风氧化带内煤层安全开采的试验研究.pdf

第3 3 卷第i 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 5 00 5 风氧化带内煤层安全开采的试验研究 杨本水1 ，孔一繁2 ，余庆业3 1 ．安徽理工大学资源开发与工程管理系．安徽淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．皖北煤电集团公司．安徽宿州2 3 4 0 0 0 ；3 ．宝丰煤矿，安徽宣州2 4 2 0 6 1 摘要根据现场观测和工程实践，论述了风氧化带内煤层开采时，覆岩破坏移动特征，风化带岩 石属性和风氧化带内煤层安全开采机理的定性、定量分析．提出了风氧化带煤层开采无垮落带； 受采动影响后，具阻水和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用以及适当加大开采厚度等新观点． 对两淮煤田浅部煤层安全开采和老矿挖潜具有重要的参考价值． 关键词安全开采；风氧化带；覆岩破坏移动 中图分类号T D8 2 3 ．8文献标识码A T e s t i n gR e s e a r c ho fC o a lL a y e rS a f eE x t r a c t i o n i nE f f l o r e s c e n tO x y g e n i z e dB e l t s Y A N GB e n s h u i l 。K O N GY i f a n 2 ．Y UQ i n g y e 3 1 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c e sD e v e l o p m e n ta n dM a n a g e m e n tE n g i n e e r i n g ， A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n ．A n h u i2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ．W a n b e iC o a lE l e c t r i cG r o u pC o ．．S u z h o u ，A n h u i ．2 3 4 0 0 0 tC h i n a ； 3 ．B a o { e n g C o a l M i n e 。X u a n z h o u ，A n h u i2 4 2 0 6 1 ，C h h a A b s t r a c t B a s e do nt e s t i n gd a t ai nw o r k s i t ea n de n g i n e e r i n gp r a c t m e ，t h es t r a t ad a m a g em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，r o c kp r o p e r t i e so fw e a t h e r e dz o n ea n dq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e m e c h a n i s mo fc o a ll a y e rs a f e t ye x t r a c t i o ni ne f f l o r e s c e n to x y g e n i z e db e l t sw e r ed i s c u s s e d ．T h e f o l l o w i n gn e wo p i n i o n s w i t h o u tc a v i n gz o n ec o a ll a y e re x t r a c t i o ni ne f f l o r e s c e n to x y g e n i z e db e l t s ； t W Oe f f e c t so fb l o c k i n gw a t e ra n dp r e v e n t i n gw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ef r o mg o i n go nd e v e l o p i n g a f t e rm i n i n ge f f e c t ；a p p r o p r i a t e l ye n l a r g i n gt h ee x t r a c t i o nt h i c k n e s sw e r ep r e s e n t e d ．I th a s i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et os a f e t ye x t r a c t i o no fs h a l l o wc o a ll a y e ra n du s i n gt h eo l dc o a lm i n ei nt h e c o a l f i e l do fS o u t ha n dN o r t ho ft h eH u a i h er i v e ri nA n h u i ． K e yw o r d s s a f e t ye x t r a c t i o n ；e f f l o r e s e e n to x y g e n i z e db e l t s s t r a t ad a m a g em o v e m e n t 1 问题的提出 经典采矿理论认为厚含水松散层下，风氧化 带煤层由于距新地层底部含水层近，受沉积环境的 影响，煤层顶板岩层裂隙发育，岩体孔隙率高和强 度衰减速度快，自稳性能与承载能力差，顶板难以 管理且开采以后，垮落带和导水裂隙带会波及到底 部弱至中等含水层，发生突水溃砂事故，危及矿井 安全生产．因而，一直将其视为开采的禁区，风化带 内煤层储量均被列为表外储量．仅两淮煤炭基地就 高达6 亿t [ 1 3 造成大量的资源浪费，也严重制约着 企业稳定和经济效益的提高． 根据有关研究E l - s ] 风氧化带内煤层开采需要 解决的突出问题为一是底含水层的水文地质条件 及其渗透稳定性；二是煤层开采以后覆岩变形破坏 移动规律；三是软弱顶板尤其是存在构造弱面的顶 收稿日期t2 0 0 3 一0 2 2 3 作者阿介t 杨本水 1 9 6 5 一 ．男．安徽省肥东县人。安徽理工大学副教授．扶事岩土工程、特殊开采以及矿井防治水方面的研究 万方数据 第1 期杨本水等风氧化带内煤层安全开采的试验研究 板控制技术． 百善煤矿为一独立向斜含煤盆地，已开采 3 0a ，经两期改扩后，矿井由初期设计年产4 5 万t ／a 发展到目前年产15 0 万t ／a ．由于开采强度逐年增 大，矿井储量趋于枯竭，且无扩大地质储量的可能， 为了延长矿井服务年限、提高矿井的经济效益，不 得不寻找新的煤炭资源，其中提高开采上限，开采 被列为表外储量的9 8 0 多万t 风氧化带煤层成为 该矿挖潜革新的首选目标． 为此，安徽理工大学与皖北煤电集团公司合 作，于2 0 0 0 年5 月到2 0 0 2 年1 2 月在百善煤矿的 6 4 ，6 5 ，6 8 采区的6 8 1 3 ，6 8 5 ，6 4 9 ，6 5 2 6 ，6 5 1 4 ，6 5 2 7 等6 个工作面进行了系统的观测，深入研究了底含 水的渗透稳定性、覆岩破坏移动规律和顶板变形特 点，累计从风氧化带内安全采煤2 0 0 多万t ，不仅为 解放约10 0 0 万t 风氧化带内煤炭提供了技术途 径，也为风氧化带内煤层安全开采获得了理论依 据．并在一定程度上丰富和发展了我国“三下”开采 技术． 2 试验工作面的采矿与水文地质条件 2 ．1 采矿技术条件 试验工作面的开采技术条件见表1 ．在试采过 程中，主要采取快速匀速连续推进，加强工作面顶 板管理，监测与预报水情，以及控制或减轻覆岩破 坏程度等一系列切实可行的技术开采措施，开采期 间各工作面未出现大量的涌淋水现象． 衰1风氧化带内试验开采工作面技术条件及出水情况 T a b l e1 T e s t i n gm i n i n gc o n d i t i o no fw o r kg r o u n da n do u t f l o wc o n d i t i o n 2 ．2 松散层的沉积结构及水文地质特征 根据井田内1 5 0 多个钻孔资料，第四系松散层 平均厚1 3 0m ，分为3 个含水层组，3 个隔水层组， 其沉积结构特征及水文参数见表2 。上部的第一和 第二含水层，下部分别有厚度较大的第一和第二隔 水层存在，对矿井生产无直接影响．第三含水层，厚 度2 2 ．0 4 ～2 7 ．5 7m ，单位涌水量q 0 ．0 5 5 ～0 ．7 1 L ／ s m ；渗透系数 ；1 ．9 6 ～1 1 ．1 8m ／d ；为中 等富水的含水层，且部分地段直接覆盖在煤系露头 之上，因而对浅部煤层安全开采，构成明显威胁． 亵2 试验矿井第四系松散层沉积特征 T a b l e2 D e p o s l t l o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft e s t i n g c o a lm i n eq u a t e r n a r yl o o s i n gl a y e r 岩层厚度／m水文参数岩性水化学特征 一含9 ～2 5Q 1 4 ．2 5 砂质粘士H C 0 3 - - N a M g g ；2 ．0 9 9 一5 ．0 7 7 一隔1 2 ～1 9 ．8／p 1 7 ．8 ～2 2 ．2粘土 二古 5 ．1 ～3 6 ．8 Q 4 ．1 0 3粉砂H C O a N a q O ．1 5 6 细砂 1 _ 0 6 二隔 4 ～2 0 L 1 8 ～2 4桔土 三含2 2 ．0 4 ～2 7 ．5 70 ；4 ．1 7 ～7 ．9粉砂C 1 S O 广K N a C a g o ．0 5 5 ～0 ．7 1 中细砂 ”19 61 1 ．1 8 砾石 三堕 生三 丝堕圭 注；Q 为涌水量，L ／s { q 为单位涌水量．L ／ s - m ； 为谤逢系 数，m ／d l 』。为塑性指觌 3 风化带内煤层顶板岩石属性与岩性变异 特征 采用电子显微镜、x 光衍射等方法对风氧化带 内岩石的饱和干燥吸收率、岩体强度等众多试验研 究说明[ 4 ⋯，风化岩层的岩石属性和变形破坏特征 主要为 1 岩石强度和抗变形破坏能力 风化岩石强度普遍比未风化岩石显著降低，绝 大多数风化岩石抗压强度仅为同类未风化岩石的 1 0 ％～5 0 ％，见表3 ，而且风化程度越高，强度降低 幅度越大．同时，泥质岩和泥质胶结的砂岩中的粘 土矿物如高岭石、伊利石和长石等，风化后全部粘 土化，其塑性大大增强．此类风化岩层，因强度降 低，塑性增强，抗采动影响的变形破坏能力显著增 大，可有效地抑制冒落裂缝向上发展，并使采动裂 缝的发育程度和导水性明显减弱．相反，硅质、钙质 胶结的坚硬砂岩，尤其是硅质胶结的石英砂岩。以 及其它坚硬、极坚硬岩层风化后，强度无显著变化； 采动冒落裂缝高度和破坏程度不会降低，有时还会 增高． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 表3 同层砂岩不同风化程度下物理力学性质 2 ’a b l e3T h ep h y s i c sm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t w e a t h e r e dd e g r e e sf o rt h es a m el a y e rs a n d s t o n e 2 岩层隔水和渗透水性 风化泥质岩和泥质胶结砂岩的粘土矿物和长 石的粘土化，具有很强的亲水性，受水浸蚀易迅速 崩解、膨胀、泥化，不仅使塑性增强，隔水能力还会 大大提高．同时，这些强度降低的风化岩层，在地层 重力作用下，使原生裂隙和部分采动裂隙迅速被压 实、弥合，导致渗透水能力进一步减弱．相反，硅质、 钙质胶结的砂岩尤其是硅质胶结的石英砂岩，原生 裂隙相对比较发育，部分含水．风化后，不仅含水、 渗透水性不会减弱，往往还会形成庞大的网状含 水、导水构造和通道． 3 没有基本顶 开采煤层顶板全由风化软弱岩层组成，见图 1 ，是风氧化带内煤层开采的最典型顶板变异特征． 4 具有流变和蠕变性 现场观测和生产实践表明，基岩风化带岩体， 在采动影响和自身荷载的双重作用下，具有缓慢固 结压缩特性． 格散层含水、隔水橙散沉积互层 湖泊相杭积，问夹1 ～4 层粘土含水性不 舍 均一，水平浩透能力强于垂赢渗透能力 泥岩 要譬稳蕊蔗糕萼滥黼 2 5细砂岩 嚣零器罂结r 易于坭化，平均抗压强度 2 8掘岩灰色块状，舍少量化石碎片 粉砂岩 妮钙腔结，易于 已化，平均抗压强度 2 2 l M P a 26 完整性较好，自身承载能力强 砂质 泥岩 ■ 煤 黑色，块状，煤质好 粉砂鲁 灰色，台水量较多植物化石 图1 试验工作面综合柱状图 F i g ．1 T h ec o m p r e h e n s i v ed i a g r a mo ft e s t i n gw o r k i n gf a c e 4 覆岩破坏移动规律 通过系统的试验观测，百善煤矿风氧化带内采 煤工作面，覆岩破坏移动和矿山压力显现的发展变 化有下列一些特点 1 风氧化带内煤层开采覆岩移动最典型的特 征为移动快、变形大、回缩快和下沉大． 2 采动裂缝的发育率及开裂程度减弱，正常 情况下渗捕水量减少5 0 ％至1 倍以上，见表4 ．风 化泥质岩及泥质胶结的砂岩受采动影响后，破坏高 度减小，裂缝发育和开裂程度降低，不具透砂、透泥 和大量透水能力． 表4 提高上限进入风氧化带内开采前后冒高、裂高采厚比变化 T a b l e4T h ev a r i e t yo fr o o ff a i l u r ea n dt h er a t i oo fc r a c kh e i g h te x t r a c t i o nt h i c k n e s sb e f o r ea n da f t e r e x t r a c t i o nw i t he n h a n c i n gu p p e rl i m i t a t i o nc o m i n gi n t oe f f l o r e s c e n to x y g e n i z e db e l t s 3 基本顶岩层运动的剧烈程度减轻。工作面 来压强度相应降低，来压步距减小见表5 ，6 ；初次 来压和周期来压不明显，静压大，经常发生综采支 架大立柱开裂，底座开焊现象；动压小，动载系数 小；但矿压显现较为明显，主要表现为端面冒顶，煤 壁片帮现象较为突出． 表5 工作面初次来压与周期来压步距 T a b l e5T h es t e po ff i r s tw e i g h t i n ga n d p e r i o d i cw e i g h t i n go nw o r k i n gf a c e 万方数据 第1 期杨本水等风氧化带内煤层安全开采的试验研究 表6 初次来压与周期来压支架平均阻力 T a b l e6T h ea v e r a g er e s i s t a n c eo fs u p p o r t e r s o ff i r s tw e i g h t i n ga n dp e r i o d i cw e i g h r i n gk N 4 煤层顶板含水砂层原生裂隙发育及富水性 减弱，工作面淋水及采空区涌水大大减小，以至基 本消失． 5 风化带内煤层顶板泥质类岩层约占8 0 ％， 岩性比较软弱，抗压强度一般在1 0 ～2 0M P a 之 间．在采场支架回撤或移置后随即冒落，冒落岩块 小，杂乱堆积，初始碎胀系数大，能充分填满采空 区，从而阻止了上覆岩层的继续垮落，冒落高度发 展比较有限．顶板特别风化的部位，由于塑性变形 能力特别强，现场观测发现，根本就没有垮落带． 上述特点说明，强度低，塑性太，孔隙率高，亲 水性强，泥化程度高的风化泥岩、砂岩具有阻隔松 散层底含水向下渗透与抑制采动裂缝向上发展的 双重作用．因此，在百善煤矿厚含水松散层下进入 风氧化带内开采是安全可行的． 5 风氧化带内煤层安全开采机理与条件 百善煤矿主采煤层之上2 0m 左右高度范围 内，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和泥质胶结的砂岩，一 般占8 0 ％以上，坚硬、较坚硬砂岩总厚度较小，单 层厚度一般不超过2 ～4m ．在此条件下，在基岩风 氧化带开采时．因风化岩层岩石强度普遍降低，塑 性普遍增强，抑制了岩层破坏向上发展，使冒落裂 缝高度大大降低；风化岩层受水浸迅速崩解、膨胀 泥化，原生和采动裂隙易破压密、弥合，使渗透水性 减弱，隔水能力大大增强，并在强风化段形成良好 的阻隔水屏障．这就为进入风氧化带内开采，防止 上部松散层水溃入或大量涌人井下，实现正常安全 生产，创造了良好条件． 概括地说，在煤层上覆岩层以泥质类岩层为主 的情况下，基岩风氧化带岩层，强度降低，塑性增 强，易于崩解、泥化，具有抑制冒落裂缝向上发展和 阻隔水的双重作用，从而使留设小尺寸防砂、防塌 煤柱，进人风氧化带开采的工作面，实现无溃水和 大量涌水的安全回采成为可能．这就是风氧化带内 煤层安全开采的机理． 根据上述风氧化带内安全开采机理和相关覆 岩破坏发展变化规律分析，在百善矿实行风氧化带 内开采的基本条件是 1 确切查明水文地质条件、煤层覆岩结构、岩 性和基岩面标高．在煤层之上2 0m 左右高度范围 内，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和泥质胶结的砂岩应占 6 0 ％以上，坚硬砂岩单层厚度在5m 以下，其中硅 质胶结的石英砂岩单层厚度在2m 以下． 2 在工作面连续推进的回采块段内，无较大 落差断层、高角度断层和严重破碎带，煤层厚度和 结构无剧烈变化．若存在，应采用预先加固的方法， 予以处理． 3 直接触及或临近基岩风氧化带开采时，不 应采用综放开采． 4 采取必要的开采技术措施，切实防止顶板 岩层非均衡破坏、局部抽冒和向采场大量泄水．其 中，在开采过程中，杜绝顶板抽冒和出现宝塔形冒 顶．在设计过程中，根据控放水原理先采条件简单 的弱风化带内煤层，后采条件复杂的强风化带煤层 实行区段间上行式开采 和将机巷布置在上，风巷 布置在下，实行煤水分流的方法，是一项行之有效 的安全技术措施． 5 适当加大工作面的开采高度．由图1 可知， 风氧化带内煤层开采其上覆岩层全由软弱岩层组 成，自身承载能力极差，且具有下沉量大，移动速度 快等特点，因此适当加大开采高度，给综采支架和 单体支柱以足够回缩量，保证其活柱不被压死，显 得尤为重要．试验表明综采工作面采高应控制在 2 ．5m 以上，炮采工作面采高应控制在2 ．3m ． 6 必须建立、完善从各采掘工作面到井底的 疏排水系统，特别是采区内的疏排水系统，并始终 保持其畅通无阻．预防重大水患事故． 6 风氧化带内煤层开采的生产经济效益 在保证安全生产的前提下进入风氧化带内采 煤矿井，可以获得如下效益 1 提高了资源回收率，延长了矿井服务年限． 百善煤矿可以从风氧化带内回收煤炭约7 0 0 万t ， 延长服务年限4 ～5a ． 2 有利于实现采掘正常接替，提高矿井生产 能力．百善煤矿由于提高开采上限，进入风氧化带 内开采，使矿井浅部开采储量大大增加，缓和了工 作面、采区和水平接替的紧张局面，采区产量和矿 井产煤量很快增长． 3 经济效益显著增加．百善煤矿6 个工作面 在风氧化带内开采共回收表外储量2 0 0 余万t ，创 产值4 ．8 亿元，利润2 ．0 亿元． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 7 结论与认识 通过百善煤矿风氧化带内工作面开采的试验 研究，得出如下几点结论与认识 1 风氧化带内煤层顶板具有裂隙发育．岩体 强度低，孔隙率高，塑性大，亲水性强，泥化程度高， 无基本顶等典型变异特征． 2 风氧化带内的岩石，受采动影响后，具有阻 隔底含水的下渗和抑制导水裂缝带继续向上发展 的双重作用，为风氧化带内煤层安全开采提供了内 在保证． 3 强风氧化带内煤层开采基本没有垮落带， 导水裂隙带发育高度也较小，且渗导水能力弱． 4 风氧化带内煤层开采矿压显现特征为静压 大、动压小，初次来压和周期来压步距小且不明显． 5 适当加大开采高度和实行煤水分流是实现 风氧化带内煤层安全开采行之有效的安全技术措 施． 6 风氧化带内煤层开采的经济效益和社会效 益非常明显 参考文献 [ 1 ] 安徽理工大学．淮南潘谢矿区缩小防水煤柱开采的 试验研究总结报告J R ] ．淮南安徽理工大学，2 0 0 2 [ 2 ] 煤炭科学研究院北京开采研究所．煤矿地表移动与 覆岩破坏规律及其应用I M ] ．北京煤炭工业出版社， 1 9 8 1 [ 3 ] 杨本水，刘效云，尹纯刚．上提工作面矿压显现特征 及其控制口] ．矿山压力与顶板管理．2 0 0 0 2 4 1 4 3 ． [ 4 ]安徽理工大学．百善煤矿风氧化带内煤层安全开采 技术试验研究总结报告[ R ] ．淮南安徽理工大学， 2 0 0 2 ． [ 5 1 杨本水，王丛书，阎昌银．中等含水层下留设防砂煤柱 开采的试验与研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 2 ，2 7 4 3 4 2 3 4 6 ． [ 6 3 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程[ M ] ．北京煤炭工业出版社， 2 0 0 0 ． 阳泉煤业 集团 公司、中国矿业大学 合作共建企业技术中心 责任编辑王玉浚 阳泉煤业 集团 公司作为国家重点大型企业为加快企业技术中心建设，与我校本着“优势 互补，共谋发展”的精神，就加强“产学研”联合，双方于2 0 0 3 年1 0 月签署了共建企业技术中心 的协议． 双方合作共建企业技术中心，旨在进一步加强校企间的科技合作，促进企业为主体的技术 创新体系的建设，加快企业技术创新能力的提升，增强企业的技术优势和市场竞争能力，促进 学校智力、科技优势和科技成果更好地向现实生产力的转化． 中国矿业大学科技与产业通讯2 0 0 3 年第7 期 万方数据