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强含水层下特厚煤层开采顶板透水性预测 第六图书馆 强含水层下特厚煤层开采,采用相应的开采方法,控制煤层顶板的”三带”发展,控制采动裂隙带的发育高度,使顶板隔水岩层隔水 性能不被采动破坏,进而进行开采透水性预测,防止上覆水体大量涌入井下,是煤矿安全生产中的关键技术。强含水层下特厚煤层 开采,采用相应的开采方法,控制煤层顶板的”三带”发展,控制采动裂隙带的发育高度,使顶板隔水岩层隔水性能不被采动破坏 ,进而进行开采透水性预测,防止上覆水体大量涌入井下,是煤矿安全生产中的关键技术。特厚煤层 开采 导水裂隙带西部探 矿工程张壮路煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安7100542007第六图书馆 第六图书馆 8 8 西部探矿工程 2 0 0 7 年第 2 期 强含水层下特厚煤层开采顶板透水性预测 张壮路 煤炭科学研究总院西安分院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 强含水层下特厚煤层开采， 采用相应的开采方法， 控制煤层硕板的” 三 带” 发展 ， 控制采动裂隙 带的发育高度 ， 使顶板 隔水岩层隔水性能不被采动破坏 ， 进而进行开采透水性预测 ， 防止上覆水体 大 量涌入井下， 是煤矿安全生产 中的关键技术。 关键词 特厚煤层 ； 开采 ； 导水裂隙带 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 0 7 0 2 0 0 8 8 _0 3 控制采动裂隙带的发育高度， 保护顶板隔水层隔水 性能不被破坏 ， 是强含水层下特厚煤层开采条件下矿井 水防治的关键。而要实现这种条件下的安全开采， 首先 要解决顶板岩层的水文地质条件及采矿条件， 预计覆岩 冒裂带高度与形态， 确定覆岩的移动变形破坏规律及冒 裂带与上覆水体的联系等主要问题， 为水体下安全开采 提供依据 。 研究的孟加拉国巴拉普库利亚煤矿 简称孟巴矿 就是这类问题的典型代表 ， 该矿主采Ⅵ煤层 ， 煤层直接 顶为中粒砂岩 ， 距顶 板 1 2 0 m 左右 为第 三系巨厚含水 层。在矿建过程中曾发生突水淹井事故， 因此， 必须根 据实际采矿条件， 对孟巴矿首采面覆岩破坏高度及其透 水性进行预测研究， 为该矿的水害防治和安全生产具有 重要意义 。 1 水文地质条件 从水体下开采研究的角度， 地层结构及其结构因素 特征主要包括地层岩性特征、 力学特征、 水文地质特征 和开采特征等。 1 ． 1 地 层结构 水体下采煤主要分析地层的成层性、 接触关系和断 层构造性质等特征。B a r a p u k u r ia 井田 G o n d a w a n a 煤 系地层不整合于太古界闪长岩基底之上， 在首采区其他 煤层缺失， 其它上覆地层结构如下 Ma d h u p u r 粘土组 黄褐色砂质粘土， 首采区厚度 7 ～1 l m， 平均约 1 0 ． 7 2 m， 耕植土厚约 0 ． 5 ～1 ． 0 m。 Up p e r D u p i Ti l a UD T 组 以中砂为主， 夹细砂 、 含砾中粗砂及薄层粘 土。厚 度 9 0 - - - l l 0 m， 是区内稳定 含水层。由于体积巨大且接受降雨补给， 所含孔隙水构 成 Go n d a wa n a 岩组水源 。 I ． o we r D u p i I i l a I ． D I 、 组 灰白色铝土质枯土岩 、 粉砂质泥岩 、 半固结的中砂岩成互层 。因沉积或剥蚀原 因， L D T在井田北区缺失 ， 在首采区最薄 2 0 m， 向南厚 度增大。 Go n d a wa n a 群 由中粗粒长石砂岩 、 细 砂岩 、 粉砂 岩、 炭质泥岩和煤组成。由下而上为一套滨湖相 、 湖沼 相、 泥炭沼 泽相、 三 角洲相沉 积物。首 采区平 均厚 度 9 3 ． 3 m。主采煤层 Ⅵ煤为长焰煤， 一般厚度 2 9 ． 4 ～ 4 1 ． O m， 平均 3 6 m。 1 ． 2 覆岩结构因素特征及覆岩类型 首采面覆岩具有以下特征 1 Ⅵ煤覆岩主要以粉砂岩、 中粒砂岩、 粗砂 岩、 含 粒粗砂岩为主， 夹薄层泥岩、 炭质泥岩。泥岩具有良好 的隔水性 ， 而中、 细砂岩硬度较大。 2 Ⅵ煤直接顶板为炭质粉砂岩， 上部是 巨厚 的粗 砂岩， 其单轴抗压强度为 4 6 MP a ， 属于中硬岩石 ， 上部 泥岩强度较低； 覆岩为下强上弱， 不利于抑制覆岩破坏 高度发育和降低基岩含水层涌水量。 3 U D T下伏 I D T粘土岩粘土岩、 粉砂质泥岩、 中砂岩互层 ， 可 以隔断 UD T强含水层水对煤系砂岩的 补给。 2 水文地质结构及其对开采的影响 含水层依其对矿井的充水条件不同可分为三大组 图 1 。 第一组为Ⅵ煤含水层 ， 由于巷道 主要 在煤 层 中掘 进 ， Ⅵ煤水位进行 了疏降 ， 目前水位已疏降到煤层顶板 ， 在回采过程中Ⅵ煤含水层将不再作为主要防治水对象 。 第二含水岩组为顶板砂岩含水层 ， 该含水层在首采 区掘进过程中多次揭露， 渗透性较弱且补给较弱。本含 水层组地下水以静贮量为主， 补给有限， 但 由于裂隙控水 作用， 需注意回采揭露大裂隙时涌水突然增加对矿井生 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 0 0 7年第 2期 西部探矿工程 8 9 含水层 图 1 孟巴矿含隔水层垂向结构关系示意图 产效率和工作环境造成的影响； 本层不构成淹井威胁。 第三组为松散沉积的 U D T孔隙强含水层， 本层分 布广泛 ， 以中砂为主， 层厚约 9 O ～l l 0 m， 直接接受降雨 补给， 渗透系数 k 一3 2 m ／ d ， 静储量大难以疏降。该组 含水层下距Ⅵ煤层的最小距离 1 2 0 m。在矿建阶段， 该 含水层被 L D T隔水层所 阻隔 ， 对首采 区基本无影 响。 但煤层大面积采动后 ， 有可能沟通破坏 L D T的阻水性 能 ， 该含水层将涌人矿井导致突水淹井 ， 因此 ， 该含水层 成为防治水的重点研究对象。在回采过程中， 控制导水 裂隙带的发育高度将成为矿井防治水的关键。 3 工作面导水裂隙带分析 在地层结构及其构造因素特征等一定条件下， 导水 裂隙带高度主要 与工作面采煤厚度 和采煤方法相关 。 由于特厚煤层采煤厚度较大， 其导水裂隙带高度相对也 大， 因此， 必须选择合适的采煤方法， 控制采煤高度， 进 而控制导水裂隙带的发育高度。 3 ． 1 覆岩破坏规律与开采方法的关系 国内大量实测资料表明， 炮采和综采工作面开采条 件下导水裂缝带最大高度与采厚近似呈分式函数关系， 但综采导水裂隙带高度一般高于炮采， 其原因即在于综 采的分层开采厚度尤其是初次开采厚度均大于炮采情 况， 所以其导水裂缝带高度大于后者。综放开采的一次 开采厚度以及开采强度较分层开采都明显增大， 其导水 裂缝带发育高度也明显增高。放顶煤一次开采厚煤层 的全层厚度远大于 3 m， 其导水裂缝带最大高度与采厚 就不再符合线性关 系。其关系 曲线的上升速率明显高 于分层开采情况， 随着采厚增加 ， 综放开采的导水裂缝 带最大高度增加较快， 这一点对于顶水采煤极为不利。 因此， 我们采用走向长壁倾斜分层、 全部垮落采煤 法， 即首先用分层开采方法开采厚煤层 ， 控制分层采高 为 2 ． 5 m， 在取得分层开采成功 采厚 1 5 m ， 并取得覆岩 破坏观测数据后 ， 然后考虑剩余煤厚用放顶煤等方法的 可行性研究及其相应 的开采方按进行开采。 3 ． 2 导水裂隙带的确定 孟巴矿顶板覆岩为中硬类型， 参照我国 建筑物 、 水 体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ， 结合孟 巴矿岩性资料， 计算开采后的导水裂缝带高度， 其计算 公式为 1 0 0 ∑M ⋯ H l； 一r 而十 b 式中 H l；导水裂缝带高度， m； ∑M一累计采厚。 采动裂隙带高度计算结果如表 1 所示。 表 1 分层开采高度及导水裂隙带高度计算结果 4 顶水开采的透水性预测 防水岩柱一般指被开采煤层的顶板至水体底界之 间的岩层整体， 其性能是指该段岩体的含水性、 隔水性 及抵抗采动裂缝生成的能力， 它取决于岩性及其结构特 性。它的好坏是决定水体下采煤成败的关键因素。孟 巴矿首采区防水岩柱主要由多层粘土岩 、 粉砂质泥岩、 砂岩互 层 ， 厚 度 约 1 2 0 m。尤 其是 位 于 U DT 下 部 的 L D T岩层， 厚度 2 0 - 6 0 m， 为泥土岩、 粉砂岩互层 ， 具有 良好隔水能力。防水岩柱的力学特征为下硬上软型， 其 隔水性能为上部优于下部， 对于实现顶水安全开采较为 有利。 根据计算， 在采厚 1 5 m时 ， Ht i 取 6 0 m； 而首采 区顶 板砂岩最小厚度 9 0 m， 工作面覆岩破坏将主要在顶板砂 岩中 ， 导水裂隙带将不会进人 L DT隔水层 ， I ． D T 隔水 层的隔水性能将不 会被破坏 ， 不会波及 UD q 、 强含水 层。在回采过程中， 工作面充水增加的主要来源是顶板 砂岩含水层 ， 该含水层属裂隙含水层 ， 补给条件差， 其对 工作面充水 以净储量为主， 补给相对有限。目前首采面 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 9 0 西部探矿工程 2 0 0 7 年第 2 期 原地破碎浸 出某低品位铜矿石的动力学研究 李会娟， 伍衡 山， 李超 南华大学建筑工程与资源环境学院， 湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 摘要 简要的对湖南某低品位铜矿石原地破碎浸出进行 了动力学分析 ， 得到 了此种矿石原地破碎浸 出的反应速率， 为此种矿石进行浸 出提供 了依据。 关键词 铜矿石； 原地破碎浸 出； 动力学 中图分类号 P 6 1 8 ． 2 文献标识码 B文章编号 1 O O 4 5 7 1 6 2 O 0 7 O 2 一O O 9 0 0 3 原地浸出是回收难采 、 难选氧化铜矿的一种有效方 法 。它是通过 向矿体中注入溶浸液 ， 溶解出矿石中有用 组分并进行提取的一种技术。浸出过程中， 酸直接作用 于氧化铜矿的化学反应速度很快， 因而氧化矿的浸出过 程主要受溶浸液渗流速度的影响。溶液通过矿层的流 动情况， 可通过现场监测与渗流计算的方法来确定。现 场监测直观可靠， 但工程量大、 成本高。数值模型模拟 方法能从整体上了解浸出范围内流体渗透的情况， 因此 建立溶液渗流速度方程式， 有利于确定合理的布液参数 和布置集液工程。 1 流体动力学分析 流体动力学的主要研究 目 标是确定速率定律 速率 方程 和反应机理 反应路径 。对 于固液反应 ， 微分形 式的速率定律一般表述为 r鲁 一 K A ／ m Ⅱ C ；Tl 1 式中 r速率 ； C j 、 t 浓度和时间； A、 m矿物表面积和溶液质量 ； K、 n j速率常数和反应级数。 实验测定的浓度时间数据可采用三种数学方法来 处理 积分法、 微分法和混合法 [ 1] 。积分法将 B R或 P F R实验的浓度时间数据去拟合速率定律的积分形 式。微分法则是将反应速率与微分形式的速率定律进 行拟合 双对数法或非线性回归法 以确定 k和 n j 。由 于 MF R实验直接测定反应速率， 故常以微分法确定速 率定律； 而对于 B R和 P F R实验， 通常据反应初期浓度 时间的线性关系计算反应速率， 此即为广泛采用的初始 正常涌水量为 4 2 0 m3 ／ h ， 矿井 正常涌水量为1 1 0 0 m3 ／ h ； 在回采不波及第三系含水层前提下 ， 预计首采区涌水量 为 6 0 0 8 0 0 m3 ／ h ， 因此 ， 可 以实现对 Ⅵ煤顶水的安全 回 采 。 5结论 1 强含水层下特厚煤层开采， 顶板导水裂隙带发 育高度的控制， 是矿井安全生产的关键。 2 盂加拉国巴拉普库利亚煤矿通过采用综采分层 开采， 控制采动导水裂隙带高度发展； 在采厚 1 5 m时， 导 水裂隙带高度为 6 0 m， 导水裂隙带不会影响 I ． D T 隔水 层的隔水性能， 将避免 U D T强含水层进入矿井导致突 水淹井 ， 是安全回采的关键。 3 在不波及第 三系含水层 的前提下 ， 首采区正常 涌水量为 6 0 0 8 0 0 m3 ／ h 。 4 “ 两带” 范围 内覆岩 为中粒砂岩， 回采过程 中的 顶板砂岩水涌出， 对开采虽有一定的影响， 但通过工作 面的合理布置、 回采工艺 的控制 ， 在松散含水层下特厚 层中进行安全开采是切实可行的。 参考文献 E 1 ] 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[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 2 3 康永华． 采煤方法对导水裂缝带发育规律的影响[ J 3 ． 煤炭 学报 ， 1 9 9 8 ， 2 3 3 2 6 2 - 2 6 6 ． [ 3 ] 张浩． 厚松散含水层下特厚煤层轻放开采可行性分析[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 3 4 ． E 4 3 康永华， 孔凡铭． 巨厚含水砂层下顶水开采试验[ J 3 ． 煤炭科 学技术， 2 0 0 4 1 ． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆