黄明石井田含水层下综放开采方案可行性研究.pdf

分类号T D 8 2 1 U D C6 2 2密级公开 硕士学位论文 薰明．五薨用．盒水层王综放开采赢案 可行蛙研．究 舅熏曼照量￡h 。 g 娶。j } I h 拿。．F 曼魏曼i M 翼鲢y 。Q ￡． ⋯l ■1 ■ ■●■ t - u l l - m e c l l a n l z e dC a V l n 2m l n l n gU n c I e r a q ‘1d i n ’一 g m i n gS h iM i n e n i c l U ei nl - 1 n a n1 1 1N i l n ea qng m l n g 作者姓名高颖 指导教师卢国斌教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向矿井开采理论与技术 辽宁工程技术大学 桶a蔓瞍 瞅～l 父 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝工翟撞苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王墨撞盔太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名为鼽导师签名学位论文作者签名物檄导师签名 年月日 ∥形 万方数据 致谢 论文是在导师卢国斌教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。从论文的选择到论 文的最终完成，卢老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，他多次询问研究过 程，并为我指点迷滓，帮助我开拓思路、精心点拨、热忱鼓励。三年来，卢老师不 仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，他严 肃的科学态度、严谨的治学精神、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我， 在此谨向卢老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 同时我还要感谢矿业学院的其他老师在我学习、撰写论文和生活对我的关怀和 帮助。感谢在一起愉快的度过研究生生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持， 我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没 有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢多年来一直给予我鼎力支持和无私奉献的家人，没有他们我的论文也无法 顺利完成，再次真心地感谢和祝福他们 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始选题到论文的J l l 页N 完成，可 敬的师长、同学、家人、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 万方数据 摘要 黄明石井田区域内赋存静乐组红土，广布全井田，厚度5 6 ．11 ～11 4 ．8 4m ，能够 较好的阻隔第四系含水层组与基岩含水层组的水力联系；但是钻孔揭露3 号煤层上 覆基岩柱高度为7 ．6 0 - ．一4 1 ．7 0m ，平均厚2 6 ．4 1m ，基岩柱垂高过小。虽然红土层能 够在煤层未采动条件下阻隔第四系含水层组对矿井充水，但是由于基岩柱垂高过 小，煤层进行大采高综放后，有可能导通第四系含水层组，使其成为矿井的直接充 水水源，会对矿井的正常生产产生威胁。 为了安全可靠的进行综放开采，首先利用类比方法对3 号煤层开采后覆岩破坏 高度进行预计，然后采用F L A C 3 D 数值模拟的方法对覆岩的破坏高度 裂隙带和垮 落带 进行预测。利用G M S 数值模拟对开采后各含水层的涌水量进行了预测。经 综合分析，在萨拉乌苏组含水层覆盖区域不能进行综放开采，可以进行限厚开采 在第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水区域，按照“三下”采煤规程规定，可留设防 砂安全煤岩柱进行开采；在烧变岩孔洞裂隙水和侏罗系碎屑岩类风化带裂隙水覆盖 区域，开采时须先打钻孔对烧变岩区域进行探放水再进行放顶煤开采。 论文获得的研究结果和采用的研究方法不但可以在本矿井中应用，而且此类研 究方法在其它条件相同的矿井中也有借鉴价值。 关键词水体下开采；模拟裂隙带高度；涌水量模拟；裂隙带；冒落带 万方数据 A b s t r a c t T h ea r e ao fH u a n g m i n gS h ic o a lm i n eo c c u r r e n c eJ i n gL eg r o u pr e ds o i l ，a n d w i d e s p r e a da l lm i n ef i e l d s ，w i t hw i d t ho f5 6 ．11 ～11 4 ．8 4 mw h i c ha r eo b s t r u c t t h e h y d r a u l i cc o n n e c t i o nw e l lb e t w e e nt h eq u a t e r n a r ys y s t e ma q u i f e rg r o u p sa n db e d r o c k a q u i f e rg r o u p ．H o w e v e r ，t h ed r i l lm a n i f e s tt h a tc o a ls e a m3 ’So v e r l y i n gb e d r o c kh e i g h t a r e7 ．6 0 ～4 1 ．7 0m ，w i t haa v e r a g eh e i g h to f2 6 ．4 1 m ，w h i c ha r et o os m a l l ．A l t h o u g h u n d e rt h en o tm i n i n gc o n d i t i o n st h er e ds o i ll a y e rc a no b s t r u c tt h eq u a t e r n a r ys y s t e m a q u i f e rg r o u p st of i l li nm i n e ，d u et ot o os m a l lv e r t i c a lh e i g h to fb e d r o c k t h eq u a t e r n a r y s y s t e ma q u i f e rg r o u p sc a nb r e a k - o v e ra f t e rl a r g em i n i n gh e i g h tw o r k i n g ，a n d a l s o p o s s i b l yb e c o m et h ed i r e c tf i l l i n gs o u r c et ot h r e a tn o r m a lp r o d u c t i o no f m i n e ． T oa d o p tf u l l - m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n gt e c h n i q u es a f e l ya n dr e l i a b l y ，f i r s to fa l l ， u t i l i z i n gt h em e t h o do fc r a c ko fs u r f a c em i n i n gt oe s t i m a t eS t r a t ad a m a g eh e i g h ta f t e r m i n i n gt h r e el a y e r s ．S e c o n d l y ，w i t hF L A Cn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt op r e d i c tt h e o v e r l y i n gr o c ks t r a t u m sd a m a g eh e i g h t ．L a s t ，a d o p t sG S Mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t oa s s e s sw a t e ri n f l o wa f t e rm i n i n g ．A n a l y s i sb ys y n t h e s i s ，t h ef u l l m e c h a n i z e dc a v i n g m i n i n gt e c h n i q u ec a nn o tb ea p p l i e di n S a r a hW u S ug r o u po fa q u i f e rc o v e r a g e ； Q u a t e r n a r yl o e s sp o r ef i s s u r ep l e i s t o c e n es e r i e sd i v i n ga r e as h o u l di na c c o r d a n c ew i t h t h r e e u n d e r sr e g u l a t i o n ，u n d e rw e a ka q u i f e rw i t hr i c hw a t e rl e a v es a n dc o n t r o ls a f e t y c o a la n dr o c kp i l l a r sm i n i n g ；B u r n tr o c kh o l ef i s s u r ew a t e ra n dJ u r a s s i ce l a s t i cr o c kz o n e o fw e a t h e r i n gc r e v i c ew a t e rc o v e r a g es h o u l dd r i l lh o l et od r a i nw a t e rf i r s t l y ，a n dt h e n m i n g i n g ．T oe n s u r em i n i n gw o r k ss a f e l ya n ds u c c e s s f u l l y ，m i n i n gt e c h n i c a lm e a s u r e sa n d w a t e r p r o o fs a f e t ym e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d ． T h er e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e da n dt h er e s e a r c hm e t h o dc a nb eu s e dn o to n l yi nt h e m i n e ，a n dm i n es u c hr e s e a r c hm e t h o d su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n sa l s oh a v er e f e r e n c e v a l u e ． K e yw o r d s M i n i n gu n d e rw a t e rb o d i e s ；S i m u l a t i o no ff r a c t u r ez o n eh e i g h t ；W a t e r q u a n t i t ys i m u l a t i o n ；f i s s u r ez o n e ；c a v i n gz o n e ； I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I 】[ 1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 ．1水体下采煤研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 导水裂隙带研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 ．1主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2矿井概况及水文地质分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1矿井地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．1位置、交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 ．3井田构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 ．4 煤层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2井田水文地质分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 ．1 地形地貌及地表水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 ．2 主要含水层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．3隔水层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．2 ．4地下水的补给、径流与排泄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3黄明石井田矿井综放开采覆岩破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．13 号煤层煤岩柱结构及性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．1基岩柱结构及性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 ．2静乐组红土性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．23 号煤层开采覆岩破坏高度预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 万方数据 3 ．2 ．1导水裂缝带高度预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．2垮落带高度预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．33 号煤层开采覆岩破坏高度数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．1 数值模拟的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．3 ．3初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．4覆岩破坏高度的确定原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．5模拟结果的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4黄明石井田矿井首采面涌水量G M S 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2数值模拟的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．3模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 - 3 ．1导入钻孔柱状三维数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 ．2地层编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．3生成区域地层实体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．4建立概化模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．4模型编译与结论显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5黄明石井田矿井水体下开采可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1黄明石井田矿井水体下开采安全煤岩柱厚度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 5 ，1 ．1水体下开采安全煤岩柱的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．2保护层厚度选取研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 5 ．1 ．3黄明石井田矿井防水煤岩柱与防砂煤岩柱的留设⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．2水体下开采可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3开采技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4防水安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 万方数据 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．3建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 引言 1 ．1 研究背景 黄明石井田位于陕西榆林，其地理坐标为东经1 0 9 。5 6 ’4 7 ”～1 0 9 。5 9 ’3 4 ”，北纬 3 8 0 2 5 ’3 1 ”～3 8 0 2 77 3 0 ”。井田西北一东南方向长约2 ．8 8k m ，西南～东北方向宽约 2 ．1 8 ～2 ．9 4k m ，面积约7 ．7 8k m 2 。黄明石井田其东北分别与柳巷井田、半坡山井田 相接，西北部与双山井田相邻，西南部与郝家梁井田相邻。 井田主采3 号煤层，3 号煤层位于延安组第三段上回旋顶部，全区基本可采， 可采面积7 ．3 8k m 2 ，煤层埋深为1 7 0 ～2 0 0m ，厚度在7 ．5 5 ～1 0 ．3 6m 之间，平均9 ．0 6 m 。矿井设计能力1 2 0 万t ／a ，综放开采，采放高度为9 ．0 6m 。 区内对煤层开采有威胁的水体主要有第四系含水层组、烧变岩区孔洞裂隙水及 基岩承压含水层组。其中第四系含水层组划分为萨拉乌苏组潜水与第四系更新统 黄土孔隙裂隙潜水；基岩承压含水层组分为侏罗系碎屑岩类风化带裂隙承压水、碎 屑岩类裂隙承压水。其中根据矿井地质报告资料，萨拉乌苏组潜水为富水性中等含 水层，第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水、烧变岩区孔洞裂隙水、侏罗系碎屑岩类风 化带裂隙承压水及碎屑岩类裂隙承压水均为富水性弱含水层。矿区地质报告显示区 域内赋存静乐组红土，广布全井田，厚度5 6 ．11 ～1 1 4 ．8 4m ，能够较好的阻隔第四系 含水层组与基岩含水层组的水力联系。但是钻孔揭露3 号煤层上覆基岩柱高度为 7 ．6 0 ～4 1 ．7 0m ，平均厚2 6 ．4 1m ，基岩柱垂高过小。虽然红土层能够在煤层未采动 条件下阻隔第四系含水层组对矿井充水，但是由于基岩柱垂高过小，煤层进行大采 高综放后，有可能导通第四系含水层组，使其成为矿井的直接充水水源，威胁矿井 的正常生产。为了安全可靠的进行综放开采，综合分析黄明石井田水体下综放开采 的可行性。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 水体下采煤研究现状 水体下采煤是“三下”开采的重要组成部分，其核心是研究地表水体或地下水体 下煤炭的安全开采技术。由于地下开采引起的覆岩与地表移动和变形可能诱发灾害 性的透水和溃沙事故，对矿井安全生产造成严重威胁，所以水体下采煤需要清楚地 了解水体的类型、煤岩层的隔水性能和开采空间与水体之间可能的水力联系，分析 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 开采煤层上覆岩层的移动和变形规律与特征，评价煤层上覆水体对煤矿生产的威胁 程度，选择合理的开采方法和采用适当的防治水技术措施，在保障安全生产的前提 下合理的开采水体下煤炭资源。国内外众多专家学者和工程技术人员对水体下开采 进行了大量的研究和实践，取得了许多理论研究成果，积累了许多实践经验。 1 国外研究现状 国外水体下采煤已有1 0 0 多年历史，各主要产煤国在海下、河流下、湖泊下、 含水的松散层和含水的岩层下、人工修建的蓄水工业建筑物下、充水的巷道与采场 下进行大量的试验开采工作。苏格兰是世界上第一个进行海底采矿的国家，还有匈 牙利、英国、前苏联、波兰、美国、澳大利亚、南斯拉夫、日本也成功地进行了水 下采煤。它们各自根据本国实际制定了相关规程与规定。这些规程包括海下采煤水 患防治措施，针对冲积层的组成与赋存厚度作出的允许与禁止开采的规定，导水裂 隙带高度确定指南，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定安 全采深等内容，但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论与方法研究。 1 9 世纪3 0 年代，一些采矿业较发达的国家已把岩层与地表移动作为一项科学 研究工作。从2 0 世纪5 0 年代起，岩层与地表移动的研究工作获得了蓬勃的发展。 前西德的勃劳聂尔、克拉茨、聂姆茨克和克因赫尔斯特，前苏联的阿维尔申、卡札 柯夫斯基、阿基莫夫和柯尔宾阔夫，波兰的布得雷克、克诺特、柯赫曼斯基、沙乌 斯托维奇、科瓦尔契克、什佩特科夫斯基、胡戴克和杨齐赫等学者经过各自的研究， 先后建立了一系列描述岩层与地表移动的理论模型和公式，并提出了一系列计算岩 层与地表移动的方法。但由于采动岩体的力学参数难以精确确定，使得向定量的实 用阶段发展较为缓慢。近年来，随着有限单元法、边界单元法等数值计算方法的广 泛应用和计算机运算能力的提高，使弹塑性理论用于计算岩层与地表移动和变形的 研究取得了突破性进展，逐步进入定量的实用阶段。 在1 9 3 7 年～1 9 3 9 年期间，前苏联巴塔诺夫和库兹聂佐夫进行了相似材料模型 试验，为发展相似模拟试验方法打下了基础。利用这一研究方法可以定性地得到与 实际符合的结果。 目前，俄罗斯、波兰、德国、中国、英国和印度等国家都在应用相似模型试验 方法来研究岩层与地表移动问题。 波兰是世界上十大主要产煤国家之一，采煤也是主要国家工业之一。其国土面 积约3 1 万K m 2 ，“三下”压煤量大，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，并且拥有一大批世界一流的岩移理论 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 学者。我国的岩移理论及“三下”采煤技术基本上是在波兰学者的理论基础上，结合 中国实际而完善和发展起来的。 1 9 5 6 年，波兰学者李特维尼申教授首次将随机介质理论引入到岩层移动研究， 应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学研究岩层与地表移动问题，认为开采引起 的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观 上相似，并将岩石移动过程看作是一个随机过程，利用概率理论证明岩石下沉场可 用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示。该理论能够很好地解释岩层与地表移动的 一些现象和规律。 前苏联于1 9 7 3 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南，1 9 8 1 年颁布了有关水 体下开采规程。在水体下开采过程中，根据泥岩、粘土和淤泥层厚度占覆岩厚度的 百分比等，按开采煤层厚度和开采深度确定了海下、水库下采煤的最小采深与采高 比。 日本、英国、澳大利亚、德国、加拿大和智利等其它国家在海下采煤方面也积 累了丰富的经验。这些国家早期多为在海滩和浅海下开采，最近几十年逐渐向海洋 深处和远处发展。这些国家依据开采实践，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。如日 本海下采煤规程规定，一般从海底沿煤层留设1 0 0m 永久防水煤柱，并在浅部用风 力充填。英国在1 9 6 8 年就颁布了海下采煤条例，海下采煤时，深部采用长壁法开 采，上覆岩层最小厚度为1 0 5m ，其中必须有厚度为6 1m 且夹有页岩的含煤地层， 煤层允许最大采厚为1 ．7m ，深厚比为6 2 l 。由于开采和防护措施得力，从未发生 过大的海下透水事故。 在地表河流、湖泊及含水松散层下的采煤领域，虽然前苏联、波兰、英国和美 国等都进行了大量的试验和研究工作，但安全采深仍然采用经验值，如前苏联规定 在有隔水层 第四系粘土层厚度大于2 倍采厚 存在的情况下，防水煤岩柱高度取 2 0 4 0 倍采高，否则，根据覆岩中不同性质的岩层所占比例大小取2 0 ．6 0 倍采厚；美 国规定在地表大型水体下的安全深厚比为6 0 1 。 国外水体下采煤大多数采用走向长壁采煤法开采，跨落法管理顶板。有时为了 确保井下生产安全，除留设一定的防水煤岩柱外，还采用超前探水，设置永久防水 闸门等措施，并建立有效的岩移观测和水文观测等系统。 目前，国外防治顶板突水主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水 泵疏干含水层。为了适应预先疏千方法，国外生产了高扬程 1 0 0 0m 、大排水量 5 0 0 0m 3 ／h 、大功率 2 0 0 0k w 的潜水泵，其疏干工程采用电脑自动控制。国 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 外堵水截流方法也取得很大发展，建造地下帷幕方法愈来愈受到重视。为充分利用 隔水层厚度，减少矿井排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙 的关系、高水压作业下的突水机理以及隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等 方面进行研究。 2 国内研究现状 水体下采煤问题遍及我国绝大多数的煤炭生产基地，不仅涉及的范围广，而且 受影响的煤炭储量较大。据统计，我国重点煤矿受水害威胁的煤炭储量大约为2 5G t ， 其中受地表水体 江、河、湖泊、海洋、水库等 、松散含水层、基岩含水层等水 体威胁的煤炭储量近1 0G t 。例如地处鲁西南和江苏北部的微山湖区，压煤量高达 0 ．7G t ；在安徽省，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lG t ，受奥陶系及太原群灰岩水威胁的储量约占总储量2 5 ％～5 0 ％左 右；淮南矿区的孔集、李嘴孜、新庄孜、毕家岗四矿的淮河下压煤就达O ．2 lG t 。 2 0 世纪6 0 年代以前，煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好的地区， 但已有了水体下采煤的尝试，对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段，主 要从岩层移动造成的地表沉陷等地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件， 进而利用经验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测，其特点为 以煤岩层赋存条件为主要研究内容； 2 0 世纪6 0 ～8 0 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量的用专 门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度，并就观测孔中水位变化及水的漏失量等方 法，提出了有效和无效导水裂隙的区分。同时进行试验性研究工作，特别是相似材 料模拟技术也得到了较快发展。我国许多矿区在裂缝高度现场观测资料和试验研究 的基础上，结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下， 煤层采出厚度与冒高、裂高的相关关系式，并以此来指导实际生产 2 0 世纪8 0 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体下积压 的煤炭资源 如淮河下、微山湖下等 相继进入了建设和开发阶段，在借鉴国内外 经验的同时，大规模开展了对水体下 包括含水层下 采煤导水裂隙带发展规律和 防水煤岩柱留设的研究和专题性研究，取得了不少突破性进展，其研究特点为 ①理论上更先进，开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力 学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术； ②研究内容更广泛，除重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩体 结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场，在深入研究 岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过程进行动态分析； 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ③研究方法更先进，广泛应用物理模拟和数值模拟方法使研究的深度不仅仅 局限于覆岩移动、变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过程，影响因素等 方面去探讨导水裂隙带的形成机理，在此基础上进行预测。我国于1 9 8 5 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，详细规定了导水裂 隙带在各类条件下的计算公式及导水裂隙带形态的描述，己取得了微山湖下、淮河 下、渤海湾地区水域下、华东、华北、东北地区中厚流砂层下，以及许多矿区的含 水 砂 层下压煤开采的成功，为解放上亿吨煤炭储量提供了丰富经验。 在煤层开采引起的覆岩运动和破坏特征研究方面，“三下”采煤技术奠基人之一 的煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆岩破坏学说。按照长壁开采后覆岩变形破坏 特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带， 并采用实测统计分析方法，建立了坚硬、中硬和软弱三种岩性条件下缓倾斜、倾斜 和急倾斜煤层冒落带和裂隙带高度的计算公式，提出了松散层覆盖条件下露头区的 破坏性影响的新规律及露头煤柱设计的新思路和新方法，系统地将“三带论”作为水 体下采煤设计的基本原则。 在国内外长期采用的“采深采高比法”、“经验数值法”、“隔水层厚度法”、“极限 变形值法，’及“新老地层厚度比例法”等方法的基础上，提出了以地层结构分析法为手 段的水体下采煤时含水层、隔水层评价及防水煤岩柱结构评价的定量- 半定量分析方 法，使许多复杂的水体压煤问题变得简单化。目前国内主要以此理论作为研究顶板 突水机理的基础。其他学者经过深入研究和试验，建立了各类条件下的导水裂隙带 高度预计公式，对影响导水裂隙带高度发育的因素和发育过程有了更为深入的认 识。马伟民、郝庆旺等提出了采动岩体空隙扩散模型以及考虑节理损伤的力学模型； 王金庄、吴立新等研究了连续大面积开采条件下托板控制岩层变形模型山东科技 大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型，认为岩层结构力学 模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，对解释和计算导水裂隙带 高度的形状和高度具有较大的帮助，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识。 在矿山开采沉陷研究方面，刘宝深作为我国随机介质理论的奠基者及其应用的 开拓者，创立了革命性的时空统一随机介质理论，认为岩石的移动具有多变性、随 机性，随着时间的推进和空间的不同而变化，许多“三下”矿产资源是可以合理开采 的，并由此确定了一系列的开采方法，并提出了裂隙岩石通用力学模型，建立了独 树一帜的开采影响下地表移动及变形计算方法，并将其应用于建筑物下、水体下和 铁路下开采的地表保护工程。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 目前，我国的岩层与地表移动的科学研究工作正处于向纵深发展的阶段，即从 研究近水平煤层和缓倾斜煤层的岩层与地表移动规律，发展到研究倾斜和急倾斜煤 层的岩层与地表移动规律从研究主剖面的移动和变形分布规律，到研究下沉盆地 全面积的移动和变形分布规律；从研究无地质构造破坏、简单地质采矿条件，到研 究有地质构造破坏、复杂地质采矿条件的移动和变形规律；从研究静态下沉盆地的 移动和变形，到研究开采过程中的动态移动和变形的分布规律等。 在覆岩破坏规律分析方面，除传统的现场岩移观测和相似材料试验等方法外， 目前数值模拟方法在研究工作面覆岩破坏特征中被普遍采用。该方法可以模拟煤层 开采后覆岩破坏的发展过程和形态、应力场和位移场的变化，预测垮落带和导水裂 缝带的高度，适于研究井田地质、采矿条件变化时，覆岩破坏高度的变化趋势，常 用软件包括F L A C Ⅲ、A D I N A 和A N S Y S 等。 在矿井突水量预测方面，现场常用的方法有类比法、大井法、辐射流法和积水 廊道法。一些学者采用了统计学方法、力学平衡和能量平衡方法，在研究、验证预 测突水量的数学模型方面做了大量工作。如中国矿业大学武强等提出了解决煤层顶 板涌 突 水灾害的“三图．双预测法”、郑纲等采用模糊聚类分析法对顶板砂岩含水 层突水量的预测法。目前，渗流数值分析方法在涌水预测中得到迅速发展和应用， 该方法可以模拟采动影响下地下水均衡场的变化，预测矿井、工作面的涌水量，适 于研究水文地质和采矿条件变化时，采场涌水量的变化趋势，常用软件包 括F E E F L O W ，M O D F L O W 和各向异性渗透裂隙岩体软件等。 在顶板含水层富水性研究方面，除了传统的水文地质分析方法以外，有的学者 运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比 验证，互相弥补不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析。对于顶板含水 层 体 的探测，除常规的地面水文钻孔进行水文补充勘探外，还发展和完善了井 下仰上孔探测技术，包括探放基岩含水层，探测松散地层底部粘土层的厚度、松散 地层砂土的流动性等。井下仰上孔也可用于疏放松散地层底部砂层水，实现留设防 砂煤柱开采。 在判断突水水源研究方面，陈朝阳等根据各含水层典型水样的化学成分，用判 别分析方法建立了项板突水的水源判别模型，以指示测试突水点水样来自哪个含水 层和给出归属该含水层的概率。洪雷等利用最大效果测度值法对同煤集团燕子山矿 工作面突水水源及成因进行了研究，判定了突水水源和导水通道。马广明等利用井 下直流电法与红外测温技术对回采工作面顶板隐伏含水区进行了预测。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在水体下开采试验研究方面，采用“干燥饱和吸水率”和“崩解”试验，分别评价 岩石的再生隔水性和隔水性。采用砂土的渗透性试验，为评价砂土层的富水性提供 参考。采用塑性指数和液性指数的测试试验，评价粘土的隔水性和流动性。通过室 内试验，研究岩石和土层的工程性质，为水体下安全采煤提供了科学依据。水体下 采煤是一个复杂的系统工程，涉及到煤层赋存、水文地质等方面的不确定性参量。 模糊数学、神经网络、灰色理论等人工智能采矿技术等多方理论己应用于水体下采 煤的分析长期以来评价和论证，提高了分析决策的科学性和可靠性。 我国水体下开采以“三带”理论和隔水层理论为重要基础，安全解放了大量的水 体F 呆滞煤量。 ①“三带”理论 对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等 水体不容许导水裂隙带波及，同时要有相应的保护煤岩柱；对于弱含水层水体，允 许导水裂隙带波及含水层；对于极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水裂隙带 进入，同时允许垮落带波及。 ②隔水层理论 水体底面与煤层之间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。隔水 层厚度取决于隔水层的隔水性能、物理力学性质、颗粒结构和需要隔离水体的类型。 经过长期的深入研究和实践，我国水体下采煤己积累了丰富的实践经验，形成 了一套技术成熟、安全经济的水体下开采技术体系。 1 ．2 ．2 导水裂隙带研究现状 1 国外研究现状 国外对导水裂隙带理论有长期的研究。耳哈西 1 9 8 2 的“自然斜面理论”；法 国人F a y o l 1 8 8 5 的“圆拱理论”；豪斯 1 8 8 9 的“分带理论”；H a l b a u m 1 9 0 3 将采空区上方的岩层看作是悬臂梁，F c k a r d t 1 9 1 3 把岩层移动过程视为各岩层逐 渐弯曲的结论1 4 】；德国学者克拉茨 H K r a t z s c h 1 9 6 1 总结概括了煤矿开采沉陷 的预计方法，并发表采动损害及其防护；英国矿业局于1 9 6 8 年颁布了海下采 煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚以及采煤方法等都作了相应的具体规定； 日本曾经有1 1 个矿井进行过海下采煤，海