杉木树矿石炭沟河下煤层安全开采研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 杉木树矿石炭沟河下煤层安全开采研究 姓名范志胜 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 20090514 论文题目杉木树矿石炭沟河下煤层安全开采研究 专业采矿工程 硕士生范志胜 指导教V i l i ．余学义 摘要 签名 签名 我国许多矿区地质、开采及水文条件复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁， 如何安全合理地开采水体下压煤，成为煤炭安全开采要解决的重大问题之一。地下开采 引起覆岩的移动破坏，在波及强含水层时可能导致水体水溃入井下，威胁煤矿生产安全。 在进行水体下煤层开采时，开采引起覆岩中的导水裂缝发育高度和形态是安全、合理、 经济开采煤层的关键技术。本文应用矿山压力和水体下开采理论，在分析了芙蓉矿区杉 木树煤矿石炭沟河下N 2 4 采区B 3 4 煤层覆岩类型和地质、水文、采矿等条件的基础上， 结合F L A C 3 D 、F ．R F P A 2 D 数值软件计算和相似材料模拟实验，综合分析研究石炭沟河下 煤层开采后引起上覆岩层移动破坏规律和“三带”分布规律，重点分析了该地质、采矿条 件下煤层开采引起覆岩导水裂缝带发育高度和形态，给出适应芙蓉矿区的导水裂缝带高 度预计公式。详细模拟计算分析了石炭沟河下N 2 4 采区B 3 4 煤层采用3 m 和2 m 开采 高度引起河床破坏的范围和形式，开采可能引起河床两侧坡体滑坡灾害发生的范围，应 用水体下开采理论结合实验模拟结论，分析得出了适合石炭沟河下N 2 4 采区煤层的安全 开采方案，给出了安全合理的煤层开采高度和地表河床的安全防护措施。 关键词导水裂缝带；数值模拟；覆岩破坏规律；坚硬岩层；河床下开采 研究类型应用研究 S u b j e c t S t u d yo nC o a l s e a mM i n i n gS a f e t yU n d e rS h i T a n G o uR i v e ro f S h a n M u S h uC o a lM i n e S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e F a n Z h i S h e n g I n s t r u c t o r Y u X u e Y i A B S T R A C T S i g n a t u r e S i g n a t u r e T h e r ea r em a n yt h r e a t so fw a t e r b o d yd u r i n gt h ec o a l m i n i n gb e c a u s eo fm i n i n gc o n d i t i o n a n dt h eo m p l e x i t yo ft h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g yc o n d i t i o ni no u tm a n yc o a l m i n e s ．I ti so n eo f i m p o r t a n tp r o b l e m su r g e n c yt os o l v ef o rc o a ls a f e t ym i n i n gt h a th o wt om i n i n gt h ec o a li n u n d e rt h ew a t e rb o d ys a f e t ya n dr a t i o n a l l y ．U n d e r g r o u n dm i n i n gC a nc a u s e dd a m a g eb y o v e r b u r d e ns t r a t am o v i n g ，O n c es w e e p i n gh i g hl a y e r e da q u i f e rm a yb er e s u l ti nw a t e r s f l o w i n gi nu n d e r g r o u n d ，t h r e a t e nt oc o a lm i n ep r o d u c t i o na n ds a f e t y ．W h e np r o c e e d i n g c o a l m i n i n gu n d e rw a t e r b o d y ．M i n i n ga r o u s ew a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ed e v e l o p i n gh e i g h t a n df o r m so fo v e r b u r d e ns t r a t aa l et h ek e yt e c h n o l o g yo fs a f e t y , p r o p e r t ya n de c o n o m y ．T h i s p a p e ra p p l i e dt h et h e o r yo fp r e s s u r eo fm i n i n ga r e aa n dc o a l m i n i n gu n d e rw a t e r b o d y , a n a l y s i s o nt y p eo fo v e r b u r d e ns t r a t aa n dc o n d i t i o n so ft h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g ya n d m i n i n g ．F u R o n g G r o u pS h a n M u S h uc o a l m i n ea r e aS h i T a n G o uR i v e rN 2 4w o r k i n ga r e ao fB 3 4c o a ls e a m ， t h e na c c o r d i n gF L A C ’D a n dF ．R F P A 2 Dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n a l y s i sa n ds i m i l a rm a t e r i a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，m e t a - a n a l y s i so nr u l e so fo v e r b u r d e ns t r a t am o v i n gd e f o r m a t i o na n d ‘ t h r e ez o n e ’，w h e nm i n i n gN 2 4w o r k i n ga r e ao fB 3 4c o a ls e a mu n d e rS h i T a n G o uR i v e r , e s p e c i a l l yw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ed e v e l o p i n gh e i g h ta n df o r m s ，g i v eo u tap r e d i c t i o n f o r m u l ao fh e i g h to fw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ea d a p t i n gt oF u R o n gm i n ea e r a ．D e t a i l e d l y s i m u l a t e da n da n a l y s i so nr a n g ea n df o r mo fr i v e r b e dd e s t r o y e da n dR a n g eo fm i n i n gm a y a r O U S ea m b o - r i v e r b e ds l i d i n gh i l l - - c r e e ph a z a r d sw i t h3 ma n d2 m m i n i n gh i g hi nN 2 4w o r k i n g a r e ao fB 3 4c o a ls e a mu n d e rS h i T a n G o uR i v e r , U s et h e t h e o r yo fc o a l m i n i n gu n d e r w a t e r b o d yc o m b i n e dw i t ht h ec o n c l u s i o n so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，a n a l y s i st oo b t a i n e dt h e s a f e t ym i n i n gp l a ns u i t a b l ef o rN 2 4w o r k i n ga r e ao fS h i T a n G o uR i v e r , a n dg i v e no u ts a f ea n d r e a s o n a b l em i n i n gh i g ha n dg r o u n ds u r f a c e r i v e r b e dw i t hp r o t e c t i v em e a s u r e s ． K e yw o r d s W a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e N u m e r i c a ls i m u l a t i o nR u l e so fo v e r b u r d e n S t r a t ad a m a g eH a r dr o c ks t r a t u m M i n i n gu n d e rr i v e r b e d T h e s i s A p p l i c a t e ds t u d y 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名散稚日期1 卅污．63 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作摊讫莲稚指导教师妣肛， 弘，c 哆年石月乡日 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 1 ．1 ．1 问题的提出背景 1 绪论 随着我国经济发展驶入快车道，煤荒、电荒、油荒几乎是一夜之间凸现在人们面前。 在我国能源探明储量中，煤炭占9 4 ％，石油占5 ．4 ％，天然气占O ．6 ％I l ⋯，这种“富煤贫 油少气’’的能源资源特点，决定了我国能源生产与消费以煤为主的格局将长期难以改变。 与其它石化能源相比，煤炭资源相对丰富，是目前最可靠、廉价和可以洁净利用的能源， 在未来几十年内，煤炭在中国仍将占有重要地位。但是，煤炭能否满足我国经济的快速 发展，仍是个很大的问题。 我国煤炭资源十分丰富，煤田分布广泛，大小煤矿星罗棋布，都与各类水系紧密相 连。水体下采煤是指地表水体和可采煤层上方的地下水体所压煤层的安全开采。我国有 1 0 0 多条较大的河流压煤[ 2 1 ，还有山东微山湖、江苏太湖、湖北大冶湖、山东渤海等湖 海底下都有丰富的煤炭资源 近微山湖下就压煤约4 0 亿t ，渤海龙口矿区滨海也压煤1 2 亿t 。华北、东北、华东原地区普遍盖有第四系含水层，这些地区煤田浅部开采都有在 流沙下采煤的课题【1 】【3 】。湖南、江西等省顶板石灰岩岩溶水患也十分严重。 我国许多煤矿水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁，煤矿 防治水已是煤矿生产与科研中的一大难题。据原煤炭工业部初步统计，全国6 0 0 处国有 重点煤矿中受水体威胁的矿井达2 8 5 个，占矿井总数的2 7 ．5 ％，受威胁储量达数百亿t 【7 J 【羽。同时，随着煤矿生产在开采深度和广度上的不断增加，矿井水害日趋严重，淹井伤 人事故频频发生，给人民的生命与财产带来了极大的损害。因此如何安全合理的开采水 体下压煤，成为当今煤炭开采技术研究的一个重要课题。 开采煤层导致水资源受到破坏的问题亟待解决。以山西省为例，山西省是我国重要 煤炭工业生产基地煤炭产量居全国煤炭总产量的1 ／4 以上，但是随着煤炭矿产的大量开 采，对水资源的破坏也日益严重【1 2 l 【1 7 】。据统计受到破坏的地下水储量已达4 7 9 5 1 m 3 ／h 之 多。这个水量如以城市每人每天用水量1 2 0 L 计算，则可满足9 5 9 万城市人口的用水问 题。山西省人均水资源量仅为全国平均水平的1 ／5 ，在全国3 1 个省市自治区水资源指数 依据人均亩均单位面积平均水资源量 排序中列第2 9 位【2 Ⅱ。1 。煤炭矿产的开采严重破 坏水资源。此外，开采煤矿还会造成地表塌陷与河川径流量减少，矿井水污染和作为供 水水源的一些岩溶泉域的泉水流量迅速下降直至干涸，如晋祠泉等。煤层开采造成的矿 区漏水使1 6 7 8 个村庄8 1 万余人，1 l 万头大牲畜饮水困难【l O l 。 西安科技大学硕士学位论文 我们不仅要安全合理的开采出含水层下的压煤，还要有意识地去保护含水层和水资 源生态，因此，不仅要保证水体下煤层能安全开采，还有正确认识与妥善处理开采沉陷 与水资源生态环境保护问题，是煤炭工业可持续发展的一个重大课题。 1 ．1 ．2 研究意义 我国煤炭工业落后，水体压煤被大量丢弃，解放后，许多煤矿开展了水体下采煤的 生产实践和科学实验，成功地在各种类型的水体下采出了大量煤炭，获得了一些规律性 认识，为发展煤炭工业积累了经验。开采水体下压煤，对国民经济和煤炭工业本身的发 展有着重要的意义【_ 7 】【1 0 】。由于水体下压煤具有量大和面广的特点，如果不予开采，不仅 不能合理开发利用资源，而且造成矿井开采技术上的困难。煤炭企业已步入市场经济的 轨道，煤矿生产经常遇到水体下压煤的问题，不仅影响了煤矿生产合理布局，更直接关 系到煤矿企业当前的经济效益，为此，应当较深入研究水体下采煤的问题。 目前，煤矿开采以牺牲水资源环境为代价，许多煤矿区地下水资源都已面临过量开 采、水质恶化的局面，可利用水资源已呈现逐渐枯竭的趋势，合理地保护煤矿区地下水 资源对煤矿区生态环境和资源环境保护意义重大。如放顶煤开采其采动破坏性影响明 显，实现保水采煤相当困难，因而向该领域的研究人员提出了更加严峻的挑战。 陕北侏罗纪煤田是我国现已探明煤炭储量最大的煤田，约占全国的2 5 ％，被誉为世 界七大煤田之一，根据国家规划，这里将成为我国西部优质动力煤的供应和出口煤基地， 是2 1 世纪煤炭工业战略西移的首选基地[ 7 】[ 1 9 】。然而，该区地处我国西部的毛乌素沙漠 和陕北黄土高原的接壤地带，水资源贫乏，地质及生态环境脆弱。因此在煤炭资源开采 的同时，必须最大限度地保护水资源、保护生态环境，在保护浅层地下水资源的条件下 开发煤资源即保水采煤。 水体下采煤问题遍及我国大多数的煤炭生产基地，如地处鲁西南和江苏北部的微山 湖区，压煤达7 亿t 之多；在安徽仅两淮煤炭基地新区，第三、四系松散层水体下计划 留设的防水煤柱就有1 0 亿t ，受奥陶系及太原群灰岩水威胁的储量，约占总储量的2 5 ～ 5 0 ％左右；淮南矿务局的孔集、李嘴孜、新庄孜、毕家岗四矿的淮河下压煤大2 ．1 亿t 【l o J 【1 4 J 。 因此，实现水体下安全、合理开采是一个日渐突出的重要问题，已逐渐引起了采矿界的 高度重视。 总之，如何实现在地表、含水层及煤层上覆岩层中赋存水体的情况下安全采煤，正 确评价水体下采煤的安全合理性，进而实现水体下的安全合理开采，具有重大的现实意 义。对确保矿工的人身安全及矿井的安全生产，提高煤炭资源回收率，保护地表水和地 下水资源，增加就业的机会，保障社会稳定，促进经济发展等都有着无可置疑的时代意 义。 2 1 绪论 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 国外水体下采煤研究动态及发展趋势 在国外，许多煤矿做了水体下开采方面的工作。最早是因为在河流、湖海、流砂层 等水体下采煤，要求防止泥沙水溃入矿井。最初采用疏千水体或使河流改道等方法，但 有时这些方法却不能使用，为此需要寻找更好、更合理的方法。于是学者们开始从理论 的角度进行了研究，首先是对水体下采煤的采煤方法进行了研究。因为煤层开采以后， 上部隔水层贯穿需要一定的时间，为此只要能找到快速有效的回采方法，即可解决这一 问题。 国外在对水体采煤的理论进行了长期研究的同时，并各自根据本国实际制订了相关 规程与规定【1 】【4 】。匈牙利煤田的水文地质复杂，含水灰岩多，裂缝溶洞发育，如多洛格 煤矿公司1 0 0 多年来，已发生6 3 0 次突水事故，有5 3 次矿井被淹。通过突水资料分析， 主要原因是相对隔水层高度不够。匈牙利专家认识到不同岩石的隔水．阻水作用不同， 可选定一种标准隔水岩层，将其它岩石与其对比，换算成质量等效系数，算出具体条件 下各种岩石组成的相对隔水层高度 丫 f 3 】【1 1 1 ，其计算式为 ，，尘竺 二兰m ／a t 1 ．1 ，， 皇曼一 t1 ．IJ ’ P 式中m 一水体与开采煤层间各种岩层的高度，m ； a 一不可靠相对隔水层高度，定防水煤柱时，a 取1 0 m ； o 一每种岩石与标准岩石相比较的质量等效系数； P 一地下水水压力，大气压，a t 。 式 1 ．1 将上覆岩层视为整体，都起各自的阻水作用，相对扩大了隔水层高度，此 处的相对隔水层与通常讲的相对隔水层概念上有差别。采用力学计算则可以轻松的解决 这一问题。无论是在井下开采，还是地表建设，近年来多采用有限元或边界元计算方法。 使这一方法从理论到应用都趋于成熟。 匈牙利还提出了计算因采动引起的回采松动带高度O a l 淞式【5 】 h C M 1 - 1 1 0 1 ．2 式中b 一回采松动带高度，包括采空区、冒落带及裂缝带总高度，m ； 1 1 旷充填率，％； M 一采高，m ； C 松动系数，单层长壁陷落法取2 5 ；单层长壁充填法、多层冒落法，取2 0 ；多 分层充填法，取1 5 。 3 西安科技大学硕士学位论文 此外，加拿大、原西德、原苏联等国也是水下采煤技术发达和采煤量大的国家。7 0 年代中期，苏联加强对几个主要煤田进行岩移规律和岩层渗透性的综合观测，使水体下 采煤的安全开采深度减小三分之一，于1 9 7 3 年出版了确定裂高方法指南，1 9 8 1 年颁布 了有关水体下开采的规程，根据覆岩中粘土层高度、煤厚、重复采动等条件的变化来确 定安全采深，这是十分重要的经验【5 】【9 1 。 日本、英国是岛国，对沿海岸的海下煤层的开采非常注意研究。日本有1 1 个海下 采煤矿井，首要的安全措施是留足够的防水煤岩柱，如伊王岛煤矿海下采煤，防水煤岩 柱高度与煤层采高的比值，规定浅部开采约1 0 0 倍，深部为3 4 倍，就可允许用长壁陷 落法采煤。日本为减少煤岩柱尺寸，使用风力充填法，如福岛煤矿仅留垂高8 0 m 防水煤 柱，用风力充填成功地采出2 m 高的煤层，仅局部工作面淋水增大。还有用房柱式风力 充填法【l l 】[ 1 4 J 。 英国是世界上海下采煤最早的国家，有1 6 座海下矿井，积累了长期经验，1 9 6 8 年 前是按开采高度来确定长壁式全面采煤法允许开采最大的煤层高度，采深与采高允许值 如表1 ．1 示。 表1 ．1 英国海下开采允许的采深与采高1 2 9 1 后来，英国煤管局认为水下采煤，顶板拉伸破坏和上覆岩层高度尤为重要，海下采 煤条例规定，用长壁陷落法，上覆岩层高度不小于1 0 5 m ，其中还应有6 1 m 高度夹页岩 的含煤地层，M o 1 ．7 m ，H 1 8 0 m 时，海底最大拉伸变形不应超过1 0 m m ／m 。用房柱法 实行开采时，允许的最小采深仅为6 1 m ，理论回采率仅4 4 ％t l o 】【1 7 】。 国外进行水体下采煤的国家很多，依据开采实践，规定了海底距煤层的最小安全距 离，同时用水体下隔水岩层的最大变形值是否大于其极限变形值来衡量其隔水能力。波 兰作为世界上十大主要产煤国家，由于其城镇、铁路、水体等压煤众多，历来十分重视 “三下”采煤工作。其岩移理论及“三下”采煤技术一直处于世界领先水平，拥有一大批世 界一流的岩移理论学者1 2 J 。 国外水体下采煤大多数采用走向长壁法开采，全部冒落法顶板管理，从事海下采煤 历史悠久、规模大、安全措施严密。综合国外情况，他们对导水裂缝带发育规律研究不 足。对覆岩结构的分析研究不如我国。西方国家所规定的临界拉伸变形值与水体下安全 开采有关，但不是主要因素，更重要的是有无有效的第四纪粘土存在及基岩中风化带的 性质，隔水岩层的性质、位置及高度；其次是煤层的产状和导水裂缝带的发育高度。他 们所规定的临界变形值并不是导水裂缝带处的实际变形值【1 5 1 1 8 】。 4 1 绪论 1 ．2 ．2 国内水体下采煤研究动态及发展趋势 水体下采煤技术独具特色，在我国，早在2 0 世纪5 0 年代就开始了水体下采煤的系 统研究和实践，4 0 多年来，我国的水体下采煤理论有了长足发展。目前我国水体下采煤 在理论和技术上都具有世界先进水平。 我国进行水体下采煤已经成功地进行了淮河下采煤，滨湖滨海地区流砂层下采煤， 地表沉陷积水区下采煤，1 9 8 6 年在特大型地表水体下采煤、有第四纪隔水层条件的地表 大型水体下开采已基本过关f 3 】【3 5 】。基岩直接出露地区的地表大型水体下采煤、流砂层下 急倾斜煤层的开采以及高含水层下特高煤层开采等方面也积累了丰富的经验。在含水灰 岩层下采煤技术已取得进展，海下采煤也正在开展。 从5 0 年代起，我国在水体下采煤导水裂缝带等相关领域进行了大量的研究和实践 取得了一批重要的理论和实践成果。以煤炭科学院刘天泉院士[ 5 1 1 9 1 为代表 1 9 8 1 ，对导 水裂缝带的理论研究总体上已基本形成了各类条件下导高预计公式，对影响导高发育的 因素及导高发育的时间过程都有了较明确的认识。国家煤炭工业局于1 9 8 5 年制订并于 2 0 0 0 年修订了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，详细规定 了导水裂缝带在各类条件下的计算公式及导水裂缝带形态的描述。 煤科院北京开采所、唐山分院等根据不同条件下“两带”高度的实测值统计回归分析 得出的经验公式，对指导煤矿安全生产发挥了巨大作用【l3 】【3 9 1 。近年来，一些矿区结合本 地的实际，在相应的地质采矿条件下，对已有的经验公式进行了修正、补充，建立了各 自的适合本矿区的“两带”高度计算公式。然而，由于研究问题的复杂性，迄今未知，水 体下采煤仍靠留设一定的防水、防砂或塌陷煤 岩 柱进行，煤柱高度少则4 0 ～- 5 0 m ， 多则8 0 “ - - l O O m ，仅此一项，有的矿井就压煤上千万t ，造成了大量煤炭资源的积压和浪 费嗍。 6 0 年代以来，尽管对水体下采煤问题进行了广泛深入的研究，但是，无论从基础理 论水平，还是从开采关键技术、模型实验手段方面看，水体下采煤研究仍是“三下”开采 研究中的重要方面。如何在确保生产安全的前提下，尽量缩小防水煤柱尺寸，不留设或 少留煤柱，提高煤炭资源的利用率是水体下采煤研究的重要任务。要实现这一目标，必 须对采动覆岩，尤其是导水裂缝带发育高度进行深入的研究。 7 0 年代以来，我国广大采矿科技人员利用相似材料模拟实验，有限元模拟等多种手 段，与生产实践相结合，研究了“两带”高度的发育形态和发育特征，研究了“两带”高度 的产生过程和规律性[ 1 3 1 1 1 8 1 【2 l 】。如利用有限元进行模拟时，当选择了合理的岩性参数后， 可以直接得到岩体内部各点的破坏状态，结合应力、位移的分析后，可以确定各种条件 下的“两带”发育高度，这已被生产证明是一种有效的方法，它不仅可以对已采区的导水 裂缝带进行分析，而且对已经进行过勘探，尚未开采的新矿区，也可以据此确定经济、 5 西安科技大学硕士学位论文 合理的开采上限I 博1 1 23 l 。 几十年来，我国水体下采煤，不仅解放了大量水下煤炭资源，还获得了丰富经验， 发展了理论，形成了一套具有我国特点的理论体系。这就是从分析水体类型、特征、赋 存条件及上覆岩层的水纹地址条件、地层结构入手，并根据地质采矿条件预计覆岩冒落 带、裂高、空间形态，掌握覆岩的移动破坏规律及两带与上覆水体之间的联系，从而确 定煤层合理的开采上限，以达到既多采煤炭又保证安全的目的。 据不完全统计，我国有上百个煤矿的近2 0 0 0 多个工作面进行水体下采煤，产量逐 年递增【17 1 ，我国水体下采煤的实践相当普及，而且经验丰富，这已得到世界各国的公认。 在第三、四系松散含水层及其上覆地表水体下的开采方面，安徽、江苏、山东、河北、 吉林等地矿区进行了大量开采实验研究；在地表河流、湖泊、水库、及塌陷积水区等水 体下的开采方面，有阜新清河、河北绵河、本溪太子河、南桐蒲河、湖南资江漫滩、广 西合山南洪水库及微山湖等大型水体下的成功开采经验；在河堤下开采及河堤维护方 面，有淮河两岸矿区堤下开采的经验可供借鉴，而且我国还有在顶板沙砾岩及石灰岩等 基岩含水层下开采的经验【l o 】【1 2 】。 如龙口矿业集团北皂煤矿正在开展我国海下采煤的首次探索，龙口矿区煤田延伸至 海下煤田面积约1 5 0 k m 2 ，储量约8 亿t 。至2 0 0 4 年3 月北皂矿井下海域已掘巷5 4 0 0 m [ 1 2 l 。 北皂煤矿海域工程是我国第一个海下煤田，2 0 0 5 年6 月，龙矿集团北皂煤矿海域首采面 试生产正式开机打破了我国无海下采煤的历史。我国的淮南、邢台等矿物局，都曾在巨 高冲洪积含水层、急倾斜煤层的各种艰难复杂条件下成功的进行了水体下的采煤工作， 但在水库下采煤只有广东石壁塘煤矿【l 。石壁塘煤矿在上官水库下开采1 0 煤、9 煤和7 煤共3 个煤层，单层高度0 ．9 9 “ - 1 ．1 2 m 。上官水库水域面积3 5 0 k m 2 ，水库底标高 1 6 0 ～ 1 6 5 m 。1 0 煤、9 煤开采上限 6 0 m ，7 煤开采上限 8 0 m [ 9 1 。石壁塘煤矿覆岩岩性属坚硬 类型，煤层的高度及倾角较稳定块段采用走向短壁采煤方法【7 1 。 我国水体下采煤技术发展特点是，采深采高比值小，开采方法多样化，技术措施因 地制宜，采高效果好。从深高比看，当河床与煤系基岩之间无粘土层或仅有含水层时， 采用长壁全冒落法开采，深高比最小为3 0 “ - - - 4 0 ，一般为5 0 - - - - , 6 0 。1 9 8 3 年江西乐安江下 采煤，深高为比仅为2 4 ．1 ；采用充填法开采时，深高比为1 5 “ - - - 2 0 。在这种情况下，安全 深高比的大小取决于基岩中隔水层所占比例的大小。当河床与基岩之间有粘土层时，用 全冒落法开采，深高比最小5 - - - ．8 ，一般1 0 “ - - 3 0 ；采用充填法开采时，深高比可减, F N3 ～ 4 。安全深高比大小除与基岩中隔水岩层高度有关外，主要取决于煤系地层上面覆盖粘 土层的高度【4 J 【5 j 。 但我国对导水裂缝带的研究仍基本处于经验统计、类比、数值模拟 包括以A D I N A 、 A N S Y S 、F A L C 为主的有限元以及U D E C 、M D E C 等离散元、边界元以及离散元与边界 元藕合等 、相似材料模拟、实测 钻孔冲洗液法、钻孔电视法、瞬变电磁法、高密度 6 1 绪论 电阻率法、超声波穿透法、声波C T 层析成像技术、井下t q J 孑L 注水测漏法等 以及某一 类条件的简单理论分析等的研究阶段【2 1 1 1 2 2 1 。对于裂高的计算，建筑物、水体、铁路及 主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中给出一组统计经验公式，该公式是基于当时炮采 与普通机采、推进速度慢的开采条件下取得的，并且每一公式都有其应用条件。对于这 方面的问题其研究意义和经济效益较大，有必要对其进行深入研究。 1 ．3 研究内容和研究方法及技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 1 通过对开采区地质、采矿、覆岩岩性及地形地质条件的分析，依据水体下采 煤理论，对石炭沟河下煤层开采进行理论分析，确定开采地表沉陷裂缝损害的区域和有 关参数； 2 依托四川芙蓉集团杉树木煤矿石炭沟河下开采研究项目，结合理论分析，确 定合理的工作面开采布局和开采高度及开采方法和措施，分析石炭沟河下煤层安全开采 技术方案； 3 采用精细相似材料模拟及数值模拟实验研究分析，并通过实验研究对理论分 析结果进行验证； 4 分析不同采高对石炭沟河床移动变形破坏程度和两侧坡体稳定性，并对河床 下煤层开采产生覆岩破坏进行实施的加固防护措施。 1 ．3 ．2 研究方法和技术路线 针对芙蓉集团杉木树矿N 2 4 采区石炭沟河地质、开采条件实例分析，应用理论、数 值分析结合室内相似模拟实验等方法，得到杉木树矿N 2 4 采区石炭沟河下煤层开采后上 覆岩层破坏形态、范围及规律，研究分析出合适采高及开采方案，并利用相关规律、技 术的研究结论及已有研究成果，便于取得最优技术成果和实践经验，利于成果与经验的 推广应用。 1 收集杉木树矿N 2 4 采区开采、地质条件，为研究提供真实、可靠的基础数据； 2 应用矿山压力和水体下开采理论，结合覆岩“三带”分布范围及特征，给出水 体下开采覆岩的破坏规律和开采方法，分析石炭沟河下煤层安全开采的可行性，分析研 究石炭沟河下煤层安全开采技术方案； 3 应用F L A C 3 D 软件模拟分析开采3 m 和2 m 不同采高上覆岩层破坏规律及范围 和河床两侧坡体稳定性；应用F ．R F P A 2 D 软件模拟建立固液耦合模型，分析石炭沟河下 岩层隔水性能和岩层破坏后的导水性能，模拟分析开采3 m 和2 m 不同采高上覆岩层裂 高和形态，分析各因素对上覆岩层裂高的影响； 7 西安科技大学硕士学位论文 4 通过精细相似模拟实验，直观分析河床下覆岩“三带”高度范围及特征，并分 析河床两侧坡体移动变形破坏范围和程度； 5 根据理论、数值模拟分析所得结论，结合杉木树矿现有开采方案提出石炭沟 河下煤层安全开采范围，分析3 m 和2 m 采高河床破坏及两侧坡体稳定性，划出可能出 现地质灾害的区域和河床处在下沉产生的拉伸区域，划出河床及地表需要处理的范围， 并制定技术及安全措施。 本文技术路线图，如图1 ．1 所示 8 2 石炭沟河下N 2 4 采区采矿地质条件分析 2 石炭沟河下N 2 4 采区采矿地质条件分析 2 ．1 概况 杉木树矿井位于宜宾地区珙县巡场镇西北6 k m ，隶属芙蓉矿务局 四川芙蓉集团公 司 管辖。宜 宾 珙 县 铁路从井田东面通过，矿井至金沙湾火车站的铁路专用线 长4 ．3k m 。公路四通八达，经宜 宾 珙 县 公路北到宜宾，南经珙县可达云南，西 去筠筵、盐津，东往沪州、隆昌，陆路交通方便。 矿区地形属较复杂的中低山，山脉和槽谷走向均呈北东．南西向平行展布，形成以 滥泥坳向斜为低点的对称的“U ’形地形地貌，山势较陡，沟谷狭窄，坡度为2 5 “ - - 8 5 0 。最 高的山为芙蓉山 1 2 3 0 ．9 m ，最低处为石炭沟河 3 9 0 m 。 矿区内温湿多雨，属川南亚热带气候区。年平均气温1 7 ．4 ℃，最高3 9 ．5 ℃，最低 ．2 ．2 ℃；年平均降雨量l1 4 2 r a m ，最大1 5 1 5 ．9 m m ，最低7 9 9 ．5 r a m ；月降雨量超过1 0 0 m m 者达半年之久 4 “ - 9 月 ，低于5 0 m m 的时期为1 1 月至翌年2 月；秋冬多霪雨，少晴， 偶有小雪，但无冰冻；一年内有数次暴雨，多分布在6 “ - - 8 月间，最大暴雨量达1 7 6 ．3 m m ， 年平均蒸发量1 0 9 6 m m ，与降水量十分接近；年平均相对湿度8 3 ％无霜期一年可达3 4 0 天以上，年平均日照1 0 7 2 h ；主要风向为北风，风力一般1 “ - - 2 级。 井田范围垮越珙县、高县境界，呈北东．南西向展布，长1 4 ．5 k m ，宽1 ．0 “ - - 3 ．0 k m ， 面积3 0 ．9 k m 2 。东隔巡场河与巡场井田相望，西以2 号、1 2 号勘探线为界与高县二号井 田相接，南以青山背斜轴为界与芙蓉井田毗邻。 矿井内主体构造为腾龙背斜、滥泥坳向斜、青山背斜。主体构造线方向为北东．南 西。矿井内以滥泥坳向斜为中心。其中滥泥坳向斜的主要特征为滥泥坳向斜东至珙县 金沙湾，西至高县，全长1 6 k m ，为一开阔的不对称向斜，北翼倾角1 5 - - - 3 0 0 ，南翼倾角 3 0 , - ．, 6 0 0 ；轴迹方向自西向东由北东向渐变为北东东向呈弧形展布，向斜中段7 1 2 勘探 线间，有一北西向隆起，隆起部分构成“马鞍”形态，轴迹自“马鞍”部分分别向北东和南 西方向倾伏，向东倾伏2 ．5 ～1 0 0 ，向西倾伏3 0 左右。 2 ．2N 2 4 采区的位置及范围 N 2 4 采区位于滥泥坳向斜轴南北翼，西至采区保安煤柱线，东至与N 2 0 、 2 4 采区 回采结束的边界确定的煤柱为界，南 上 至 3 5 0 m 标高，北 上 至 4 3 0 m 标高，下 至滥泥坳向斜轴为 3 0 0 m 标高，东西走向长平均1 8 0 0 m ，南北倾斜长1 2 0 0 m ，采区斜面 积2 ．1 6 k m 2 。 N 2 4 采区河床下采煤区域位于滥泥坳向斜轴北翼，西至采区保安煤柱线，东至与 9 西安科技大学硕士学位论文 N 2 0 、 2 4 采区回采结束的边界确定的煤柱为界，南为设计开采的N 2 4 1 0 2 、N 2 4 9 2 工作 面，北为已回采结束的N 2 4 1 1 2 、N 2 4 1 2 2 工作面，区域平均走向长1 8 4 0 m ，南北宽1 8 0 m ， 面积0 ．3 3 k m 2 。 2 ．3N 2 4 采区地质及煤层赋存条件 2 ．3 ．1N 2 4 采区地层特征 N 2 4 采区河床下开采区域位于滥泥坳向斜北翼，煤 岩 层产状变化不大，倾向1 3 5 ～ 1 5 5 0 ，煤层倾角6 ～1 5 0 ，平均1 0 0 。根据N 2 4 11 2 、N 2 4 1 2 2 工作面揭露断层进行综合分 析，设计的N 2 4 1 0 2 上工作面内将