浅埋煤层开采对潜水的损害与控制方法研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 浅埋煤层开采对潜水的损害与控制方法研究 姓名何兴巧 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 20080415 论文题目 专业 硕士生 指导教师 浅埋煤层开采对潜水的损害与控制方法研究 采矿工程 何兴巧 签名 堑丛堑． 余学义 签名 乞盈 摘要 陕北侏罗纪煤田地处毛乌素沙漠边缘，水资源短缺，生态环境极为脆弱。矿区煤层 埋藏浅、开采厚度大、基岩薄、松散覆盖层厚，是典型的薄基岩、厚积沙松散覆盖层条 件下的浅埋煤层开采。陕北侏罗纪煤田大规模开发以后，地面塌陷和地下水位下降日益 加剧，成为加快沙漠化进程的主导因素。开发陕北优质大煤田和保护陕北稀缺的水资源， 是陕北能源化工基地建设中迫切需要解决的重大课题，不仅关系到陕北老区的可持续发 展，也关系到国家的能源发展战略。 本文基于对神府矿区地质开采条件及开采损害现状调查的基础上，分析了这种特殊 条件下开采沉陷控制特点，煤层上方关键层的物理力学性质及其破坏形态。应用岩层控 制关键层理论，结合F ．R F P A 数值模拟计算分析，对浅埋煤层关键层的特征参数及其破 断后对上覆岩层产生破坏的程度和形态进行了较深入的模拟分析。给出了开采高度与关 键层破断后结构稳定性的关系，以及这种结构稳定性对含水层破坏程度的影响，结果表 明，在神府矿区条件下，关键层破断结构稳定性不仅取决于关键层的特征参数，而且与 开采高度、直接项厚度等因素有关，通过限高开采能够使关键层破坏后的结构稳定运移， 避免覆岩切落破坏发生，实现保水采煤。 在研究保水采煤基础上，结合大柳塔矿区的地质、采矿、地形及生态环境情况，对 大柳塔矿区进行了保水开采与矿区生态环境保护模式的初步探讨，形成大柳塔矿区的分 区。 关键词浅埋煤层；开采损害；关键层；地下水；F - R F P A ；保水开采；切落破坏 研究类型应用研究 S u b i e c t S t u d yo nD a m a g eM e c h a n i c so fG r o u n d w a t e ra n dC o n t r o l M e t h o d si nt h eM i n i n go fS h a l l o wE m b e d d i n gC o a l S p e c i a l t yM i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eH eX i n g q i a o I n s t r u c t o r Y uX u e y i A B S T R A C T s i g n a t u 阳 生塑姆望丝一 S i g n a t u r e 擎竺垒掣V ’ 1 k j u r a s s i cc o a l f i e l di nt h en o r t ho fS h a a n X il o c a t e si nt h ee d g ez o n eo fM a o w u s u d e s e r t , s h o r to fw a t e r , f r i a b i l i t ye n t i r o n m e n t ．1 f 1 1 ec o a l 、析t l lt h ec h a r a c t e r so fs h a l l o w e m b e d d i n g 、t h i C km i n e 、t h i nt e r r a n e 、t h i c ki n c o m p a c ts u p e r s t r a t u m ，i sat y p eo fs h a l l o w e m b e d d i n ge x p l o i t a t i o n 、航t l lt h ec o n d i t i o no ft h i nt e r r a n ea n dt h i c ki n c o m p a c ts u p e r s t r a t u m ． A f t e rt h ej u r a s s i cc o a l f i e l dc o m eu p o nt h et i m eo fl a r g e s c a l ed e v e l o p i n g ，t h ea c t i o no f b u i l d i n gf r e q u e n t l y , g r o u n dc o l l a p s i n ga n dw a t e rl e v e lf a l l i n ge x a c e r b a t i n gd a ya f t e rd a y , t h e d e v e l o p i n go fc o a l f i e l dw i l lb et h ed o m i n a n tf a c t o ro fa c c e l e r a t i n gd e s e r t ．D e v e l o p i n gt h e c o a l f i e l di nt h en o r t ho fS h a a n X i ，a n dp r o t e c t i n gt h el a c k i n gr e s o u r c eo fw a t e ri nt h en o r t ho f S h a a n X i ，a r ef a t e f u lp r o b l e m so fw h i c hc r y i n gf o rs o l v ei nt h ec o n s t r u c t i n go fS h a a n X ib a s e o fe n e r g ys o u r c e s ，n o to n l yc o n n e c tt oc o n t i n u a b l ed e v e l o p i n g ，b u tc o n n e c tt ot h ee n e r g y s o u r c e sd e v e l o p i n gt a c t i co fc o u n t r y ． T I l i st e x ta c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i n go fm i n i n gs u b s i d e n c ea c t u a l i t ya n dg e o l o g i c a l s e c t i o na tm i n e da r e ai nS h e n F uc o a l f i e l ds h a l l o we m b e d d i n gc o a l ，a n a l y z i n gm e c h a n i c a l c h a r a c t e ro ft e r r a n eb e f o r ea n da f t e rb r e a c h i n g ，a n dt h es t a t u so fm o v e m e n tc o n d u c i n gc r a c k s d e v e l o pi ns u p e r s t r a t u m ．U s e i n gt h ek e ys t r a t at h e o r yo f t h eg r o u n d ，l i n kt oF - R F P An u m e r i c a l a n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ek e yt e r r a n ea n dt h ed e g r e eo fb r e a c h i n ga r e s i m u l a t e di nt e x t ．P r e s e n tt h er e l a t i o no fn l i I l i n gh e i g h ta n ds t a b i l i t yo fk e ys t r a t aa f t e r b r e a c h i n g ，a n dt h es t a b i l i t ya f f e c tt h ed e g r e eo fd e s t r o yt oa q u i f e r ．R e s u l ti n ，i nt h ec o n d i t i o n o fS h c n F uc o a l f i e l d ，t h es t a b i l i t yo fk e ys t r a t aa f t e rb r e a c h i n gn o to n l yl i eo nt h ec h a r a c t e r p a r a m e t e r so fk e ys t r a t a , b u ta l s or e l a t et om i n i n gh e i g h ta n di m m e d i a t er o o fh e i g h t ，b yl i m i t m i n i n gh e i g h tc o u l dm a k ek e ys t r a t aa f t e rb r e a c h i n gs t a b l y , a v o i d i n gs t r a t ac u t - i nw o r kf a c e ， a c h i e v ep r o t e c t i n gg r o u n d w a t e r ． Ⅲst e x tb a s e do nt h es t u d y i n go fp r o t e c t i n gg r o u n d w a t e r , c o m b i n i n gg e o l o g i c a l ，m i n i n g ， l a n d f o r ma n de n t i r o n m e n to fD a L i uc o a l f i e l d ，m a k ead i s c u s s i o no fp r o t e c t i n gg r o u n d w a t e r m i n i n ga n dp r o t e c t i n ge n t i r o n m e n tm o d e l ，f r o mt h es u b a r e ao fD a L i u T ac o a l f i e l d ． K e y w o r d s S h a l l o ws e a m M i n i n gd a m a g eK e y s t r a t u mG r o u n dw a t e r F R F P A C o n t r o l l i n gm i n i n g O v e r b u r d e nr o c ks t r u c t u r e ； T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 一一 姿料技大学 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。 学位论文作者签名铴爻巧日期w 衫辱6 日占叼 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。 学位论文作者签名硒攻巧指导教师签名陬 弘衫年t 月岁日 1 绪论 选题的背景及研究的意义 1 ．1 ．1 选题的背景 1 绪论 陕北侏罗纪煤田 包括神北区、榆神区、榆横区 地处毛乌素大沙漠南缘，煤炭储 量十分丰富，仅神府煤田探明储量就多达1 3 3 9 多亿t 【l J ，为世界七大煤田之一。自从2 0 世纪8 0 年代起神华集团神东煤炭公司就开始在神府矿区开采煤炭资源，目前已有4 对 特大型矿井投入生产，其中大柳塔矿两井生产能力达2 0 0 0 万讹，补连塔矿生产能力达 到2 0 0 0 万池，榆家梁矿生产能力也达到了1 8 0 0 万讹。神府煤田已经成为我国最大的 能源基地。除大型矿井外，还有很多中小型矿井和地方小窑的盲目开采。由于煤层埋藏 浅，埋深一般在l O O m 以内，煤层上覆基岩薄，松散层厚，常规采煤方式 走向长壁采 煤法、倾斜长壁采煤法、放项煤采煤法 会使裂隙带波及上覆含水层，使地层潜水沿岩 石裂缝渗入工作面，而且当裂隙宽度达到一定时还会造成工作面溃沙现象，导致工作面 淹埋，给生产带来极大的安全隐患，同时也造成巨大的经济损失。开采沉陷还会延伸至 地表，导致地层水、地表水的流失以及地表风积沙的流动。 据相关调查，由于神府矿区以及陕北资源大规模的开发，使本来就脆弱的生态环境 雪上加霜。一方面矿区开发及其相应工程的增加使植被破坏面积达到1 8 0 k m 2 ，水土流 失面积高达8 2 ％，年均新增浸蚀量超过5 0 0 万t ，每年由从矿区穿过的乌兰木伦河输走 的泥沙已从1 ．7 亿t 增加到2 ．3 9 亿t ，更有日趋严重之势；另一方面，矿井开采损害直 接波及基岩面和地表，从而导致地下潜水水位大幅度下降，植物枯死、农作物旱死、荒 沙 漠化面积扩展，生态环境进一步恶化。从第一个试采的综合机械化工作面一大柳 塔矿1 2 0 3 - r 作面的涌水溃沙，就引起了人们对开采和水患的认识。1 2 0 3 工作面，工作 面采深4 0 - - 6 0 m ，来压时顶板台阶下沉延伸至地表，使风积沙下的丰富潜水 平均潜水 水柱高l O m 直接泻入工作面，最大涌水量达到5 0 0 m 3 ／h ，不仅淹没工作面影响生产、 威胁到井下工人的安全，而且使靠近地表的潜水资源全部流失【2 】。尤其令人焦虑的是 该矿区煤层上部含有第四系上更新统萨拉鸟苏组含水层，水量丰富，矿化度小于0 ．5 9 ／L ， 是陕北沙漠草滩地前缘地区居民生活和工业优质用水水源，也是矿区唯一的含水层；但 由于煤层顶板基岩一般较薄，随着矿区大规模开发，采动裂隙带将直接影响和波及到该 含水层，造成水源地的直接破坏，并导致原来接受该含水层补给的井泉、河流和水库干 涸，区域生态环境将面临严重危斛引。 西安科技大学硕士学位论文 1 ．1 ．2 研究的意义 随着西部大开发的进行，享誉世界的优质环保煤炭基地神东煤田将进入一个新的 发展阶段，随之带来的生态环境损害问题已经受到极大的关注，这也将成为制约矿区区 域经济可持续发展的主要问题，开采引起覆岩、地表沉陷损害是矿山开发中带来环境损 害的主要部分，而开采引起浅表地层水疏漏破坏是造成地表植被损害、环境恶化及荒漠 化的主要原因。 西部是我国生态环境最脆弱的地区。据有关部门统计，全国有一半的生态脆弱县和 6 0 ％左右的贫困县在西部。西部地区土壤侵蚀面积达4 1 0 万k m 2 ，占全国总侵蚀面积的 8 3 ．3 ％和西部地区国土面积的6 0 ．6 ％。其中黄土高原水土流失面积4 5 万k m 2 ，约占其面 积的7 0 ％，是世界上水土流失最严重的地区之一，也是黄河泥沙的主要来源地。西北五 省区和内蒙古是我国土地沙化最为严重的地区，沙化总面积1 8 8 万k m 2 ，占全国沙化面 积的7 1 ．7 ％。西部地区森林植被破坏严重，森林覆盖率远低于全国平均水平，其中青海 森林覆盖率仅为0 ．3 5 ％。除新疆外，西北地区草原退化率也远远高于全国平均水平，其 中甘肃草原退化率为4 5 ．1 7 ％、陕西为5 8 ．5 5 ％。西部地区每年因生态环境破坏造成的直 接经济损失达1 5 0 0 亿元，占当地同期国内生产总值的1 3 ％。由于生态植被受到人为破 坏，西部地区1 0 0 0 多万人口的吃水将长期困难【4 】。随着西部大开发战略的实施，这种粗 放式大规模开发必将使生态环境问题更加突出，反过来必将严重制约其经济发展。如何 避免环境资源遭到破坏成为西部大开发尤其是能源开发的首要问题，研究大柳塔矿区分 区分方法保水开采对于陕北以及附近地区的浅埋煤层保水开采可以起到借鉴作用。 1 ．2 国内外的浅埋煤层研究动态及发展趋势 1 ．2 ．1 国内的研究现状 国内对浅埋煤层开采的研究是随着神东煤炭公司对神府东胜煤田的开采而展开的， 早在1 9 9 1 年，西安矿业学院矿山压力研究所曾对大柳塔矿C 2 0 2 试采工作面进行实测。 该工作面煤层埋深约6 5 m ，近水平，基岩厚度约3 2 m ，工作面长1 0 2 m ，采高2 m ，采用 H Z W A 金属磨擦支柱支护，实测表明，平巷矿压显现缓和，但工作面周期来压明显，支 柱动载系数为2 ．3 4 ．3 ，有明显的台阶下沉现象，台阶下沉量达3 0 0 - - 6 0 0 m m 。之前人们 一直认为浅埋煤层的开采矿压显现不剧烈，仅用支撑压力较小的支柱就可以，但是从现 场实测得出来的观测数据与人们想象的恰好相反，这次试采和观测使现场和科研部门认 识到浅埋并不等于矿压缓和，需要对浅埋煤层问题进行研究。在大柳塔矿第一个综采工 作面1 2 0 3 开采前，西安科技大学侯忠杰教授、黄庆享教授受委托进行采前模拟。该工 作面埋深5 0 , - 6 0 m ，基岩厚度约2 0 m ，风化基岩厚3 m ，上覆松散层厚3 6 m ，在沙砾层下 2 1 绪论 有潜水，平均水柱高度5 ．5 m 。通过相似模拟实验研究得出采高3 m 、4 m 、5 m 条件下基 岩初次和周期破断都表现为一次全厚破断，工作面来压过程中有明显的台阶下沉，最大 达1 ．O r e ，来压显现剧烈。采高3 m 和4 m 时沿煤壁的贯通断裂裂隙在基岩下部闭合，工 作面被溃沙淹埋的可能性较小。最终将采高定在4 m ，否定了采高不能超过3 m 的观点， 为现场挽回了数千万的经济效益。1 9 9 3 年大柳塔矿根据相似模拟实验结果进行开采。工 作面长1 5 0 m ，采高3 ．5 一- 4 m ，用Y Z 3 5 0 0 - - - 2 3 ／4 5 型掩护式液压支架支护顶板。实测结果 表明矿压主要特征与模拟结果基本吻合。实测初次来压步距2 7 m ，周期来压步距1 2 m 。 初次来压时工作面中部约有9 1 m 范围顶板切落，最大台阶下沉量达1 ．0 m [ 引。 1 9 9 3 年底，侯忠杰、黄庆享教授结合现场观测和相似模拟，采用有限元数值计算对 厚松散层下浅埋煤层开采进行了分析，得出了浅埋薄基岩松散层顶不能形成稳定的砌 体梁结构，工作面支护强度对基岩破断及台阶下沉有明显影响。1 9 9 4 年侯忠杰教授等人 又进行了石圪台煤矿高产高效工作面支架一围岩关系模拟，研究认为基岩厚度与采高之 比h ／m 9 时，出现分层次冒落，切落现象不明显，由此认为采空区充填程度和工作面推 进速度对顶板的破断形式有影响1 6 】。1 9 9 5 年侯忠杰教授开始研究项板破断机理及其控 制，通过两端固支梁及受矸石支撑的悬臂梁建立初次来压和周期来压力学模型，推导出 不发生台阶下沉的支护强度计算公式[ 7 1 。1 9 9 6 年张政军、李昌宁在他们的硕士论文中主 要对浅埋煤层房柱式及长壁开采的合理参数进行了分析。同年张满余在硕士论文中结合 现场观测数据，建立平面模型，进行了支架一围岩相互作用立体模拟研究，得出了支护 阻力计算公式。1 9 9 6 年6 月，西安矿业学院石平五教授等完成了“浅埋煤层矿压显现与 岩层控制研究”，对西安矿业学院近年来的浅埋煤层矿压研究进行了总结，研究得出基 岩上覆盖层下部的基岩风化层及其上部的粘土层、砂砾层，在一定采高范围内可能形成 结构，对基岩结构的载荷形成一定的影响，研究总结了基岩全厚切落的特点，提出了基 岩切落后运动的概念，分析其切落后的运动轨迹[ S l 。1 9 9 8 年，黄庆享教授在其博士论文 基础上，进一步研究，撰写了浅埋煤层长壁工作面开采顶板结构及岩层控制研究， 给出了浅埋煤层的定义，并认为浅埋煤层顶板台阶下沉是由单一关键层破断失稳造成 的，项板存在结构效应；建立了浅埋煤层顶板控制理论，系统地应用顶板结构理论对浅 埋煤层进行了顶板控制的定量化分析；确定了浅埋煤层顶板结构运动过程中，岩块摩擦 因数和端角挤压因数[ 9 1 。1 9 9 9 年以来，在钱鸣高院士提出“关键层理论”基础上，侯忠杰 教授用“组合关键层”理论，深入研究了浅埋煤层顶板控制理论。研究认为，对于一般浅 埋煤层，指出地表厚松散层浅埋煤层覆岩中两层坚硬岩层均为关键层，为浅埋煤层长壁 工作面来压剧烈的原因提供了理论依据；地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生 组合效应，形成组合关键层，其不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件；地表厚 松散层浅埋煤层组合关键层既不能形成三铰拱式平衡，也不能形成“砌体梁”平衡[ 1 0 ] [ 1 t J 。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 0 0 2 年以来，黄庆享教授主持了国家自然基金项目“浅埋煤层顶板沙土层载荷传递与关 键层动态结构理论”。研究得出了，厚沙土层采动破坏特征、工作面顶板关键层全结构 的载荷总体分布规律以及顶板结构中关键块的动态载荷传递规律；发现了周期来压期间 二次“卸荷拱”现象，揭示了关键块载荷小于载荷层全厚载荷的机理。提出了载荷传递因 子的概念，基于太沙基土压力原理建立修正的普氏拱模型，给出了卸荷拱高度计算公式， 确定了载荷传递的岩性因子和时间因子计算公式1 1 2 1 [ 1 3 】。 浅埋煤层保水开采是在近年来随着煤炭大量的采出裂隙带发展到上覆含水层，使含 水层的水沿裂隙大量的渗漏，造成地面的水资源严重缺乏，植被大面积死亡，土地逐渐 荒漠化，危及人民群众的生活、生产，才引起了有关部门的重视加大对其的研究、控制。 1 9 9 8 年，范立民高工在“中国西部侏罗纪煤田 榆神府矿区 保水采煤与地质环境综合 研究”课题中，说明了神府东胜煤田水资源贫乏，生态环境脆弱，区内唯一可供利用的 浅层地下水会受采煤影响而被破坏或被污染。为了矿区的可持续发展，提出神东煤田开 发最主要的是在保护浅层地下水资源的条件下开采煤炭资源即保水采煤【1 4 】。1 9 9 8 年， 王经明对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质效应进行分析，认为采矿造成的地下水 位下降使该地区土地沙化的根本原因。指出了改革采煤方法，改变水文地质边界条件， 控制降落漏斗扩展，排灌结合的环保采煤方法【1 5 1 。1 9 9 9 年魏秉亮、范立民高级工程师 在“影响榆神矿区大保当井田保水采煤的地质因素及区划”一文中分析了影响保水采煤 的地质因素，对保水采煤安全煤柱的设计尺寸，以及大保当井田保水采煤分区提出了建 议【1 6 1 。2 0 0 2 年范立民、蒋泽泉和许开仓高工在“榆神矿区强松散含水层下采煤隔水岩组 特性的研究”一文中对榆神矿区萨拉乌苏组含水层进行水文地质、底部土层和基岩风化 带的性质进行分析，认为底部土层和基岩风化带一起构成隔水岩组，因此合理利用该岩 组的隔水性开采煤层，对保护浅部的萨拉乌苏组含水层及防止地质灾害具有重要意义 【1 7 】。2 0 0 4 年范立民、蒋泽泉高工在“榆神矿区保水采煤的工程地质背景”一文中论述了榆 神矿区的工程地质特征，论证了保水采煤的可行性I l s 】。2 0 0 3 年武强对榆神府矿区大柳 塔井田煤层群采地面沉陷可视化数值模拟，结果表明煤层开采引起的地面沉陷不仅与采 厚有关，而且与采面大小、覆岩岩性、煤层倾角、开采方法等因素有关，而且与煤层的 重复采动有关。对于煤层回采引起的地面沉陷预测问题，应综合考虑各种影响因素，这 对矿山进行科学规划有重大的指导意义【1 9 J 。2 0 0 4 年初侯忠杰教授、张杰博士对榆神矿 区浅埋煤层保水煤柱的稳定性进行了数值模拟，对实现陕北厚松散层薄基岩浅埋煤层的 保水开采和矿区荒漠化防治具有重要意义冽。 1 ．2 ．2 国外的研究现状 大型浅埋煤田在世界上不多，国外较为典型的有莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚 煤田，这些矿区地表主要为表土层，工作面台阶下沉、涌水溃沙现象并不突出，较早的 4 1 绪论 一⋯ ii l[ ]i ii ii l i i i i i 眚i 暑暑暑萱暑宣暑暑宣置暑宣暑置宣 研究有前苏联M 秦巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说【2 l J 。 8 0 年代，澳大利亚B 霍勃尔瓦依特博士等人对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅部长壁 开采的一些矿压现象进行了实测，得出了一些浅埋煤层开采过程中的顶板来压特征圈。 9 0 年代，澳大利亚L H o l l a 等对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层移动进行了观 测研究【2 3 】，通过自地表到煤层的多层位钻孔锚固装置实测得出，顶板垮落高度为采高的 9 倍，顶板岩层在工作面推过后快速移动。英国、美国为了控制开采浅埋煤层带来的地 表塌陷，多采用房柱式开采，印度、南非则因为缺乏有关技术和设备，也选择了房柱式 开采。1 9 9 5 年印度辛格南尼煤炭公司从中国煤矿工程机械装备集团进口公司 C M E 购置2 套综采成套设备，该设备用于P V 矿2 捧、3 群工作面。我国专家赵宏珠教授对印度 浅埋煤层长壁开采矿压规律展开了研究。 国外对埋深在l O O m 以上的煤层开采沉陷规律进行了长期卓有成效地研究，已有大 量用于采矿的预计沉陷规律的方法和软件，而对1 0 0 m 以内的浅部煤层因其地表为不连 续运动研究甚少。像榆神矿区这种煤层赋存条件在世界上实属罕见，目前尚未发现供我 们借鉴的其他国家矿区荒 沙 漠化防治研究成果。对于防止水体向井下溃流，我国虽 有留设防水岩柱的成熟经验，并制定了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规程，用留设相应公式计算的足够厚度的防水安全岩柱既防止长壁工作面溃水 灾害又保证水资源不流失，但对于煤层顶板基岩总厚度远小于规程所推荐公式计算 的防水防沙岩柱厚度的浅埋煤层开采，其所引起的地表沉陷和环境恶化研究才刚刚开 始，然而这种距地表越近的煤层开采对地表环境和可持续发展影响越大[ 2 4 1 。 综上所述，国内外对浅埋煤层开采过程中的岩层控制和开采损害进行了较细致的研 究，同时对陕北浅埋煤层开采覆岩结构的稳定性、矿压显现规律、岩层移动和塌陷机理 等做了研究，还对陕北保水开采的可行性进行了论证，但是针对煤层开采对上覆地层中 潜水破坏的研究并不多，也没有具体的保水开采措施，最多只是泛泛的提出部分开采和 充填开采等。研究煤层开采对覆岩潜水的破坏机理与规律，制定出具体地质采矿条件下 的保水开采措施，不仅能保护榆神矿区宝贵的地下水资源，为有效、经济、安全地开采 地下煤炭资源提供保证，而且还能为即将投入生产的周边几个矿区提供选择合理开采方 案的依据。 1 ．3 开采沉陷预计理论研究现状及发展趋势 自5 0 年代以来，各国学者都努力寻求建立岩层与地表移动的力学理论。他们从连 续介质力学中引进了各种力学方法，来解决这一问题。7 0 年代以后，各国学者，在使用 电子计算机的基础上，先后进行了有限元、边界元、离散元等数值模拟研究，以解决岩 层与地表移动的问题，并取得了一定的成绩。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 ．3 ．1 开采沉陷预计理论的发展趋势 在地下开采过程中，由于覆岩所受应力状态改变，造成覆岩及地表的移动变形，并 由此造成地面建筑物、水体、铁路、公路、管道和农田等的损害。纵观开采沉陷理论的 发展和形成过程【2 5 - 2 9 ] ，可将其分为三个阶段 1 开采沉陷的认识和初步研究阶段 1 5 世纪 2 0 世纪2 0 年代 人们认识开采沉陷是从其对人们的生活和生产的影响开始的。早在1 5 世纪，比利 时列日城的地下含水层水源遭到地下开采的破坏。在1 8 2 5 年、1 8 3 9 年比利时组织专门 的调查组对列日城的开采影响进行了调查，形成了最初的开采沉陷学假设，即垂线理论。 随后G o n o t 又以实测资料为基础提出“法线理论”，认为采空区上下边界开采影响范围可 用相应的层面法线确定。但是比利时学者狄芒 D u m o n t 认为“法线理论”只适用于倾角 小于6 8 0 的煤层。再后来德国学者依琴斯凯于1 8 7 6 年提出了“二等分线理论”。耳西哈在 1 8 8 2 年提出了“自然斜面理论”，与移动角的概念很相似，并给出了从完整岩石到厚含水 冲积层的六类岩层的自然斜面角，范围为5 4 0 ～8 4 0 。法国学者法约尔在1 8 8 5 年提出了“拱 形理论”等。 2 开采沉陷理论的形成阶段 2 0 世纪2 0 年代 2 0 世纪8 0 年代 2 0 世纪2 0 年代，人们系统、大规模地进行了地表水平移动观测，从而使开采沉陷 理论得到了发展。1 9 2 3 生} - - - 1 9 4 0 年，史米茨、凯因霍尔斯特、巴尔斯等人相继研究了开 采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的影响函数，为影响函数法奠定了基础。 1 9 4 7 年原苏联学者阿维尔申利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论研究分析， 并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数形式，提出了地表水 平移动与地表倾斜成正比的著名观点。 1 9 5 3 年波兰学者萨武斯托维奇利用弹性基础梁理论得出了波动性下沉剖面方程。 2 0 世纪6 0 年代初，英国学者贝里 B e r r y 和赛勒斯 S a l e s 将岩体视为均质弹性 体，分为平面各向同性、横观各向同性、空间问题三类和采区边界条件不闭合、部分闭 合、全闭合三种状态，提出计算岩体下沉方法。萨拉蒙 S a l a m o n 提出了更为一般的 线性分析原理，即面元原理。 1 9 5 0 年以后，波兰学者布德雷克 B u d r y k 和克诺特 K n o t h e 对几何沉陷理论进 行了修正，提出了用高斯曲线作为影响曲线的方法【3 0 】。1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申 L i t w i n i s z y n 提出了开采沉陷的随机介质理论。至2 0 世纪7 0 年代末期，形成了开采 沉陷理论体系。 3 开采沉陷理论发展阶段 2 0 世纪8 0 年代至今 随着科学技术的发展和研究手段的提高，岩层移动计算向自动化、智能化、复杂化 和可视化方向发展。根据已有的观测资料反求参数【3 、计算开采影响的动态地表移动变 6 1 绪论 形，并能计算出倾斜煤层、岩体内部、含断层等复杂条件下的移动变形，计算结果能以 各种图形方式给出，直观可视。根据计算理论和专家经验设计的专家系统或决策支持系 统来辅助决策。 1 ．3 ．2 我国开采沉陷理论综述及研究现状 在我国，开采沉陷学科是建国以后发展起来的。从1 9 5 3 年在开滦矿务局建立第一 个地表移动观测站后，在一些矿区相继建立地表移动观测站，获得了大量宝贵的实测资 料，通过对这些资料的总结分析，求出了这些矿区的地表移动参数，为矿区采动损害防 护和开采沉陷理论研究提供了基础数据。1 9 6 3 年周国铨等根据实测资料分析，建立了地 表下沉盆地的负指数剖面函数。1 9 6 5 年刘宝琛、廖国华在煤矿地表移动基本规律一 书中将波兰学者提出的随机介质理论进一步完善、改进，在我国形成地表移动预计的概 率积分法。1 9 8 1 年刘天泉、仲惟林等系统总结了概率积分法在我国实践应用中的经验， 提出覆岩破坏的基本规律，并给出冒裂带高度的计算方法[ 3 2 1 。何国清 1 9 8 1 、吴戈分 别提出了下沉盆地剖面的“威布尔分布”和“r ，’分布模式。李增琪 1 9 8 5 采用F o u r i e r 变 换推导出了岩层与地表移动的弹性力学表达式。张玉卓 1 9 8 6 在连续介质力学理论的 基础上发展了岩层移动的位错理论。何万龙 1 9 8 6 - - 1 9 9 2 提出了山区地表移动预计计 算方法。郝庆旺 1 9 8 8 提出了采动岩体沉陷的空隙扩散模型。杨硕 1 9 9 0 提出了开 采沉陷的力学预测模式。范学理 1 9 9 1 等曾先后采用相似材料平面模型试验对不同地 质采矿条件下开采覆岩与地表移动进行了研究。邓喀中 1 9 9 3 提出岩体开采沉陷的结 构效应。邹友峰、马伟民 1 9 9 4 提出条带开采沉陷预计的三维层状介质理论【3 3 川。吴 立新、王金庄 1 9 9 4 提出了条带开采覆岩破坏的托板理论。于广明、谢和平 1 9 9 4 - 1 9 9 7 提出了开采沉陷的非线性机理和规律，以及分形损伤在开采沉陷中的应用‘3 5 ‘3 7 】。崔希民 1 9 9 6 对主断面的地表移动与变形进行了实时位移的分析，应用流变模型进行开采沉 陷研究。 1 ．4 问题的提出及本文的研究方法与内容 1 ．4 ．1 问题的提出 自从神府矿区大规模开发以来，区域内开采沉陷损害的问题日益突出，主要表现在 1 开采引起地表的严重塌陷破坏，主要表现为地表塌陷坑破坏、地表开裂台阶裂缝 破坏，使得耕地破坏、加剧水土流失和土地沙化及荒漠化； 2 开采沉陷损害形成的地表裂缝使得地表裂缝与采空区形成了直接通道，破坏了开 采煤层以上的地层含水层。神府矿区属典型的薄基岩厚积沙松散覆盖层条件下的浅埋煤 层开采，其主要含水层为近地表的积沙含水层和基岩上部的砾石含水层，开采对含水层 7 西安科技大学硕士学位论文 损害的主要形式是开采引起覆岩切落式裂缝沟通含水层与采空区，构成含水层水向采空 区疏漏的通道； 3 开采加剧了滑坡坍塌地质灾害。陕北侏罗纪煤田之神府矿区的榆家梁以东及榆横 矿区的横山部分为黄土梁峁沟壑纵横切割地貌，黄土厚度大，沟壑陡峭，工程地质稳定 性极差，大部分区域为古滑坡区。 这些开采沉陷引起的灾害严重地制约着矿区生产发展和经济可持续发展，严重地影 响着矿区老百姓的正常生活，同时带来一系列不安定团结的因素。近年来国内许多科研 院所都开展保水开采课题研究，然而陕北神府矿区的保水开采不同于常规的“三下”开 采，这主要是基于陕北神府矿区地质采矿条件特殊性，开采损害特征的特殊性，含水层 位置的特殊性。同时应用常规采空区水砂充填法，存在充填材料短缺，影响高产高效工 作面快速推进的问题，采用部分开采法开采也与矿区高产高效长壁开采体系主体不相适 应。因此，必须根据矿区特殊的地质采矿条件和生产要求，研究矿区生态环境的承载能 力及其与资源开发强度间的关系，寻求合适的开采沉陷灾害的控制方法、建立可持续的 矿区资源开采、生态环境、社会经济协调发展的开采模式是陕北侏罗纪煤田大规模开发 中亟待研究解决的重大课题。 1 ．4 ．2 研究方法与内容 研究方法 依据矿区地质采矿条件基岩厚度、上覆含水层性质和采动影响的程度对矿区进行 分区，然后根据各采区的地质特点采取相应的保水开采方案，最后进行相似材料模拟实 验和数值模拟实验，观测模拟实验开采条件下，形