薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究

1、第卷第期年月湖南科技大学学报（自然科学版）（）薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究马立强，张东升，刘玉德，王安，赵永峰，郑铜镖（中国矿业大学南湖校区矿业工程学院，江苏徐州；煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州；神东煤炭分公司，陕西神木）摘要：薄基岩浅埋煤层开采过程中顶板基岩易全厚切落，破断直接波及地表，存在顶板突水的安全隐患在分析顶板导水通道特征基础上，针对浅埋煤层采用传统技术实现保水开采的难点，从开采方法本身采取措施，提出了一套较为系统的薄基岩浅埋煤层保水开采新技术此项技术的关键有三：一是长壁工作面快速推进；二是支架合理支护阻力的计算确定；三是局部降低采高或局部充填补连塔煤矿工作面的三维固液

2、耦合数值模拟计算和现场实践结果证明，该套技术的应用是成功而有效的，可在薄基岩浅埋煤层保水防溃开采中推广应用图，表，参关键词：薄基岩；浅埋煤层；保水开采；快速推进；支护阻力；降低采高；充填中图分类号：文献标识码：文章编号：（）神东矿区各矿所开采区域大部分煤层仍然属于埋深在以内的浅埋煤层浅埋深、薄基岩（通常厚度）、上覆厚松散风积沙含潜水层是神东矿区目前开采煤层的典型赋存特征在沙漠覆盖层下的三趾马亚黏土隔水层上蕴藏着宝贵的地表潜水，在浅埋煤层开采过程中大量流失，这对于居民生活，生态环境及整个神东能源基地的可持续发展都造成了巨大的危害同时，我国西部许多煤矿在开采浅埋煤层过程中都发生了顶板溃水溃沙等事故

3、，影响正常安全生产因此，薄基岩浅埋煤层开发最大的技术难点是如何在煤炭资源安全开采的同时，最大限度地保护水资源，即“保水开采”的概念伴随着西部浅埋煤田的大规模开发被提出了煤层开采前，矿区的生态环境基本是平衡的矿区水环境的失衡及其衍生的水害皆由煤层开采引起，所以必须从开采理论与方法本身入手，解决浅埋煤层水害和水资源流失问题大面积预留保（防）水煤柱和限厚开采显然是不可行的预先疏排水虽然达到了安全生产，但对当地生态环境不利有人提出利用旺格维利采煤法实现保水开采，但该方法煤炭资源的回采率低，不值得提倡充填式采煤，虽然可以减少顶板破坏，能达到保水开采目的，但这在技术和经济上暂时还不可行为此，本文提出一套以

4、长壁工作面快速推进为基础的较为系统的薄基岩浅埋煤层保水开采技术薄基岩顶板导水通道特征煤层开采后，当含水层与煤层间存在关键层时，如隔水层很厚，则关键层破断后，隔水层会将采动引起的裂隙消化，隔水层裂隙分布范围小且发展缓慢，隔水层的上部是完整的，采动裂隙更不会波及到上部含水层；如隔水层较厚，则关键层破断后，隔水层也会将采动引起的部分裂隙消化，但隔水层的整体隔水性能没有被破坏，隔水层内部采动裂隙没有相互勾通但应尽可能优化开采方法或选择有效支护避免隔水层的劣化；如隔水层较薄，则关键层破断后，隔水层不能将采动引起的裂隙消化，隔水层裂隙分布大且发展较快这种情况下，可改良隔水层的性状；如隔水层很收稿日期：基金

5、项目：教育部新世纪优秀人才支持计划（）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目；煤炭资源与安全开采国家重点实验室年开放基金项目；中国矿业大学科学研究基金项目（）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室年开放基金资助项目（）作者简介：马立强（），男，宁夏吴忠人，博士，讲师，主要从事采动覆岩控制等方面的研究工作薄或无隔水层，则关键层破断，很快形成导水通道，面下端铰接并挤压闭合周期来压时，关键层破断前，在工作面前方，随着工作面支架的往复升降活动，顶板岩体的整体性遭到覆岩减弱，岩体的抗拉强度降低由于顶板周期破断，向采空区发生倾斜，由拉应力产生裂缝因此，加大截深等加快工作面推进速度的开采技术可减少对

6、顶板岩体的破坏，顶板难以形成一次直达含水层底部的贯通裂隙，含水层水难以短时大量突入工作面工作面在覆岩破断裂隙未发育完全时推过富水区域，保证了安全回采和水资源不流失反之，覆岩破断裂隙发育充分，工作面上方含水层水便可能突入工作面，保水开采无从实现薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩运动的基本特征是：顶板基岩易全厚切落，基岩破断角较大，破断直“三带”，基本上为冒接波及地表工作面覆岩不存在落带和裂隙带“二带”煤层上覆基岩过于薄，煤层采高大，采掘冒落后，顶板基岩全厚度切落形成的裂缝以及冒落形成的导水通道为水资源流失提供了必要的空间通道根据该区覆岩活动特征，工作面煤壁和开切眼处水资源流失程度的大小主要取决于顶板基

7、岩切落后的贯通裂隙宽度的大小，并与松散含水层粒度有关其关系为，（）（）（）支护阻力确定该区长壁工作面在关键层初次来压和周期来压式中，为导水通道宽度，；为顶板下沉量，；为顶板基岩垮落角，°；为采高，；为直接顶厚度，；为直接顶冒落后的碎胀系数但本区基岩上方广泛分布的风化带岩层属于中等偏弱岩层，水稳定性差，易水解，有利于导水裂缝的重新闭合现场采用快速推进开采技术，工作面推过后，顶板及其上覆厚松散沙土层几乎不分先后的整体下沉，整体破断的顶板岩块可以铰接挤压并快速闭合，仍具有阻水作用实测大柳塔工作面采空区覆岩裂缝带由形成到闭合约需的时间，随着关键层裂缝的闭合，破坏岩体仍可以起到控水作用壁附近和

8、开切眼处时均有整体切落现象提高支护强度虽然不可能改变顶板全厚度切落这一基本特征，但合理的支护可以控制顶板破断运动过程神东矿区长期的生产实践表明，在长壁开采中保证足够的支撑力可以控制剪切破断首先由采空区侧开始如果工作阻力较大时，可促使支架煤壁上方拉断后在覆盖层作用下沿支架后端切落；如果支架工作阻力很小时，就无法控制支架上方断裂岩块的滑落和回转，切落会在煤壁处发生，从而在相同的水文地质条件下工作面有可能直接突，保水开采无从实现水（如图）关键层初次来压时，所需支架工作阻力最大，此时顶板载荷计算示意如图所示因此，薄基岩浅埋煤层保水开采的重点区域在工作面煤保水开采技术经过近几年的不断探索与实践，形成一套

9、以长壁工作面快速推进为基础的较为系统的保水开采技术，长壁工作面快速推进；（）支护阻力其关键技术：（）确定；（）局部处理长壁工作面快速推进依据关键层理论，本区基本顶关键层（唯一关键层）承受整个覆盖层载荷，基本顶关键层初次破断后，直接顶冒矸充填部分采空区，阻碍岩块的转动，可能形成暂时的三铰拱平衡由于中部运动被阻，因而在覆盖层重载作用下，岩块朝反方向回转，靠工作面一侧的裂缝被挤压，而这一侧裂缝的挤压闭合运动是防止水资源流失的重要条件加快工作面推进速度可使破断岩块尽快朝反方向与工作面一侧未断岩层在断载荷层关键层直接层关键块图关键层初次破断时的顶板载荷支架必须提供的支护阻力由基本顶关键层结构滑落失稳所传

10、递的压力和直接顶岩柱重组成按照文献的计算思路，并对其中相关参数进行修正，得到基本顶关键层结构滑落失稳传递压力为（）（）作用于支架的直接顶岩柱重量为：式中：为控顶距长度；，支架宽度；为岩石视（）密度；为初次来压时载荷传递系数；为基本顶关为靠工作一侧基本顶关键层初次断裂岩键层厚度；块长度；为基本顶关键层视密度；为载荷层厚度；载荷层平均视密度；，为工作面侧关键块回转角；为块度（关键层破断岩块厚度与长度之比）支架设计中，真正采用的工作阻力是根据对支架总体结构参数的优化，不断进行修正的参数值，最终目标在于满足维持工作面顶板稳定所需要的支护阻力要求神东矿区目前较常用种两柱掩护式液压支架的工作阻力为，分别适

11、用于不同条件的综采工作面局部处理局部降低采高（）从式（）中可以看出，裂隙宽度的大小取决于顶板基岩台阶下沉量，越大，裂隙宽度也越大；反之，其越小从式（）中可以看出，顶板基岩台阶下沉量取决于与及冒落后的碎胀系数，在后者一定的情况下，可以通过降低采高，使裂隙宽度减小在基本顶关键层初次来压处，适当降低采高以减小基本顶关键层的运移空间，有利于破断岩块朝反方向回转，靠工作面一侧的裂缝被挤压，而这一端裂缝的挤压闭合运动是防止顶板水资源流失的重要条件且有利于关键层形成较为稳定的砌体梁结构，从而使上部载荷层破坏程度减小，增强上部隔水层的阻水作当工作用如果在基本顶关键层初次来压处降低采高，面经过一个周期来压后，顶

12、板的受力状态由两端固支梁变为悬臂梁，岩层断裂缝由超前工作面变为滞后工作面，此时即使导水裂缝带进入含水层，水也只会从老空区流出，工作面不会出现顶板突水此时，可逐步如果由于采高大，冒增加采厚，进入正常回采反之，矸不能阻滞岩块的变形失稳，咬合点继续破坏转动，咬合两端裂缝在回转中进一步拉开、切落，则形成导水通道（）局部充填开切眼附近是应力集中区，顶板基岩一般要在开切眼侧发生剪切破断，顶板贯通性裂缝是顶板断裂产生的动压力造成的采用在开切眼附近局部充填的方法，直接顶冒落后与基本顶关键层间隙越小，台阶下沉量就越小，基本顶关键层切落后裂隙宽度（）就越小，水资源流失的程度就会减小；此外，局部充填可以改善局部顶板

13、的应力状况，减小动压破坏程度，减少覆岩贯通裂缝，基岩不会发生错动式破坏当然，随着工作面远离充填体，充填体的影响会逐步减小，应力将再次升高，然而此时的顶板岩层已进入整体变形阶段工程实例采矿地质条件补连塔煤矿工作面宽，快速推进速度为距切眼有一强富水区域，该富水区上覆基岩最薄为，含水层初始厚度最厚为其强富水区煤的岩层综合柱状如表所示预计水资源会严重流失，且工作面排水能力和矿井的排水能力都很难满足矿井预防突水的需要为确保安全回采及防止水资源流失，采用了快速推进的保水开采技术，并采用固液耦合模拟计算进行验证表岩层综合柱状表名称松散层砂质泥岩砂岩砂质泥岩中细粒砂岩砂质泥岩煤层厚岩性描述中细粒砂，松散未胶结

14、，含砾石顶部左右的岩层已风化中间夹三层厚的煤层底部夹左右的细砂岩固液耦合模拟根据工作面的地质条件，采用进行了应力渗流系统进行固液耦合模拟计算，相应参数根据特性和工作面条件进行设置随着工作面的快速推进，工作面后方采空区中部纵向裂隙的导水能力逐步减小，远远小于切眼和工作面处覆围岩裂隙的渗透能力工作面两端头覆岩的导水裂隙的渗透能力比工作面中部大采动岩体的采动岩体导水裂隙的最大渗流速度的变化渗流量和裂隙压力都经历了由小到大再变小的过程，说明采空区及其上方覆岩的导水裂隙被逐渐压实，失去了导水能力计算结果如图所示图固液耦合计算模型及工作面开挖后状况工作面推进速度越快，覆岩下沉越平缓，整体性越强，导水裂隙发

15、育程度越小图为工作面推进速度与潜水位下降的定量变化关系随着工作面的快速推进，垮落岩体逐渐被压实，且断裂基岩块按一定的力学铰接关系形成了较稳定的结构，导水通道基本能完全闭合，采空区上方的地下水位有可逐步恢复，在一定地质条件下，保护松散层水体及地表水体的采煤技术可以实现推进速度（）水位下降保水开采这一认识结论（）根据神东矿区薄基岩浅埋煤层的顶板导水机理，提出了工作面快速推进、局部降低采高或局部充填的保水开采技术（）工作面快速推进，顶板难以形成一次直达含水层底部的贯通裂隙；在基本顶关键层初次来压处，适当降低采高以减小基本顶关键层的运移空间，可使覆岩破坏程度减小，能有效防止水资源流失；为预防工作面顶板

16、沿煤壁台阶下沉形成贯通导水裂缝，支架必须有合理的支护阻力（）在开切眼附近局部充填，可减小直接顶冒落后与基本顶关键层的间隙，还可以改善局部顶板的应力状况，减少覆岩贯通裂缝（）三维固液耦合数值模拟计算和现场工程实践证明，该套保水开采技术的应用是成功可行的参考文献：钱鸣高，许家林，缪协兴煤矿绿色开采技术中国矿业大学学报，（）：，（）：范立民论保水采煤问题煤田地质与勘探，（）：，（）：武强，董东林，傅耀军煤矿开采诱发的水环境问题研究中国矿业大学学报，（）：，（）：钱鸣高，缪协兴，许家林，等岩层控制的关键层理论徐州：中国矿业大学出版社，：，张东升，马立强特厚坚硬岩层组下保水采煤技术采矿与安全学报，（）：

17、，（）：涂敏潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究煤炭学报，（）：，图工作面推进速度与水位变化关系回采过程中和回采后水位的变化工作面在的快速推进条件下，采后各观测水井的地下水位标高均呈下降趋势，尤以天内水位下降最为明显，以后为缓慢变浅的过程，表明基岩断裂过程中有部分潜水渗漏到采场之中，但没有发生工作面顶板突水工作面快速推进保水开采的工程实践是成功的在采后周之后，水位埋深又呈上升趋势，并逐渐保持稳定，表明断裂的岩块在快速采动之后能闭合，且能与其上软弱岩层很好地耦合，使浅表水不再向井下渗漏各观测水井水位下降，平均下降根据实测数据，除工作面两顺槽附近水位下降幅度大于地面下降幅度外，其余大部分地段总体水位下降幅度均小于地面下降幅度，采空区上方水位整体呈相对上升趋势，如图所示日期水位地面图水井平均水位、地面下降动态曲线