薄基岩浅埋煤层保水开采新技术

薄基岩浅埋煤层保水开采新技术

神东矿区的大部分煤层仍然属于深度小于200m的浅埋煤层。浅裂岩（通常厚度30m）和上部松散风和沉积物角砾岩的含水层是当前神东矿区采矿地层的典型特征。在沙漠覆盖层下，三脚趾马亚粘土界面中隐藏着大量没收的地表潜水层，在浅埋地层的开采过程中大量流失，严重影响了居民生活、生态环境以及整个西东能源基地的可持续发展。同时，中国西部许多煤矿在开采浅埋地层时发生了屋顶坍塌、水沙等事故，影响正常的安全生产。因此，在安全盐开采的同时，最大的技术难点是保护教育资源，即“水保护”的概念，以及西方的大型平a油田开发。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1工作面覆岩的水资源煤层开采后,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;如隔水层很薄或无隔水层,则关键层破断,很快形成导水通道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,破断直接波及地表.工作面覆岩不存在“三带”,基本上为冒落带和裂隙带“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岩切落后的贯通裂隙宽度D的大小,并与松散含水层粒度有关式中,D为导水通道宽度,m;Δh为顶板下沉量,m;a为顶板基岩垮落角,0~90°;M为采高,m;h为直接顶厚度,m;K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201工作面采空区覆岩裂缝带由形成到闭合约需12d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2工作面快速推进保水开采技术经过近几年的不断探索与实践,形成一套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,其关键技术:(1)长壁工作面快速推进;(2)支护阻力确定;(3)局部处理.2.1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减弱,岩体的抗拉强度降低.由于顶板周期破断,覆岩向采空区发生倾斜,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.2.2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1所示.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递的压力和直接顶岩柱重组成作用于支架的直接顶岩柱重量为:L式中:L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5种两柱掩护式液压支架的工作阻力为6715~8638kN,分别适用于不同条件的综采工作面.2.3局部处理(1)局部降低采高从式(1)中可以看出,裂隙宽度的大小取决于顶板基岩台阶下沉量Δh,Δh越大,裂隙宽度也越大;反之,其越小.从式(2)中可以看出,顶板基岩台阶下沉量Δh取决于M与Σh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M,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用.如果在基本顶关键层初次来压处降低采高,当工作面经过一个周期来压后,顶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,可逐步增加采厚,进入正常回采.反之,如果由于采高大,冒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.(2)充填覆岩导质细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Δ越小,台阶下沉量Δh就越小,基本顶关键层切落后裂隙宽度(D=Δhcosa)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.3工程实例3.1富水区上覆基岩地层水层厚度补连塔煤矿32201工作面宽240m,快速推进速度为15~20m/d.距切眼2050~2550m有一强富水区域,该富水区上覆基岩最薄为62.68m,含水层初始厚度最厚为19.93m.其强富水区23.2工作面推进速度根据32201工作面的地质条件,采用FLAC工作面推进速度越快,覆岩下沉越平缓,整体性越强,导水裂隙发育程度越小.图3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.3.3工作面覆岩导水地下水保水开采实践32201工作面在15m/d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10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.32201工作面快速推进保水开采的工程实践是成功的.在采后2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0.05~2.23m,平均下降1.45m.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4所示.32201工作面2004年9月3日没有推进,9月4日出现20m4基层顶间隔水性(1)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.(2)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