薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究.doc

薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究 马立强1,2,张东升1,2,刘玉德1,2,王 安3,赵永峰3,郑铜镖3 1.中国矿业大学南湖校区矿业工程学院,江苏徐州221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008;3.神东煤炭分公司,陕西神木719315 收稿日期2007-09-11 基金项目教育部新世纪优秀人才支持计划NCET-05-0480;江苏省普通高校研究生科研创新计划项目;煤炭资源与安全开采国家重点实验室 2007年开放基金项目;中国矿业大学科学研究基金项目2005B002;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室2007年开放基金资助项目07KF09 作者简介马立强1979-,男,宁夏吴忠人,博士,讲师,主要从事采动覆岩控制等方面的研究工作. 湖南科技大学学报自然科学版 Journal of Hunan University of Science 如隔水层较厚,则关键层破断后,隔水层也会将采动引起的部分裂隙消化,但隔水层的整体隔水性能没有被破坏,隔水层内部采动裂隙没有相互勾通.但应尽可能优化开采方法或选择有效支护避免隔水层的劣化;如隔水层较薄,则关键层破断后,隔水层不能将采动引起的裂隙消化,隔水层裂隙分布大且发展较快.这种情况下,可改良隔水层的性状;如隔水层很 摘要薄基岩浅埋煤层开采过程中顶板基岩易全厚切落,破断直接波及地表,存在顶板突水的安全隐患.在分析顶板导水通 道特征基础上,针对浅埋煤层采用传统技术实现保水开采的难点,从开采方法本身采取措施,提出了一套较为系统的薄基岩浅埋煤层保水开采新技术.此项技术的关键有三一是长壁工作面快速推进;二是支架合理支护阻力的计算确定;三是局部降低采高或局部充填.补连塔煤矿32201工作面的三维固-液耦合数值模拟计算和现场实践结果证明,该套技术的应用是成功而有效的,可在薄基岩浅埋煤层保水防溃开采中推广应用.图4,表1,参12. 关键词薄基岩;浅埋煤层;保水开采;快速推进;支护阻力;降低采高;充填中图分类号TD325 文献标识码A 文章编号1672-9102200801-0001-05 1 薄或无隔水层,则关键层破断,很快形成导水通道[1,4-5]. 薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩运动的基本特征是顶板基岩易全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表.工作面覆岩不存在“三带”,基本上为冒落带和裂隙带“二带”[6-8]. 煤层上覆基岩过于薄,煤层采高大,采掘冒落后,顶板基岩全厚度切落形成的裂缝以及冒落形成的导水通道为水资源流失提供了必要的空间通道. 根据该区覆岩活动特征,工作面煤壁和开切眼处水资源流失程度的大小主要取决于顶板基岩切落后的贯通裂隙宽度D的大小,并与松散含水层粒度有关[6-8].其关系为 DΔhcos a,1 ΔhM-∑hK p-1.2式中,D为导水通道宽度,m;Δh为顶板下沉量,m; a为顶板基岩垮落角,0￣90;M为采高,m;h为直接顶厚度,m;K p为直接顶冒落后的碎胀系数. 但本区基岩上方广泛分布的风化带岩层属于中等偏弱岩层,水稳定性差,易水解,有利于导水裂缝的重新闭合.现场采用快速推进开采技术,工作面推过后,顶板及其上覆厚松散沙土层几乎不分先后的整体下沉,整体破断的顶板岩块可以铰接挤压并快速闭合,仍具有阻水作用.实测大柳塔201工作面采空区覆岩裂缝带由形成到闭合约需12d的时间,随着关键层裂缝的闭合,破坏岩体仍可以起到控水作用[8].因此,薄基岩浅埋煤层保水开采的重点区域在工作面煤壁附近和开切眼处. 2保水开采技术 经过近几年的不断探索与实践,形成一套以长壁工作面快速推进为基础的较为系统的保水开采技术,其关键技术1长壁工作面快速推进;2支护阻力确定;3局部处理. 2.1长壁工作面快速推进 依据关键层理论,本区基本顶关键层唯一关键层承受整个覆盖层载荷,基本顶关键层初次破断后,直接顶冒矸充填部分采空区,阻碍岩块的转动,可能形成暂时的三铰拱平衡.由于中部运动被阻,因而在覆盖层重载作用下,岩块朝反方向回转,靠工作面一侧的裂缝被挤压,而这一侧裂缝的挤压闭合运动是防止水资源流失的重要条件.加快工作面推进速度可使破断岩块尽快朝反方向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合. 周期来压时,关键层破断前,在工作面前方,随着工作面支架的往复升降活动,顶板岩体的整体性遭到减弱,岩体的抗拉强度降低.由于顶板周期破断,覆岩向采空区发生倾斜,由拉应力产生裂缝.因此,加大截深等加快工作面推进速度的开采技术可减少对顶板岩体的破坏,顶板难以形成一次直达含水层底部的贯通裂隙,含水层水难以短时大量突入工作面.工作面在覆岩破断裂隙未发育完全时推过富水区域,保证了安全回采和水资源不流失.反之,覆岩破断裂隙发育充分,工作面上方含水层水便可能突入工作面,保水开采无从实现. 2.2支护阻力确定 该区长壁工作面在关键层初次来压和周期来压时均有整体切落现象.提高支护强度虽然不可能改变顶板全厚度切落这一基本特征,但合理的支护可以控制顶板破断运动过程.神东矿区长期的生产实践表明,在长壁开采中保证足够的支撑力可以控制剪切破断首先由采空区侧开始[7-8].如果工作阻力较大时,可促使支架煤壁上方拉断后在覆盖层作用下沿支架后端切落;如果支架工作阻力很小时,就无法控制支架上方断裂岩块的滑落和回转,切落会在煤壁处发生,从而在相同的水文地质条件下工作面有可能直接突水如图1,保水开采无从实现. 关键层初次来压时,所需支架工作阻力最大,此时顶板载荷计算示意如图1所示. 支架必须提供的支护阻力由基本顶关键层结构滑落失稳所传递的压力和直接顶岩柱重组成[7-8].按照文献[7]的计算思路,并对其中相关参数进行修正,得到基本顶关键层结构滑落失稳传递压力为 bhl01ρgKh01ρ1g[0.532-0.245/i-sinθ1].3作用于支架的直接顶岩柱重量为L k b∑hρg. 式中L k为控顶距长度;b,支架宽度;ρg为岩石视h 1 h ∑ h 关键层 直接层l k Pc R D θ1 关键块 l01 载荷层 图1关键层初次破断时的顶板载荷 Fig.1R oof load when the main roof first cave 2 密度;K G0为初次来压时载荷传递系数;h为基本顶关键层厚度;l01为靠工作一侧基本顶关键层初次断裂岩块长度;ρg为基本顶关键层视密度;h1为载荷层厚度;ρ1g,载荷层平均视密度;θ1为工作面侧关键块回转角;i 为块度关键层破断岩块厚度与长度之比. 支架设计中,真正采用的工作阻力是根据对支架总体结构参数的优化,不断进行修正的参数值,最终目标在于满足维持工作面顶板稳定所需要的支护阻力要求.神东矿区目前较常用5种两柱掩护式液压支架的工作阻力为6715￣8638kN,分别适用于不同条件的综采工作面. 2.3局部处理 1局部降低采高 从式1中可以看出,裂隙宽度的大小取决于顶板基岩台阶下沉量Δh,Δh越大,裂隙宽度也越大;反之,其越小.从式2中可以看出,顶板基岩台阶下沉量Δh 取决于M与Σh及冒落后的碎胀系数,在后者一定的情况下,可以通过降低采高M,使裂隙宽度减小. 在基本顶关键层初次来压处,适当降低采高以减小基本顶关键层的运移空间,有利于破断岩块朝反方向回转,靠工作面一侧的裂缝被挤压,而这一端裂缝的挤压闭合运动是防止顶板水资源流失的重要条件.且有利于关键层形成较为稳定的砌体梁结构,从而使上部载荷层破坏程度减小,增强上部隔水层的阻水作用.如果在基本顶关键层初次来压处降低采高,当工作面经过一个周期来压后,顶板的受力状态由两端固支梁变为悬臂梁,岩层断裂缝由超前工作面变为滞后工作面,此时即使导水裂缝带进入含水层,水也只会从老空区流出,工作面不会出现顶板突水.此时,可逐步增加采厚,进入正常回采.反之,如果由于采高大,冒矸不能阻滞岩块的变形失稳,咬合点继续破坏转动,咬合两端裂缝在回转中进一步拉开、切落,则形成导水通道. 2局部充填 开切眼附近是应力集中区,顶板基岩一般要在开切眼侧发生剪切破断,顶板贯通性裂缝是顶板断裂产生的动压力造成的.采用在开切眼附近局部充填的方法,直接顶冒落后与基本顶关键层间隙Δ越小,台阶下沉量Δh就越小,基本顶关键层切落后裂隙宽度 DΔhcos a就越小,水资源流失的程度就会减小;此外,局部充填可以改善局部顶板的应力状况,减小动压破坏程度,减少覆岩贯通裂缝,基岩不会发生错动式破坏.当然,随着工作面远离充填体,充填体的影响会逐步减小,应力将再次升高,然而此时的顶板岩层已进入整体变形阶段. 3工程实例 3.1采矿地质条件 补连塔煤矿32201工作面宽240m,快速推进速度为15￣20m/d.距切眼20502550m有一强富水区域,该富水区上覆基岩最薄为62.68m,含水层初始厚度最厚为19.93m.其强富水区2-2煤的岩层综合柱状如表1所示.预计水资源会严重流失,且工作面排水能力和矿井的排水能力都很难满足矿井预防突水的需要.为确保安全回采及防止水资源流失,采用了快速推进的保水开采技术,并采用FLAC3D固-液耦合模拟计算进行验证. 3.2FLAC3D固-液耦合模拟 根据32201工作面的地质条件,采用FLAC3D进行了应力-渗流系统进行固-液耦合模拟计算,相应参数根据FLAC特性和工作面条件进行设置[9-12].随着工作面的快速推进,工作面后方采空区中部纵向裂隙的导水能力逐步减小,远远小于切眼和工作面处覆围岩裂隙的渗透能力.工作面两端头覆岩的导水裂隙的渗透能力比工作面中部大.采动岩体的采动岩体导水裂隙的最大渗流速度的变化渗流量和裂隙压力都经历了由小到大再变小的过程,说明采空区及其上方覆岩的导水裂隙被逐渐压实,失去了导水能力.计算结果如图2所示. 表1岩层综合柱状表 Tab.132201coalface Comprehensive strata column 名称层厚/m岩性描述 松散层 砂质泥岩 砂岩 砂质泥岩 中细粒砂岩 砂质泥岩 2-2煤 46.4 17 25 9.7 11 6.55 5.3 中细粒砂,松散未胶结,含砾石 顶部5m左右的岩层已风化 中间夹三层1￣2m厚的煤层 底部夹0.6m左右的细砂岩 图2FLAC3D固液耦合计算模型及工作面开挖后状况 Fig.2Numerical model and its after coalface mined 3 工作面推进速度越快,覆岩下沉越平缓,整体性越强,导水裂隙发育程度越小.图3为工作面推进速度与潜水位下降的定量变化关系.随着工作面的快速推进,垮落岩体逐渐被压实,且断裂基岩块按一定的力学铰接关系形成了较稳定的结构,导水通道基本能完全闭合,采空区上方的地下水位有可逐步恢复,在一定地质条件下,保护松散层水体及地表水体的采煤技术可以实现. 3.3回采过程中和回采后水位的变化 32201工作面在15m/d 的快速推进条件下,采后 各观测水井的地下水位标高均呈下降趋势,尤以10天内水位下降最为明显,以后为缓慢变浅的过程,表明基岩断裂过程中有部分潜水渗漏到采场之中,但没有发生工作面顶板突水.32201工作面快速推进保水开采的工程实践是成功的.在采后2周之后,水位埋深又呈上升趋势,并逐渐保持稳定,表明断裂的岩块在快速采动之后能闭合,且能与其上软弱岩层很好地耦合,使浅表水不再向井下渗漏.各观测水井水位下降0.05￣2.23m ,平均下降1.45m. 根据实测数据,除工作面两顺槽附近水位下降幅度大于地面下降幅度外,其余大部分地段总体水位下降幅度均小于地面下降幅度,采空区上方水位整体呈相对上升趋势,如图4所示. 32201工作面2004年9月3日没有推进,9月4日出现20m 3/h 左右的涌水量,9月7日推进5m ,9月8日出现6.7m 3/h 的涌水量,其它推进度在15￣30m/d 时,工作面无涌水的现象证明了加快推进速度可实现保水开采这一认识. 4结论 1根据神东矿区薄基岩浅埋煤层的顶板导水机 理,提出了工作面快速推进、局部降低采高或局部充填的保水开采技术. 2工作面快速推进,顶板难以形成一次直达含水层底部的贯通裂隙;在基本顶关键层初次来压处,适当降低采高以减小基本顶关键层的运移空间,可使覆岩破坏程度减小,能有效防止水资源流失;为预防工作面顶板沿煤壁台阶下沉形成贯通导水裂缝,支架必须有合理的支护阻力. 3在开切眼附近局部充填,可减小直接顶冒落后与基本顶关键层的间隙,还可以改善局部顶板的应力状况,减少覆岩贯通裂缝. 4三维固-液耦合数值模拟计算和现场工程实践证明,该套保水开采技术的应用是成功可行的.参考文献 [1]钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学 报,2003,324343-348. QIAN M ing-gao ,XU Jia-lin ,M IAO Xie-xing.Green Technique in Coal M ining [J].Journal of China University of Mining 2.State Key Laboratory of Coal Resources 3.Shendong M ining Branch,China Shenhua Energy Group Co.Ltd,Shenmu719315,China AbstractThere is hidden safety problem of roof water inrush in the shallow coal seam with thin bedrock during mining,because its roof bedrocks break and fall in a whole and affects ground surface directly.To solve the tradition technique difficulties of aquifer-protective mining in the shallow coal seam with thin bedrock,based on the analysis of the roof water inrush channel features,from the aspect of mining s.A set of roof aquifer-protective mining techniques were put forward.There were three key aspects in this technique1rapid mining of longwall coalface;2calculation to determine the reasonable supporter resistance;3reduce mining height partially or filling partially.The results of 3-dimensional Solid-liquid numerical simulation and field practice of32021coal face in Bulianta coal mine showed that the technique is opened up successfully,which can be applied in roof water inrush control and aquifer-protective mining in shallow coal seam with thin bedrock.4figs.,1tab.,12refs. Key wordsthin bedrock;shallow coal seam;aquifer-protective mining;rapid mining;supporter resistance;reduce mining height;filling BiographyMA Li-qiang,male,born in1979,Dr.,lecturer,mining rock control. 5