煤层群覆岩导水裂隙带高度计算及在地下水库的应用.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 煤层群覆岩导水裂隙带高度计算及在 地下水库的应用 英文题目英文题目 Calculation of Overburden Rock Fracture Zone Height in Coal Seam Group and its Application in Underground Reservoirs 学位类别学位类别工学硕士 研究生姓名研究生姓名贺艳军学号学号2014023236 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教师指导教师袁绍国职称职称教授 协助指导教师职称协助指导教师职称 2017 年 6 月 13 日 分类号分类号密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 TD353 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 地下煤炭开采引起上覆岩层的运动、破断，能使位于开采范围内的地表水、地下 水溃入井下，给生态环境脆弱的西部地区造成极大的危害。结合西部地区煤炭资源的 开采必须要保护好水资源这一前提，研究近距离煤层群覆岩导水裂隙带的发育高度， 对于实现矿井的安全生产、保水采煤及生态环境保护，都具有十分重要的理论意义与 实际价值。 本文以东胜煤田为研究对象，以覆岩关键层理论为理论基础，对导水裂隙带高度 的发育进行了研究。在这些理论研究成果的基础上，结合现场调查资料，以断裂力学 和弹塑性力学知识为基础、以关键层理论为指导，综合考虑覆岩岩性、煤层采厚、开 采尺寸、冒落岩石的碎胀性等因素，研究了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程中采动岩层的破断条件和导水裂隙带高度的判断方法，确定了近 距离煤层群开采下导水裂隙带高度计算的新方法。通过相似材料模拟对比实验和 UDEC 数值模拟实验对近距离煤层群开采下导水裂隙带高度计算的新方法进行了验 证，经实例检验发现该方法预计得出的结果与现场实测基本吻合，误差较小，证明了 该方法的正确性及适用性。 通过 UDEC 模拟建立了以李家壕煤矿 31108 和 31109 工作面的简化模型，揭示 了煤层采高、层间距、 覆岩关键层结构等关键因素对煤层群开采覆岩导水裂隙发育的 影响规律。采高越大、煤层间距越小，煤层群开采引起的覆岩导水裂隙带高度越大。 最后，把这一成果应用于东胜矿区地下水库中，并对该区地下水库的选址、地下水库 建设适用条件评估及地下水库与邻近工作面间煤柱临界尺寸的确定进行了初步研究， 为矿区煤炭资源的安全开采和环境保护、地下水资源保护提供了科学决策依据。本文 的研究成果无论是对煤层群开采下导水裂隙带高度的理论研究还是工程实践都具有 重要意义和推广价值。 关键词关键词地下水库；覆岩；煤层群；导水裂隙带；关键层 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Underground coal mining caused by the movement of overlying strata, broken, can make the scope of mining in the surface water, underground water into the downhole, to the fragile ecological environment of the western region caused great harm. Combined with the exploitation of coal resources in the western region must be to protect the premise of water resources, the study of close coal seams overlying rock fracture zone development height, for the realization of mine safety, water and coal mining and ecological environment protection, are very Important theoretical and practical value. In this paper, Dongsheng Minefield is the research object. Based on the theoretical theory of the key layer of overburden, the development of the fracture zone is studied. On the basis of these theoretical research results, combined with the field investigation data, based on the knowledge of fracture mechanics and elasto-plastic mechanics, guided by the theory of key layers, considering the lithology of overlying rocks, coal seam thickness, mining size, And the factors such as the breaking condition and the height of the hydraulic fracture zone of the mining rock in the “Regulations of the pillars of the building, the water body, the railway and the main well and the coal mining“ are studied, and the coal seam group A New for Calculating the Height of Fracture Zone in Lower Permeable Water. The new of calculating the height of the aqueduct in the coal seam group is verified by the similar material simulation experiment and the UDEC numerical simulation experiment. The results show that the is consistent with the field measurement and the error is small. The model of coal mining area is established by UDEC simulation, and the influence factors such as coal mining height, layer spacing and overburden key structure are revealed. The larger the mining height is, the smaller the coal seam spacing is, and the height of the fault zone is caused by the mining of the coal seam. Finally, the results are applied to the Dongsheng mining area. The location of the underground reservoir, the uation of the application conditions of the underground reservoir and the determination of the critical 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III size of the coal pillar and the adjacent working face are carried out. The safety of mining and environmental protection, groundwater resources protection provides a scientific basis for decision-making. The research results of this paper are of great significance and popularization value both in theoretical and engineering practice for the exploration of seepage zone in coal seam. Key Words Underground reservoir;Overburden;coal seam group;water conducted fissure;critical layer 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要.................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 绪论.....................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状及趋势...........................................................................................1 1.2.1 关于煤矿地下水库研究现状及趋势.............................................................1 1.2.2 关于导水裂隙带高度理论研究现状及趋势.................................................3 1.3 研究内容...................................................................................................................5 1.4 创新点.......................................................................................................................5 1.5 研究方法...................................................................................................................6 1.6 研究技术路线...........................................................................................................6 2 煤层群覆岩导水裂隙带高度计算方法.............................................................................8 2.1 单一煤层开采覆岩导水裂隙带高度的计算方法...................................................8 2.1.1 常用关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律研究.............................8 2.2 煤层群开采覆岩导水裂隙带高度的研究.............................................................11 2.2.1 煤层群开采覆岩导水裂隙带高度的计算方法...........................................11 2.2.2 煤层群开采覆岩导水裂隙带高度计算.......................................................13 2.3 本章小结.................................................................................................................16 3 煤层群开采覆岩导水裂隙带高度的验证.......................................................................17 3.1 煤层群开采覆岩导水裂隙高度的物理模拟实验.................................................17 3.1.1 模拟实验方案设计.......................................................................................17 3.1.2 模拟实验结果与分析...................................................................................18 3.2 煤层群覆岩导水裂隙高度的数值模拟实验.........................................................21 3.2.1 UDEC 程序简介...........................................................................................21 3.2.2 模拟实验方案设计.......................................................................................22 3.2.3 模拟实验结果与分析...................................................................................25 3.3 导水裂隙带高度不同预计方法的结果对比........................................................31 3.4 本章小节.................................................................................................................32 4 导水裂隙高度在矿区地下水库中的应用.......................................................................33 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 4.1 矿区水文情况.........................................................................................................33 4.1.1 气象及水文...................................................................................................33 4.1.2 矿井充水条件...............................................................................................33 4.1.3 主要含水层及隔水层分布...........................................................................34 4.1.4 矿井主要补水源...........................................................................................34 4.1.5 矿井排水设施能力现状...............................................................................35 4.2 矿区地质情况.........................................................................................................36 4.2.1 矿区地质开采条件.......................................................................................36 4.2.2 矿区岩石力学性质.......................................................................................40 4.3 矿井地下水库建设概况.........................................................................................41 4.4 导水裂隙高度在地下水库的应用.........................................................................41 4.4.1 地下水库建设的适用条件...........................................................................41 4.4.2 地下水库与邻近工作面间煤柱临界尺寸的确定.......................................43 4.4.3 地下水库的选址...........................................................................................45 4.5 本章小结.................................................................................................................45 5 结论和展望.......................................................................................................................47 5.1 结论.........................................................................................................................47 5.2 展望.........................................................................................................................47 参考文献..............................................................................................................................49 在学研究成果......................................................................................................................53 致谢..............................................................................................................................54 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 东胜煤田基本构造形态为一向南西倾斜的单斜构造，岩层倾角多在 5以下，褶 皱、 断层发育程度低， 落差小于 5m， 地质条件简单。 李家壕煤矿于 2010 年建成投产， 目前主采 2-2 中煤和 3-1 煤层；其中，2-2 中煤平均厚 2.2m，煤层倾角 03；3-1 煤 平均厚 4.0m，煤层倾角 03，两煤层间层间距 3848m，煤层直接顶岩性主要为粉 砂岩和细粒砂岩，老顶岩性主要为细粒砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩和粉砂岩。煤 层开采时采用协调开采的方法进行，即上下煤层同时回采，并错开 800m 左右的水平 错距以避免相互间的影响。 由于井田所在区域降雨量稀少 （年降雨量 194.7531.6mm， 蒸发量 2297.42833mm）、生态环境脆弱，加之煤层埋藏浅、累积开采厚度大，井下 开采活动势必会对区域水系环境和生态造成损伤；同时现有矿区地表污水处理能力 小，导致井下抽排污水经常淤积，严重影响矿区生产环境，而扩建地面污水处理厂又 面临征地和增加建设运行成本等问题。鉴于井田覆岩中存在以裂隙含水层为主、孔隙 含水层次之的直接充水水源（单位涌水量 q0.1L/s 加之），为了形成保水开采和煤水 共采一体化模式，实现矿井水资源的有效保护和循环利用，矿井计划实施以井下采空 区为储水和净水空间的地下水库。 由于矿井水库建设正处于初期， 仍存在较多技术问题有待研究和解决，因此有必 要深入研究煤层群协调开采工艺参数对覆岩采动裂隙分布规律及水库建设适用性的 影响，煤炭开采布局优化等，以确保水库邻近工作面的安全顺利开采，保证水库安全 运行，实现煤矿地下水库建设运行与煤炭开采的协调，对实现矿井的绿色、安全、高 效生产具有重要意义。 1.2 国内外研究现状及趋势国内外研究现状及趋势 1.2.1 关于关于煤矿地下水库煤矿地下水库研究现状及趋势研究现状及趋势 “煤矿地下水库”这一保水采煤技术最早在我国神东矿区大柳塔煤矿使用， 经过多 年的开发与研究，模式已较为成熟，煤矿地下水库的关键技术体系已建立，并逐步在 类似地质条件的矿区推广使用，该技术已成为解决我国西部干旱、半干旱地区水资源 保护与循环利用的重要举措之一[1-3]。 通过查阅国内外相关文献发现，国外也曾有类似的概念或技术提出。如，波兰曾 对废弃矿井的孔隙（采空区、井巷、采动裂隙）储水能力进行了研究（图 1.1）[4-9]， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 并提出利用这些空隙作为地下水库转移储存临近矿井水以减少水害的概念（图 1.2）， 但由于永久封存地下空间非常昂贵，尤其对于深部矿井，最终该项技术没有大范围推 广。 图1.1储水能力对比图 图1.2地面水库示意图 国外也有建立在地表下利用岩层空隙储存地下水以供地面使用的地下水库[10]。 这 些地下水库建立在地下水位较低或不适宜建立地面水库的区域， 由地下截水墙截蓄地 下水或潜流形成地下水库（图 1.3）。 图1.3 地下水库概念图 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 地下水库可以用于截流使得原本地下水位很低地区提高地下水位， 也可以用于建 立防护堤坝防止来自海洋的盐水入侵（图 1.4）。 图1.4不同用途的地下水库剖面图 由此可见，国外相关研究虽然曾提出过利用矿井采空区进行储水和再利用，但相 关技术并未进行推广和应用验证，也未能形成完整的地下水库建设相关的技术体系， 相关研究仍处于初步尝试和试验阶段。 有关水库坝体方面的研究，国内外水利建设、水工建设等工程相关研究较多，也 取得了很多成熟的技术和成果，如水库坝体的稳定性、水库坝体渗漏等。但相关研究 均针对地面水库进行， 对应煤矿井下已采空区作为水库的这种水利工程建设相关的研 究并未涉及。由于井下水库所处的应力环境和地质环境均较地面水库有很大不同，因 此，有关煤矿地下水库坝体的稳定性、防渗等问题仍需进行深入研究，地面水库坝体 的相关研究成果可作为借鉴和参考。 对于矿井采空区处理与利用方面的研究，国外主要进行了以下研究包括二氧化 碳地质封存、埋藏生活与工业垃圾以及埋设高放核废料等研究，但很少有将采空区作 为储水空间进行保水和利用水的研究。 1.2.2 关于关于导水裂隙带高度理论导水裂隙带高度理论研究现状及趋势研究现状及趋势 世界各国专家对导水裂隙带高度和覆岩破坏理论一直在展开研究，经过长时间 的实践,并结合自己国家的实际情况，颁发了一系列的制度和措施。俄罗斯根据煤层 等效厚度、埋深、开采率等条件的变化来确定极限开采深度（安全采高），在 1981 年颁布了有关水体下采煤的安全规程,。英国根据水下开采的经验，早在 1968 年对覆 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 岩构成、开采煤厚以及采煤技术等作了相应的具体规定，并颁布了海下采煤条例；日 本有很多煤矿进行过水下开采，据不完全统计有 15 个矿井，对于矿井水害的防御及 治理提出了很多安全规。国外学者也有类似国内的对上覆岩层“三带”分区，并提出分 区高度的预计，但研究的密集程度不如国内。J. Liu and D. Elsworth 研究了采动引起 的应力重新分布进而导致有效孔隙率和渗流场的改变规律，并得到三维渗流场分布， 部分学者对上覆不同层位岩层渗透系数进行了大量的实测研究。 以上这些安全规程与 导水裂隙高度计算多是统计经验得来，没有进行深入的理论与实践研究。 20 世纪 70 年代之前,我国矿区大多分布在开采条件较好、运输较方便的地区,但 也对水体下采煤进行了尝试， 对导水裂隙带的发育规律及导水裂隙带高度的计算基本 上处于认识性阶段。我国学者计算导水裂隙带高度多采用经验法，研究内容以煤层等 效厚度和煤层赋存条件为主,研究方法以定性描述和分析为主[11]。 20 世纪 70 年代至 80 年代,为推进研究导水裂隙带高度发育情况，我国施工了大 量专用观测钻孔，与此同时各高校的试验性研究工作也得到了快速发展,特别是相似 材料模拟技术。我国许多矿井在现场观测和试验研究的基础上,结合煤层的地质条件、 采高等因素,并根据不同覆岩类型，总结出了煤层采高与覆岩的相关关系式,，研究以 岩体强度与导水裂隙带高度之间的关系为研究重点，研究方法以定性描述和分析为 主，已逐渐趋向于定量化研究[12] ，以上研究矿井安全生产提供科学依据。 20 世纪 80 年代以来,我国取得了不少突破性进展， 在水体下采煤的专题性研究方 向,其研究特点为1） 理论上更先进。 开始引入损伤力学、 计算机技术、 现代测试技术、 弹塑性力学等理论、统计数学及断裂力学；2）研究所涉及范围更宽泛。重点对裂隙 带的演变过程进行动态分析、原岩应力场、岩体（地质）结构等地质条件以及岩体力 学特性、时间效应的结合进行了研究；3）研究所采用的方法更多元化。数值模拟和 物理模拟方法已被广泛应用。我国在 1985 年制订了建筑物、水体、铁路及主要井 巷煤柱留设与压煤开采规程,详细规定了当时开采条件下的导水裂隙带在的计算公 式及导水裂隙带形态的描述,并获得了我国许多矿区的含水砂层下压煤开采的成功, 为解放上亿吨水下煤炭资源的开采提供了丰富经验[13-19]。 赵经彻教授等1997导水裂隙带高度及支撑压力大小分布探讨时，建立了相应的 计算机模型，并在不同情况下针对水下开采、分层开采、大采高一次采全厚进行了研 究[20]。 陈志达教授和崔喜敏教授 （1997 - 1999 年） 通过使用裂纹产生和扩展的几何标准 和平均旋转角度的概念，建立了确定导水裂隙高度的方法[21-23]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 刘天泉教授1998）等提出了水裂隙带概念，并在不同覆岩、煤层埋深情况下验 证了导水裂隙带计算公式， 为提高煤层开采回采率减少煤层资源浪费做出了很大贡献 [24-29]。 王金安,冯锦艳教授2008等应用分析几何学计算离散元分析了在不同情况下的 急倾斜煤层开采覆岩裂隙发育规律[30]。 高延法教授1999提出了岩移“四带”模型等,对解释和计算水体下导水裂隙带的 高度具有很大的帮助[31]。 刘红元教授（2001）在研究矿区开采影响下上覆岩层动态发展的过程中，自主研 发了岩石断裂分析系统（SFPA2D），在重力作用下，模拟了岩体的弯曲、沉降、断裂 直到整个过程冒落，在整个过程的动态发展中重现岩石破坏的影响，而为了验证数值 模拟的正确性，也做了相应的相似材料模拟实验 [32-35]。 目前，国内有关覆岩导水裂隙高度的研究虽然较多，但相关类似研究多是集中在 单一煤层开采引起的覆岩导水裂隙演化规律[36-52]， 对于类似近水平煤层群开采条件下 的覆岩导水裂隙演化规律、导水裂隙带高度确定等问题并未研究清楚。因此，基于李 家壕煤矿地下水库项目的具体实施，研究煤层群开采条件下的覆岩导水裂隙高度计 算、覆岩导水裂隙演化规律十分必要。 1.3 研究内容研究内容 （1）煤层群开采条件下，覆岩导水裂隙带高度的计算方法； 基于在单一煤层开采时，覆岩导水裂隙带高度的计算方法，现建立煤层群开采条 件下覆岩导水裂隙带高度的计算方法，并利用现场实测数据给予修正和验证。 （2）煤层群开采条件覆岩导水裂隙带高度的数值模拟和物理模拟实验验证； （3）煤层群开采条件下覆岩导水裂隙高度在地下水库中的具体应用。 采用 UDEC 数值模拟软件， 以李家壕矿 2-2 中煤和 3-1 煤的实际地质条件为基础 建立模型对煤层群开采覆岩导水裂隙进行研究，从而为地下水库的建设、选址、水源 补给性提供科学依据和基础。 1.4 创新点创新点 本论文涉及采矿工程、水工建筑工程、地质工程等专业领域的综合性研究，需要 利用弹性力学、岩石力学、流体力学、水工建筑学的知识开展相关研发工作。研究的 创新点在于，基于煤层开采后引起的岩层移动规律，掌握上覆岩层的裂隙发育、应力 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 分布等特征，从而为地下水库建设的相关理论与技术问题提供基础，其主要创新点如 下 （1）煤层群开采条件下覆岩导水裂隙带发育高度的判断方法； （2）煤层群开采条件下覆岩导水裂隙的侧向发育宽度的确定； （3）覆岩导水裂隙带数值模型的构建； （4）地下水库与邻近工作面间煤柱临界尺寸的确定。 1.5 研究方法研究方法 （1）利用收集到的地质勘探和煤矿开采地质资料、结合现场调研情况，确定了 煤层群开采下导水裂隙带高度计算的新方法； （2） 通过物理模拟实验和 UDEC 数值模拟实验对煤层群开采下导水裂隙带高度 计算的新方法进行了验证； （3） 通过 UDEC 模拟建立了矿区具体开采面的模型， 揭示了煤层采高、 层间距、 覆岩关键层结构等关键因素对煤层群开采覆岩导水裂隙发育的影响规律； （4）将研究成果应用于东胜矿区，对该区采该区地下水库的选址、地下水库建 设适用条件评估及地下水库与邻近工作面间煤柱临界尺寸的确定进行了初步研究， 为 矿区煤炭资源的安全开采和环境保护、地下水资源保护提供科学决策依据。 1.6 研究技术路线研究技术路线 本论文基于近水平煤层群地质赋存条件及其开采现状，对照上述研究内容，将开 展相关研究。首先根据覆岩关键层理论，为了保障煤层群开采条件下地下水库的顺利 建设与安全高效运行，实现矿井水资源的优化利用，形成水资源的饱和和循环利用模 式，结合近水平煤层的地质赋存条件以及开采现状，并对煤层群开采条件下的覆岩导 水裂隙高度进行研究，包括覆岩导水裂隙高度的计算方法，工作面参数对导水裂隙高 度发育的影响规律以及覆岩导水裂隙高度的实测验证。 以上研究在地下水库的选址和 建设中提供理论依据，并对实现煤矿地下水库与煤炭开采的协调，实现现代化矿井绿 色开采、高产高效具有重要意义与实际价值。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 图 1.5技术路线图 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 8 - 2 煤层群覆岩导水裂隙带高度计算方法煤层群覆岩导水裂隙带高度计算方法 掌握近距离煤层群开采后上覆岩层导水裂隙带的发育规律， 对于指导近距离煤层 群开采条件下的地下水库建设、选址及安全有着重要的意义。现已有的导水裂隙带高 度计算方法多是针对单一煤层开采， 对于近距离煤层开采下导水裂隙高度的计算仍没 有明确的具体方法。目前，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程中导水裂隙带高度计算方法的统计经验公式在我国最为常用，导水裂隙带高度经 验公式建立在大量现场实验和监测的基础上， 并基本上满足了我国水体下开采的基本 要求。但由于该经验公式采取了均化处理覆岩岩性的方式，关键层在覆岩破断运动中 的控制作用被掩盖， 最终会导致一定条件下计算的覆岩导水裂隙发育高度与实际偏差 很大，计算失误甚至会导致一些突水事故的发生。由此，本论文提出了基于煤层群覆 岩关键层位置的导水裂隙带高度计算的方法。 2.1 单一煤层开采覆岩导水裂隙带高度的计算方法单一煤层开采覆岩导水裂隙带高度的计算方法 2.1.1 常用关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律研究常用关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律研究 根据现场实测与模拟实验研究发现，覆岩主关键层的（覆岩最上部的关键层）位 置影响顶板导水裂隙带高度， 当开采煤层的距离与主关键层距较近并小于某一临界值 时，主关键层破断裂隙会贯通成为导水裂隙，且受主关键层控制而同步破断的上覆岩 层破断裂隙也会贯通成为导水裂隙，顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部，导水裂隙带 高度明显偏大。通过建立关键层位置与破断裂隙张开度计算模型，分析认为可以粗略 按（7～10）M（M 为煤层采厚）估算该临界高度[53-55]。 当主关键