70 2.75 3.1 13 47.95 7.70 3.55 3.7 14. 观测结果分析4.1 窥 1孔区域窥 1孔内采动覆岩的垮落过程具有由关键层控制下的明显的突变跳跃性,如图 3所示。 图 3 采动覆岩垮落过程Figure.3 Break and fall phases of mining rock基本顶关键层破断后, 垮落岩层迅速向上发育, 但因为基岩中还有一个对覆岩运动起控 制作用的主关键层 12,当到达主关键层所控制的岩层组底部时,覆岩停止了垮落,进入裂 隙带,并在主关键层下部产生了离层,如图 4所示。采动覆岩导水裂隙在窥 1孔中的发育过程如图 5所示。 其发育过程明显受采

8、动影响, 工 - 2 - (a 离层形态 (b覆岩导水裂隙形态图 4 窥 1孔采动覆岩窥视Figure.4 Observation graphs of mining rock in no.1 eye hole导水裂隙的发育也表现出由硬岩层控制下的突变跳跃性。 基本顶关键层破断后, 由于其 上较坚硬岩层没有立即破断,所以导水裂隙在工作面后方 1015 m范围内,基本没有向上 发育。窥 1孔采后约 95 m,采动覆岩导水裂隙完全闭合,窥视孔内水位距地表约 14.17 m,是 由于 51201工作面采动覆岩导水裂隙闭合的上界面(粉砂质泥岩内距地表只有 14.17 m。 这说明了基岩顶部的软弱隔水岩层

9、或风化岩层对保水开采的重要意义, 窥视孔尚且被泥岩层 受采动影响后膨胀闭合且隔水, 完整泥岩层的隔水能力应更强。 之后, 窥 1孔内的含水厚度 保持在约 0.4 m。 图 5 采动覆岩导水裂隙发育过程Figure.5 Development of water seepage channels此外, 由于在西沙沟流域, 沿 51201工作面推进方向的基岩层越来越薄, 基岩顶面也越 来越低。 如果在后续开采过程中不能实现保水开采, 则窥 1孔所在区域的潜水资源有可能沿 基岩顶面逐步向下游方向 (工作面推进方向 流失, 最终表现为窥 1孔内的含水厚度可能减 小或消失。截至 2007年 7月 7日的最

10、新观测,窥 1孔内几乎已没有水,基本证实了这一推 断。 但根据文献 9和文献 10模拟研究所得结论, 可以预测只要受后续开采影响的覆岩导水 裂隙能被压实闭合,潜水水位最终会逐步恢复。这同时也说明,保水开采是一项系统工程, 只有大区域的实施保水开采技术措施才能从根本上杜绝小范围内的水资源流失。4.2 窥 2孔与水位孔区域窥 2孔附近的水位观测孔在采前采后水位变化过程如图 6所示。 工作面对松散含水层潜 水水位的超前影响范围为 30 m,采后 90 m左右,松散含水层中的潜水资源基本漏失完毕, 水位下降到基岩顶面以下,如图 7所示。在采前 20 m至采后 10 m这一区间,水位下降的最快。由此说明

11、如果要按文献 8采取 局部降低采高或局部充填、 注浆等配套保水开采技术措施, 以减少基岩顶部松散层水资源流- 3 - 图 6 水位观测孔潜水水位变化过程Figure.6 Change phases of water level相对于 51201工作面 4.85 m的大采高,窥 2孔所在区域 48.75 m的基岩厚度太小。且 基岩中只有位于垮落带之内的基本顶关键层对覆岩活动起主要控制作用, 覆岩表现为整体下 沉形式, 必然造成部分水资源流失。 同时其基岩顶部的砂质泥岩隔水层厚度只有 2.75 m, 而 窥 1孔中对应的粉砂质泥岩隔水层厚度为 6.42 m;直接顶厚度只有 4.1 m(1 m顶煤,

12、不 足窥 1孔 9.51 m的直接顶厚度的一半。覆岩下沉量大而隔水层较薄,使其极易失去隔水作 用。此外, 51201工作面在窥 2孔附近区域的平均开采速度没有达到 “ 薄基岩浅埋煤层保水 开采分类 ” 中要求的 15 m,每日平均进尺只有 11 m。 (a 开采过程中的水位观测孔 (b 潜水资源流失后的水位观测孔图 7 水位观测孔采后状况Figure.7 Water level observation hole status after mining4.3 窥 3孔区域窥 3孔所在区域水位变化状况与窥 2孔基本类似。 采过约 100 m后, 所在区域的水资源 完全漏失, 窥视孔没能在基岩上部

13、3.55m 厚的砂质泥岩处膨胀闭合隔水。 其覆岩垮落和导水 裂隙发育特征基本与窥 2孔类似, 呈整体下沉状, 导水裂隙也在采后迅速与松散含水层沟通。5. 浅埋煤层地表沉降特征及其分析6.1地表沉降主要观测结果地表沉降观测伴随着水位观测同时进行, 在窥 1孔附近区域, 采后首先出现与工作面顺 槽基本平行的地表走向裂缝,如图 8所示。在工作面后方约 40 m才开始出现与走向方向垂 直的横向裂缝群,且不明显。地表下沉比较缓慢,沉降比较连续,没有出现整体下沉,其对 应的孔内采动覆岩也是逐步垮落。窥 1孔所在处地表在采后的最终沉降量约为采高的 0.18倍。窥 2孔附近区域首先出现与工作面走向基本垂直的明

14、显的横向裂缝, 裂缝几乎与工作面 所在位置一致,甚至还超前约 510 m。地表在采后很快就出现与工作面走向垂直的整体式 下沉, 下沉量普遍超过 1.15 m,如图 9所示。同时,窥视孔内的采动覆岩也表现为整体垮落- 4 - 图 8 地表沉降及走向裂缝群形态(窥 1孔 Figure.8 Surface subsidence status of the nO.1 eye hole图 9 地表沉降及横向裂缝群形态(窥 2孔Figure.9 Surface subsidence status of the no.2 eye hole窥 3孔附近区域的地表沉降过程与窥 2孔基本相似, 其地表在采后的最终

15、沉降量约为采 高的 0.53倍。6.2不同沉降形态机理分析窥 1孔所在区域的地表沉降过程和沉降量与窥 2孔和窥 3孔的明显不同, 其根本原因在 于窥 1孔所在区域的基岩厚度比较大, 基岩中存在 2个对覆岩活动起控制作用的岩层, 即基 本顶关键层和主关键层, 当基本顶关键层破断后, 位于断裂带上部的主关键层仍对其上覆岩 层起承载作用, 所以地表沉降比较连续缓慢, 最终沉降量也比不大; 而窥 2孔所在区域的基 岩厚度比较小, 基岩中只有基本顶关键层对覆岩活动起主要控制作用, 且基本顶关键层位于 垮落带之内,所以表现为整体下沉形式,最终沉降量也比较大。同理,窥 3孔所在位置由于 基岩较薄,同样也表现出了整体下沉形态。6. “ 两带 ” 高度及其分析实测三个窥视孔的垮落带与裂隙带最大发育高度如表 2所示。表 2 “两带”高度统计Table 1 The height of caved zone & fractured zone窥 1孔 窥 2孔 窥 3孔两带高度/m与采高比值高度/m与采高比值高度/m与采高比值裂隙带 53.10 10.95窥 1孔和窥 3孔实测得到的垮落带高度与采高比值介于 5.366.02之间, 比实验室模拟 和理论