长安煤矿河流下综放开采技术研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 Key Words Shallow coal seam; full-mechanized top-coal caving mining; coal mining under river; similar material simulation; numerical simulation ThesisApplication Research 万方数据 西安科技大学硕士论文 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 .......................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 .................................................................................................. 2 1.2.2 国内研究现状 .................................................................................................. 3 1.2.3 导水裂隙带的研究方法 .................................................................................. 3 1.3 研究内容及目的 ......................................................................................................... 4 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................... 4 1.3.2 研究的目的 ....................................................................................................... 4 1.4 研究的技术路线 ......................................................................................................... 5 2 4113 综放工作面水文地质条件分析 ................................................................................... 6 2.1 4113 工作面水文地质条件 ......................................................................................... 6 2.1.1 地表水 .............................................................................................................. 6 2.2.2 地层水 .............................................................................................................. 8 2.2 矿井涌水量及其预测 ................................................................................................. 8 2.2.1 导水裂隙带未与地表河流沟通时矿井涌水量预测 ...................................... 8 2.2.2 导水裂隙带与地表河流沟通时涌水量预测 .................................................. 9 2.3 4113 工作面覆岩地层含（隔）水性分析 ................................................................. 9 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 12 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 3 4113 综放工作面开采相似材料模拟 .................................................................................. 14 3.1 相似材料模拟方法 ................................................................................................... 14 3.2 相似材料模拟实验设计 ........................................................................................... 14 3.3 模拟放顶煤开采方案 ............................................................................................... 16 3.3.1 模拟开采分析 ................................................................................................ 16 3.3.2 模拟开采方案确定 ........................................................................................ 16 3.4 实验开采过程及覆岩破坏规律 ............................................................................... 16 3.4.1 实验过程分析 ................................................................................................ 16 3.4.2 地表破坏特征 ................................................................................................ 19 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 20 4 4113 综放工作面开采数值模拟 .......................................................................................... 22 4.1 数值模拟研究方法选择 ........................................................................................... 22 4.2 计算模型 ................................................................................................................... 22 4.2.1 数值计算方案 ................................................................................................ 22 4.2.2 数值计算模型 ................................................................................................ 22 4.2.3 力学参数的选取 ............................................................................................ 23 4.3 数值计算结果及分析 ............................................................................................... 24 4.3.1 开采厚度 6m 时围岩运移与渗流规律 ......................................................... 24 4.3.2 开采厚度 8m 时围岩运移与渗流规律 ......................................................... 30 4.3.3 开采厚度 10m 时围岩运移与渗流规律 ....................................................... 35 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 40 5 水体下综放开采类比工程研究 .......................................................................................... 42 5.1 类比工程选择依据 ................................................................................................... 42 万方数据 西安科技大学硕士论文 5.1.1 类比工程选择依据 ........................................................................................ 42 5.1.2 类比矿区导水裂隙带高度实测实例 ............................................................ 42 5.2 类比工程水下综采放顶煤开采分析 ....................................................................... 47 5.2.1 煤层覆岩破坏高度统计分析 ........................................................................ 47 5.2.2 水下采煤裂缝导水带类比适合性分析 ........................................................ 47 5.2.3 工作面覆岩导水裂隙带高度预计 ................................................................ 48 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 49 6 4113 综放工作面开采现场工业性试验 .............................................................................. 50 6.1 研究背景 .................................................................................................................... 50 6.2 综放开采可行性分析 ............................................................................................... 50 6.3 开采参数确定 ........................................................................................................... 52 6.4 矿井排水能力校核 .................................................................................................... 54 6.5 现场应用效果 ........................................................................................................... 55 6.5.1 限高开采的实施 ............................................................................................ 55 6.5.2 煤炭采出量及工作面涌水量 ........................................................................ 55 6.5.3 井上下水文观测 ............................................................................................ 55 6.6 本章小结 ................................................................................................................... 56 7 结论 ...................................................................................................................................... 57 致谢 .......................................................................................................................................... 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 附录 .......................................................................................................................................... 62 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国煤炭储量丰富、分布广泛，在一次能源消耗中占主导地位，预计未来 40 年内， 煤炭的主导地位不会动摇[1]。我国是煤炭产出和消费大国，根据目前的社会发展形势和 工业需求，煤炭的需求将稳中求升。但是，煤炭资源属的日益减少，加之其不可再生的 本质，越来越不能满足我国工业经济发展的需求，煤炭将成为紧缺能源。然而，我国煤 田地质条件复杂多样，受水体威胁的煤炭数量庞大，有数据表明，在开采过程中与水相 关的煤炭资源近百亿吨[2]。因此，在我国煤炭资源日益紧张和的受水影响的煤炭资源比 重日渐加大的形势下， 安全开采受水威胁的煤炭资源既是经济增长的需要也是生态环境 保护的需要。 陕西是我国的煤炭生产大省，地区煤层普遍具有厚度大、埋深浅的特点，煤炭开发 条件优势十分明显。浅埋深、厚煤层的开采特点对于水体下安全开采提出了新的挑战和 新的要求。 长安煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田旬东矿区，矿井地貌东高西低，塬高沟深，地 表相对高差 150～250m。长安煤矿井田开采区属泾河水系，井田范围内的地表河流主要 有潘川沟、邵家湾沟及桐树庄沟，属第界河支流。从井田的南部依次分布，潘川沟位于 井田的南部，矿井工业场地所在地，邵家湾沟位于井田的中部，桐树庄沟位于井田的北 偏东部。潘川沟是井田范围内唯一较大的地表水系，自东向西流动，流量为 0.0083～ 0.0139m3/s，属季节性河流，受季节影响较大，旱季时会出现干枯现象。邵家湾沟及桐 树庄沟河流也属季节性河流，流量不大。 井田内仅 4-2煤层可采，平均厚度 6.15m，埋深 220 ～438m，夹矸 0～3 层，属结构 简单～较简单煤层。矿井属瓦斯矿井，煤层自燃发火倾向性为Ⅰ类容易自燃煤层，煤尘 具有爆炸危险性。矿井水文地质类型划分为中等类型。区内地温正常，无地热危害。 本论文以位于长安煤矿井田中部的4113采煤工作面为研究对象，4 －2煤层的开采面 临着地表河流邵家湾沟的威胁。4113工作面地表为沟壑区，邵家湾沟从工作面的东南部 穿过工作面，在工作面的中部向西北向延伸。4113采煤工作面平均推进长度1540m，工 作面长度180m，倾角2.48.6，煤层平均厚度10m，经估算地质储量为3.52Mt，可采 储量为2.67Mt（其中，非河流下可采储量为1.41Mt，河流下可采储量1.26Mt） 。根据4 -2 煤层的开采特点，4113工作面拟采用综采放顶煤工艺开采，由于煤层厚度大，埋深浅的 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 特点，开采后上覆岩层的破坏和移动可能对地表河流邵家湾沟产生影响，不仅破坏地表 环境，邵家湾沟河流还有可能对矿井的安全开采造成重大影响。因此，确定安全合理的 采放高度就成了解决这一问题的主要技术难题。 1.1.2 研究意义 邵家湾沟河流下采煤属于水体下采煤研究的范畴， 但又与我国已成功实施的其他大 型河流下采煤相比又具有自己的特点首先，邵家湾沟河流属旬邑县东部第界河最上游 的支沟，属季节性河流，且水量小。经观测，丰水期河流流量可达 493.9～630.3m3/h， 平水期河流流量 45～57.3m3/h，枯水期为 14.5 m3/h。流量小，受季节影响十分明显，具 有典型的西北地区河流的特点；其次，煤层厚度大，埋深浅，采用综放工艺开采后顶板 岩层移动量大，开采难度大。 针对厚及特厚煤层的开采，我国已形成成熟的开采体系，并且各有各的特点。根据 长安煤矿煤层厚度特征，大采高一次采全厚显然不理想；而分层开采巷采掘比大，成本 高，回采时间长，巷道的支护成本和维护费用高，经济上极不合理，既不利于矿井的健 康发展，也不利于煤炭资源的高效回收；综放具有采出厚度大，采掘比小，技术先进， 效率高，安全性好的优点，综放开采是特厚煤层开采的首选开采方法。 我国有近六十年的水体下开釆历史， 取得了巨大的成绩和形成了具有中国特色的技 术与理论[3-8]。 2000 年我国颁布了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ， 但 “三下”采煤规程导水裂缝带的最大高度预计仅适合单层厚度小于 3m 的中厚煤层 以及厚煤层分层开采条件， 不能作为长安煤矿河流下厚及特厚煤层综放工艺开采的选择 依据[9-10]。 目前， 国内外对水体下采用放顶煤采煤工艺开采厚煤层的研究很少， 尤其对浅埋深、 大采高、煤层厚度变化大的情况研究更少。本论文在广泛借鉴国内外先进研究成果的基 础上，配合相似材料模拟、类比工程和数值模拟等方法，确定4113工作面邵家湾沟下综 放开采合理的采放高度，确定安全合理的开采方案。因此，本论文的研究对于长安煤矿 河流下放顶煤安全开采提供了重要的理论支持和技术支持， 同时进一步丰富了我国 “三 下”开采研究，对发展国民经济建设具有重大的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外水体下采煤由来已久，已有百年历史。英国、前苏联、波兰、美国、日本等国 水体下采煤主要表现在海洋、河流、湖泊下、含水的松散层和含水的岩层下、蓄水建筑 万方数据 1 绪论 3 下[11]。 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 105m，其中还应有 61m 高度夹页岩的含煤 地层，M01.7m，H＝180m 时，海底最大拉伸变形不应超过 10mm/m，英国海下采煤的 成功为水体下开采提供了重要的经验。前苏联规定在有隔水层存在的情况下，防水煤柱 高度取 2040 倍采高，否则，根据覆岩中不同性质的岩层所占比例大小可取 2060 倍采 高； 波兰规定， 在含水体下的煤层露头处按开采煤层厚度的8倍留设最小垂直厚度为20m 的安全煤柱。美国规定在地表大型水体下的安全采深为 60 倍采厚，另外，美国对特定 水文地质条件下煤柱回收提出适合的设计方案[12-16]。 澳大利亚科利煤田采用深降强排的 措施进行了松散层下采煤试验等[17]，并取得成功。南斯拉夫维伦杰褐煤矿在地表水体下 采用垮落或分段垮落的长壁方法采掘上覆 500m 的第四系多含水层系统的褐煤层[18]，并 取得成功。在日本海下采煤时，一般从海底至开采煤层留设 100m 作为防水煤岩柱不与 开采，并在浅部用风力充填[19-20]。 1.2.2 国内研究现状 水体下采煤技术，在我国进行的较早，且积累了大量经验。我国自实施水体下采煤 以来，已有上百个矿井成功开采，将受到水威胁的大量煤炭资源安全采出，在推动工业 经济发展的同时，也为我国乃至世界水体下开采提供了宝贵经验[21]。安徽、江苏、山东 等多省在矿井开采中遇到第三、四系松散含水层及地表水体采煤的难题，它们根据当地 地质特征和煤层赋存特征制定了合理可行的方案，并进行了大量开采实验研究，取得了 丰硕的成果；阜新、河北、湖南、广西等地在河流、水库、地表塌陷积水区及湖泊等大 型水体下成功实施了开采，积累了大量经验；在淮河两岸等地，由于淮河压煤众多，为 尽可能多的回收煤炭资源，进行了大量河堤下开采试验，并对河堤成功维护，为堤下开 采提供了可借鉴的经验；此外，我国也积累了在顶板沙砾岩及石灰岩等基岩含水层下开 采的经验[22-23]。 不论是普采、综采、厚煤层分层综采，还是综放全部垮落法开采工艺，煤层开采后， 上覆岩层必然产生移动和破坏。煤层开采后，上覆岩层将产生破坏和变形，按其破坏程 度自下而上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中将前两带（昌落带和裂隙带）称 为导水裂隙带[24]。研究导水裂隙带的发育规律及高度，是预测矿井涌水量、计算留设防 水安全煤岩柱、分析水体下或强含水层下煤层开采安全性的基础工作。我国从 20 世纪 50 年代至今，对煤层开采后产生的岩层破坏规律特性进行了大量的理论研究和现场研 究，取得了丰硕的成果[25-26]。 1.2.3 导水裂隙带的研究方法 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 目前，确定导水裂隙带的方法主要有实际探测法和理论计算、经验公式计算法。理 论计算是以固定力学为基础的算法。经验公式计算法是建立在准确覆岩结构条件下，结 合 “三下”采煤规程得出导水裂隙带高度[32]，但 “三下”采煤规程中未提及综放 开采而引起的导水裂隙带的计算公式。综放开采已越来越多的应用于实际生产当中，并 且人们对综放开采所导致的覆岩破坏规律不断深入研究， 并且初步取得了的计算综放开 采后导水裂隙带发育高度的计算方法和公式[33]。 为矿井水体下或强含水层下采煤安全煤 岩柱的留设及安全性分析提供了可借鉴的基础理论依据。 中国矿业大学许延春教授等人经过大量理论分析和实测研究，得出了中硬、软弱覆 岩条件下适合于综放开采的“两带”高度计算公式，并进行了实用性分析[31-34]。 煤炭科学研究总院唐山研究院滕永海研究员等人经过大量的对综采放顶煤开采覆 岩破坏观测研究，提出了综放开采条件下导水裂隙带呈马鞍形的发育规律和特点，并给 出了水体下综放开采时导水裂隙带最大高度的计算公式[35-41]。 煤炭科学研究总院北京开采所康永华研究员分析了中硬覆岩厚煤层长壁冒落开采 条件下，炮采、综采及综放开采方法对导水裂隙带发育高度及其分布形态的影响，提出 减少初次开采厚度可降低导水裂隙带发育高度的观点[27-30]。 物理相似模拟究、 计算机数值模拟和现场实测法也是我国研究导水裂隙还发育情况 的重要手段。 1.3 研究内容及目的 1.3.1 研究内容 （1）现场勘查4113工作面地表水体邵家湾沟河流发育情况，收集水体水文地质资 料，确定4113工作面覆岩导水性及隔水性能； （2）研究综放开采覆层一般移动、变形特点、导水裂隙带高度计算方法； （3）通过实验室物理模拟研究、计算机数值模拟研究、类比工程研究，确定4113 工作面综放开采导水裂隙带高度； （4）预测 4113 工作面“两带”发育及涌水量预测；确定 4113 工作面安全开采方 案。 1.3.2 研究的目的 （1）根据矿井实际情况，研究是否能采用现用的综放开采方法进行开采，以及如 何安全开采； （2）研究综放开采导水裂隙带发育高度，确定合理安全防水煤岩柱，防止4113工 作面开采过程中地表邵家沟河流水涌入井下发生水灾； 万方数据 1 绪论 5 （3）研究成果能指导长安煤矿成功实施 4113 工作面河流下综放开采，并具有参考 及推广价值； 1.4 研究的技术路线 本论文技术路线见图1.1 图1.1 技术路线 确定导水裂隙带研究方法 现场实践收集资料 防水煤（岩）柱厚度 相似材料模拟 确定导水裂隙带高度和形态 数值模拟 确定安全合理的开采方案 类比工程 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 2 4113 综放工作面水文地质条件分析 2.1 4113 工作面水文地质条件 2.1.1 地表水 （1）河流位置 邵家湾沟河流为 4113 工作面开采区地面唯一地表水系，受季节影响明显。邵家湾 沟从井田的东部边界、沿井田中部、穿过矿井下山巷道（大巷）中段、流经 4113 工作 面，向西北方向延伸，后汇入第界河，河流流向为由东向西北方向。邵家湾沟支沟及冲 沟发育，属侵蚀冲积地貌。沟谷上游狭窄、沟坡缓，下游较宽阔、沟坡较陡，谷坡呈斜 坡状，沟谷蜿蜒曲折，沟谷底分布分布的松散堆积物相对较薄。邵家湾沟在 4113 工作 面流经长度大约 1050m。河床标高为1350m工作面靠近下山巷道处，河床最低标高为 1320 m（河流流出工作面口） ，河流坡度为 28.57‟。河流下煤层埋深最小为 146m河 流流出工作面口,最大埋深 163m（靠近下山巷道处） ，煤层平均埋深 151m。4113 工作 面与邵家湾河流相对位置如图 2.1。 图 2.1 4113 工作面与邵家湾河流相对位置图 （2）邵家湾沟河流特征及水体流量 邵家湾沟支沟及冲沟较为发育，属侵蚀冲积地貌。沟谷上游狭窄、沟坡缓，下游较 宽阔、沟坡较陡，谷坡呈斜坡状，沟谷蜿蜒曲折，沟谷底分布的松散堆积物相对较薄。 沟底岩性主要为黄土、粉质粘土、漂块石及卵砾石、碎石，充填大量粘土，相互间夹或 混杂。故本次研究通过现场勘查收集 7 月、8 月丰水期及 11 月枯水期实测资料，对邵家 湾沟河流水流量进行了统计。统计结果见表 2.1 邵家湾河流水体特征统计表。丰水期水 体特征见图 2.2，平水期水体特征见图 2.3，枯水期水体特征见图 2.4。 万方数据 2 4113 综放工作面水文地质条件分析 7 表表 2 2.1 .1 41134113 工作面邵家湾沟河流水体特征统计表工作面邵家湾沟河流水体特征统计表 水体特征 丰水期 平水期 枯水期 备 注 水面宽/ m 0.55～1.6 0.68～1.45 0.48 丰水期为 2013 年 7 月 23 日（大雨过后 第二天）测定值；平 水期为8月6日测定 值； 枯水期为 11 月 7 日值。 水深/ m 0.092～0.118 0.04～0.055 0.03 流速/ m/s 0.932～1.099 0.26～0.427 0.278 流量 / m3/h 493.9～630.3 45～57.3 14.5 统计说明邵家湾沟河流在雨季大雨过后流量最大，正常时期（即平水期）流量中 等，枯水期为最小。其中分别为 493.9～630.3m3/h、45～57.3m3/h 和 14.5m3/h。丰水 期最大流量分别是平水期、枯水期水最大流量的 11 倍和 43.47 倍。 图 2.2 邵家湾沟丰水期水体特征图 图 2.3 邵家湾沟平水期水体特征图 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 图 2.4 邵家湾沟枯水期水体特征图 2.2.2 地层水 据矿井地质勘探和井下实际开采情况揭示， 矿井含水层为第四系全新统冲～洪积孔 隙潜水含水层、第四系中上更新统黄土孔隙～裂隙潜水含水层、白垩系下统洛河～宜君 组砂砾岩孔隙～裂隙含水岩组、侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组 煤层及其顶板砂岩含水岩组。富水性均为弱含水性。隔水层为新近系红土隔水层、侏罗 系中统安定组泥岩相对隔水层、侏罗系下统富县组及三叠系上统胡家村组相对隔水层 组。隔水性良好。 根据矿井实际调查，矿井近几年涌水量均较小，涌出量大约在 30～53m3/h，采煤工 作面涌水量大约为 8 m3/h， 井下涌水量大多来自机电设备排放的冷却水， 占比例约 60。 实际来自地层的水量较小。4113 工作面上部为 4111 采煤工作面采空区，根据 4111 工作 面开采实际统计，采煤工作面开采期间地层涌水量较小，几乎不用水泵排水，说明地层 含水层含水弱，不会对开采产生影响。4113 工作面远离过去小矿井开采的采空区，也不 会受到老空区积水的威胁。 2.2 矿井涌水量及其预测 2012 年实测汇集到中央水仓的矿井正常涌水量 30m/h，最大涌水量 47m/h；2013 年实测汇集到中央水仓的矿井正常涌水量 40m/h，最大涌水量 53m/h；2014 年实测汇 集到中央水仓的矿井正常涌水量 30m/h，最大涌水量 48m/h。 4113 工作面生产时， 矿井涌水量预测采用富水系数比拟法进行了预测。 比拟基础数 据以长安煤矿 2012～2014 年实际测得涌水量统计资料。 2.2.1 导水裂隙带未与地表河流沟通时矿井涌水量预测 （1）预测参数确定 万方数据 2 4113 综放工作面水文地质条件分析 9 1）富水系统 2012～2014 年矿井正常涌水期，产量富水系数分别为 0.11 m3/t、0.2829 m3/t 和 0.1208m3/t，平均为 0.1712 m3/t；最大涌水期，产量富水系数分别为 0.1723m3/t、0.3747 m3/t 和 0.1932m3/t，平均为 0.2468 m3/t。 2）矿井产量 长安煤矿年生产能力为 2.4 Mt/a。 （2）预测计算 PKQ p  （2-1） 式中 Q矿井涌水量，m3/d； Kp富水系数，m3/t； P矿井生产能力，t/d。 计算结果见表 2.2。 表表 2 2.2 .2 矿井涌水量矿井涌水量比拟比拟计算结果一览表计算结果一览表 计算范围 矿井生产能力/ t/d 产量富水系数 /m3/t 矿井涌水量/m3/d/ m3/h 正常涌水期 最大涌水期 正常涌水量 最大涌水量 全矿井 7273 0.1712 0.2468 1245/51.88 1795/74.79 矿井生产时，矿井正常涌水量为 51.88 m3/h，矿井最大涌水量为 74.79 m3/h。 2.2.2 导水裂隙带与地表河流沟通时涌水量预测 邵家湾沟河流河床宽度为 0.4～1.6m，河流坡度为 28.57‟。经实测，邵家湾河流雨 季最大流量为 630.3 m3/h，平水期流量为 45～57.3m3/h，枯水期流量为 14.5 m3/h。假若 4113 工作面开采与邵家湾河流导通，地面水流入井下，从工作面泄出水量按 75计算， 则井下最大涌水量为 547.52 m3/h，平水期井下正常涌水量为 94.86 m3/h，枯水期井下正 常涌水量为 62.76m3/h。 2.3 4113 工作面覆岩地层含（隔）水性分析 陕