隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究.pdf
第 3 7卷 第 1 期 2 0 0 8年 1月 、 中国矿 业大 学学 报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g& Te c h n o l o g y Vol J 37 No .1 J a n .2 0 0 8 隔水关键层原理及其在保水采煤 中的应用研究 缪协兴 ,浦 中国矿业大学 深部岩 土力 学与地下工程 海 ,白海波 国家重 点实验室 , 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 既 要 防治煤 矿 突水 灾 害又要 保 护矿 区 水 资源 , 实现 保 水 采 煤是 绿 色开 采技 术 的核 心 内容 之 一. 通过研 究建 立 了保 水采煤 的 隔水 关键 层矿 压模 型 , 同时提 出了可 用于指 导 开发保 水 采煤技 术的 隔水 关键 层原 理. 隔 水关键 层模 型 有 3层含 意 , 即软 弱层 岩 性 隔水 、 坚硬 层 结 构 隔水 和 裂 隙 通道 弥合 隔水 . 保 水采 煤原理 可分 解为 4个 步骤 , 即 隔水 关键 层 位 置 判 别 、 结 构 稳 定性 判 别 与控 制 、 渗 流稳 定性 判 别与控 制 以及 渗 流 突变通 道控 制. 保 水 采煤 的 隔水 关键层 原理 在 采场 顶底 板 突 水 灾害防 治 中得 到 了成 功应 用. 关 键词 绿 色开采 ;保水 采煤 ;隔 水关键 层 ; 矿 压模 型 ;突水 灾 害防 治 中图分 类号 TD 1 6 3 文献 标识 码 A 文 章编 号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 - 0 0 0 1 0 4 Pr i n c i p l e o f W a t e r Re s i s t i n g K e y St r a t a a nd I t s App l i c a t i o n i n W a t e r Pr e s e r v e d M i n i ng M I AO Xi e xi ng。PU H a i 。BAI Ha i b o S t a t e Ke y La b o r a t o r y f o r Ge o me c h a n i c s& De e p Un d e r g r o u n d En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y. Xu z h o u,J i a n g s u 2 2 1 0 0 8, Ch i n a Ab s t r a c t I t 1 S I mpo r t a n t t o p r e v e nt t he wa t e r i nr us h a s we l l a s t o p r ot e c t t h e wa t e r r e s ou r c e i n c o a l m i n i ng .W a t e r pr e s e r ve d mi ni n g i s on e o f t he i m p or t an t c ont e nt s i n t h e gr e e n mi ni n g t e c h n ol og i c a l s ys t e m . I n t hi s pa p e r ,a r oc k p r e s s ur e mod e l of wa t e r r e s i s t i n g ke y s t r a t a W KSi n wa t e r pr e s e r v e d mi ni n g i s pr o po s e d,a nd a p r i n c i pl e o f W KS i s p r e s e nt e d f o r i n s t r u c t i n g a n d de v e l op i ng t he wa t e r pr e s e r v e d m i ni ng t e c hn o l og y. Th e m o d e l of W KS ha s f o l l o wi n g t h r e e me a ni ngl i t ho l o gi c wa t e r r e s i s t i ng wi t h we a k r o c k l a y er ,s t r u c t u r e wa t e r r e s i s t i n g wi t h h a r d r oc k l a y e r a n d wa t e r r e s i s t i n g wi t h t he f r a c t u r e p a s s a g e c l os i ng . Th e p r i nc i pl e o f W KS i s c on s i s t o f f o ur s t e p s,i nc l u di n g t he po s i t i o n de t e r m i n a t i o n o f W KS,s t r u c t ur e s t a b i l i t y de t e r mi na t i o n a nd c o nt r o l l i ng,s e e pa ge s t a bi l i t y d e t e r mi na t i on a nd c o nt r o l l i n g。a nd t he s e e pa g e m ut a t i on p a s s a g e c on t r o l l i n g . The p r i nc i pl e of W KS i n wa t e 卜p r e s e r ve d m i ni n g ha s be e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o t h e d i s a s t e r p r e v e n t i o n o f wa t e r i n r u s h f r o m r o o f a n d f l o o r i n wo r k i n g f a c e . Ke y wo r d sg r e e n mi n i n g; wat e r p r e s e r v e d m i n i ng;wa t e r r e s i s t i n g ke y s t r a t a r oc k pr e s s u r e mo de 1 ;di s a s t e r pr e v e n t i on o f wa t e r i n r us h 我 国煤矿 群 死 群 伤 特 大 事故 主 要 由瓦 斯 和 突 水 灾害造 成 , 遏制 瓦斯 和 突水 事故 是我 国煤 矿 安全 控制 的主攻 目标. 并且 , 突水造成 的直接 经济损失 一 直十 分严 重. 过去 2 0 a问 , 有 2 5 0多 对 矿 井被 水 淹没, 直接经济损失高达 3 5 0多亿元. 近年来 , 矿井突水灾害呈不断上升趋势, 近 5 a 收稿 日期 2 0 0 70 83 0 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ; 国家 自然科 学基金 项 目 5 0 5 7 4 0 9 0 ; 国家 自然科 学基金 重点项 目 5 0 6 3 4 0 5 0 作者简介 缪协兴 1 9 5 9 一 , 男 , 江苏省江 阴市人 , 教授 , 博士 , 博士 生导师 . 从 事力学 与采 矿工程方面的研究 . E ma i l x x mi a o c u mt . e d u . c n T e I O 5 1 6 - 8 3 8 8 5 0 5 8 维普资讯 2 中 国 矿 业 大 学 学 报 第 3 7卷 所发生的矿井突水事故 比前 1 0 a的总和还多. 随 着矿井水文地质条件的复杂化 , 突水事故还会越来 越严重。 另外 , 为治理煤矿水害 , 我国每年排出矿井 水 5 6 亿 m , 只利 用 2 6 , 造成矿 区水 源枯竭、 水 与生 态环 境 的破坏 . 鉴于我 国煤矿开采 中的突水灾害严重性 以及 对水资源与环境的破坏 , 开发既能 防治突水灾害 , 又能保护水资源的保水采煤技术是绿色采矿技术 的核 心 内容之 一[ 1 . 1 隔水关键层原理 一 般煤系地层有显著的分层特性, 有些岩层 比 较坚硬 , 有很好的承载能力 , 有些岩层 含泥或黏土 矿 物 比较软 弱 , 具 有 良好 的抗 渗 流 能 力. 因此 , 这 里用 图 1来说 明所谓 隔水 关键层 . 从 图 1中可 以看 到 , 一般突水工作面到水源之间会被若干层岩层所 阻隔, 而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体中 的位置不同 , 其隔水性能是不同的, 水 最终需要穿 透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔 水关 键层 . 水要 突 破 隔 水关 键 层 有 2条 途 径 , 即天 然构 造通 道和 采动 裂 隙贯通 , 无论 那一 条通 道被 贯 通或 2条 通道 被 同时贯 通 , 突水通 道也 即形 成. 图 1隔 水 关 键 层 不 慈 图 Fi g .1 Sc he mat i c d i a g r a m o f W KS 根 据煤 系地 层 的构造 特征 , 我们 可 以推 断 出隔 水关键层具有 3层含意 其一 , 水源与工作面之问 有 明显 的较 厚软 弱隔 水层 例如 厚 表土层 , 则 不 易 形成突水灾害; 其二 , 假设煤层上部含水层在结构 关键层的上方, 或煤层下部含水层在结构关键层的 下方 , 如果结构关键层采动后不破断 , 则结构关键 层 可起 到隔水 作用 , 同时就 是隔 水关键 层 ; 其三 , 如 果 结构关 键层 采动 后会 发生 破 断 , 但破 断 裂 隙被软 弱岩层所充填 , 裂隙被弥合 , 不形成渗流突水通道 , 则结构关键层与软弱岩层组合形成 复合 隔水关键 层 . 由隔水 关键 层 的 含 意可 知 , 隔水 关 键 层 与 岩 层 控 制 中 的 结 构 关 键 层 之 问 , 既 有 区 别 , 也 有 共 性L 5 j . 因此 , 我们可以将煤矿突水灾害防治和水资 源 保护 的 目标选 定为 对 隔水 关键层 完 整性 的保 护 , 也即控制不形成突水通道或渗流突变通道[ 7 _ 8 _ . 这里 , 我们可 以用 图 2来说 明保水采煤的隔水 关键层原理. 从 图 2中可 以看到 , 保水采煤 的隔水 关键原理可以归纳为 4个步骤 第 1步 , 判别 隔水 关键层 的位置 ; 第 2步 , 判别与控制隔水关键层结 构 的稳 定 性 ; 第 3步 , 判 别 与 控 制 隔 水关 键 层 渗 流 的稳定 性 ; 第 4步 , 对渗 流 突变通 道 的控制 . 判别隔水关键 层 的位置 井上下物 探 、开采 地质条件分析等 墨 判 别 与 控 制隔 水 关 开 采 设 计、关 键 l键层结构稳定性 l I 层理论分析等 稳定I 判别与控制隔水关 I键层渗流稳定性 r_ L 一 l 渗流突变通道 l 的 控制 安全开采 渗流突变理论 、 井下物探等 优化采场设计 、 注浆改造加固等 图 2 保水采煤的隔水关键层原理 Fi g .2 Pr i nc i p l e o f W KS i n wa t e r pr e s e r v e d mi ni ng 判别 隔水 关键 层 的位置 时 , 主要 包括 井上 下物 探 分 析 , 探 明地 质 构 造 及 水 源 分 布规 律 等 , 进 而需 要进行水文和构造地质等分析 以及岩层控制的结 构关键层位置判别等 , 从物探 、 地质和开采等角度 综合分析判别隔水关键层在采动岩体 中的位置. 在判别 与控 制 隔水 关键层 结 构稳 定性 方 面 , 主 要 包括 开 采 设 计 , 确 定 采 区 布 置 及 工 作 面 的 大 小 等 , 进 而采用 岩 层 控 制 的关 键 层 理 论 、 数 值 和 物 理 模拟等分析结构关键层强度及破断规律. 如采动岩 体结构关键层是稳定的, 则可安全保水开采. 在 判别 与控 制 隔水关 键层 渗 流 的稳 定 性方 面 , 包 括井 下采 区 工作 面 精 细物 探 , 更详 细掌 握结 构 层 、 软 弱层 、 构造 及水 源 的分布 , 进 而分 析采 动岩 体 的渗流运动规律及发生渗流突变的通道与危险性. 如渗流运动是稳定的, 则可安全开采. 在 渗流 突变 通道 的控 制方 面 , 主要 包括 进一 步 优化采区和采场的设计 , 改变采动覆岩结构关键层 的破断形态 , 也即改变可能形成 的渗流突变通道 , 进而对构造和可能形成 的渗流突变通道实施注 浆 改造 等措 施 , 实现 安全 开采 . 2 采场底板 突水防治 运用保水采煤的隔水关键层原理 , 我们在苏北 某矿区进行 了采场底板突水灾害防治实践. 第一个 实践 区为某 矿 2 1 2 0 1 工 作面 , 是 屯头 系煤 层二 采 区 维普资讯 第 1 期 缪协兴等 隔水关键层原理及其在保水 采煤 中的应用研究 首采 工作 面 , 工 作 面东 以东 一 采 区隔 离 煤 柱 为 界 , 西 以张庄 大 断 层 保 护 煤 柱 为 界 , 工 作 面 底 板 标 高 ~ 3 7 0 4 2 0 m, 工 作 面 长度 1 2 0 m, 沿 倾 斜 方 向 推进 长 度 8 0 0 m, 煤 层倾 角 0 ~1 4 。 , 平 均 8 。 , 煤层 厚 度 1 . 1 ~1 . 6 5 m, 平均 1 . 5 m, 地质储量 1 9 . 7万 t , 可采 储 量 1 8 . 5万 t . 煤 层 直 接 底 为 0 . 4 m 的黏 土 岩 , 老 底为 2 . 2 m 粉 砂 岩 及 十 三 灰 岩 , 均 不 含 水 , 本溪组灰岩为底板直接充水含水层 , 在未与奥灰连 通 的条件 下 , 富水 量 较 弱 , 但 从 勘 探 报 告 及 地 面 水 文观 察来 看 , 二者 具有 明显 的水 力 联系 . 本 区域重 要水 害 隐患 是下 部 的奥 陶系灰 岩 水 , 该含 水层 距离 屯 头 系 煤 层 底 板 4 0 ~ 4 5 m, 具 有 水 量 丰富 、 水压 大 的特 点 , 周 围矿 井 在 开 采 屯 头 系 煤 层过 程 中发生 了多次 重大 突水 事故 . 图 3为 具 体 运用 隔水 关 键 层 原理 的分 析 判 别 过程. 从图 3中可 以看到 , 在具体隔水关键层位置 判别时, 进行了采矿地质条件分析, 该区域突水系 数达到了临界值 的 1 . 5倍. 太原组2 l 煤, 距奥灰4 5 m 水压4 0 MP a ; 隔 水 关 键 层 位 置判 别L 采深 4 6 0 IT I , 采 高l 5 m ; 采矿地质条件分析 l 底板隔水关键层6 3 m , 5 .5 MP a ; l 突 水 系 数 是 临 界 值 的 1 5 倍 ■ 隔 水 关 键 层结 构 J 井 下电 法 探 测, 3 条 隐 伏 含 水断 层 , 稳 定 性 判 别广 发 育 深 度1 6 ~ 3 0 m ; 』 关 键 层 破 断 分 析 , 破 断 裂 隙 深 度 3 8 m 隔 水关 健层 渗 流 1. 渗 流 突 变理 论分 析 , 工 作 面 推进2 0 0 11 1 稳 定 性分 析r ’ 隐 伏 含 水断 层 处 有 严重 突 水 危险 渗 流 突 变 通 道 控 制 L 隔 水 关 键 层 加 固 措 施 , 在 隐 伏 含 水 断 层 处局部注浆加固 目标 安全开采 l 图 3 隔水关键层原理在底板 突水防治 中的判别流程 Fi g .3 Di f f e r e nt i at e f l ow f or pr i n c i p l e o f W KS i n pr e ve n t i o n o f wa t e r i nr us h f r o m f l o or 在 隔水关 键层 结构 稳定 性判 别 时 , 分 别 采用 物 理模 拟和 数值 模 拟 的方 法 对 底 板 的破 断 位 置 及 深 度进行 了分 析 , 其破 裂 深度 可达 3 8 m, 已接 近 贯 穿 底板 隔水层 . 底 板 破 坏 区 域 的 数 值 模 拟 见 图 4 . 工 作面揭 露后 的井 下 电法 探测 还 发 现 发育 深 度 达 1 6 ~ 3 0 m 的 3条隐伏含水断层 , 具体位置见图 5 . 图 4底板破坏 区域 的数值模 拟 Fi g. 4 Nu me r i c a l s i m u l a t i on on t h e f a i l ur e a r e a i n floo r 图 5 底板 隐伏含水断层与注浆钻孔布 置 Fi g .5 Lay o ut of t he b ur i e d f a ul t wi t h wa t e r an d t he g r o ut i ng h ol e i n f l o or 通过采动岩体渗流理论分析 , 工作面推进 2 0 0 m左右区域 , 在 隐伏含水 断层 区域 具有严重 的渗 流突 变危 险 , 必须 采 用 底 板 注 浆 加 固措施 . 注 浆 加 固后 的底 板岩 样见 图 6 , 岩样 中的 白色条 带 部 分 即 为凝固后的浆体. 经试验测定, 该岩样 的强度 高于 同类完整岩体岩样 的强度. 辅 嗣 图 6底 板 注 浆 区域 的 岩石 采 样 Fi g. 6 Roc k s a mpl e i n gr o ut i ng a r e a o f f l o or 最 终 , 该 工 作面 实现 了安 全 回采 . 同时 , 通 过系 统 的分 析 、 监 测及 采用 加 固措 施 后 , 该 采 区 已连 续 回采 了多个工作面 , 均实现了安全高效生产. 3 采场顶板 突水防治 我 们在 新 疆 某 矿 区还 进 行 了采 场 顶板 突 水 防 治实践 . 实 践 采 区 的 地 质 条 件 为 煤 层 埋 深 为 1 5 0 m, 厚 为 3 . 8 m, 煤层 顶板 由下 向上 依 次 为 2 6 m 厚 的粗砂 岩 、 6 . 5 m 厚 的粉 细砂 岩 和 1 7 . 8 4 m 厚 的细 砂 岩 , 再上 为 6 6 . 3 7 m 厚 的砂 岩 和 3 0 m 厚 的砂 砾 互 层 , 煤层 底板 为 4 . 9 m 厚 的粉 砂 岩 , 属 于 浅埋 煤 层 厚硬 顶板 . 由水文 地质 条件 分 析可 知 , 位 于 煤层 上方 的岩 层 为第 四系 强含 水岩 层 , 对开 采浅 部煤 层有 直接 严 重影 响 , 并且 地 表还有 河 流 过境水 . 图 7为具 体 运 用 隔 水关 键 层 原 理 的分 析判 别 过程 . 从 图 7中可 以看 以 , 如 果 采动 覆 岩 中 6 6 m 左 右 的巨 厚砂 岩层 不 破 断 , 则 可 阻 隔砂 砾 互 层 水 、 浅 表水 和 过境 水 , 即实 现安 全保 水采 煤 . 维普资讯 中 国 矿 业 大 学 学 报 第 3 7卷 I. N Nl 5 0 m ,煤厚 3 8 m ; 隔水关键层位置判别 I 顶板粗砂岩6 6 m; 采 矿 地 质 条 件分 析 _ _ 1 覆 岩 砂 砾 互层 含 水层 ; l 。 ‘ 地 表 伺 也 现 水 隔水关键层结构 .I 结构关键层破断, 则隔水 稳定 性 分 析 . 1 关 键 层失 稳 严 格 保 护 结 构关 键 _ _ 一 宽 条带 短 壁 综 采 , 层的完整性 1 采宽6 0 m,煤柱宽2 0 m ‘ 目标 安全开采 图 7 隔水关键层原理在顶板 突水 防治中的判别流程 Fi g. 7 Di f f e r e n t i a t e f l o w f or pr i nc i pl e of W KS i n pr e v e nt i on of wat e r i nr us h f r o m r o of 通 过 系统 的开采优 化设 计 , 以及 相应 的采 动覆 岩破断与裂隙分布的数值和物理模拟, 决定采用宽 条带综合机械化开采方式. 在确保覆岩 6 6 m 厚结 构关键层不破断的条件下 , 最佳条带宽为 6 0 m, 煤 柱宽为 2 O m, 采区采出率可达 7 5 . 图 8为采动覆 岩裂 隙场的数值模拟结果之一 , 图 9为采动覆岩渗 流场 的数 值模 拟结 果之 一. 图 8 采动裂隙场分布 的数值模拟 Fi g. 8 Numer i c a l s i mu l a t i on on t he di s t r i b ut i on o f f r a ct u r e s f i e l d i n mi ni ng 图 9 采 动覆岩渗流场的数值模拟 Fi g .9 Nu me r i c al s i mul at i o n o n t he s e e pa g e f i e l d of 在此应用实例 中, 采用保护采动岩体中的结构 关键层不破断 的方法 , 防治该采区顶板 突水灾害 , 同时也保 护 了 区域 水 资源 和环境 , 已成功 地 回采 了 多个工作面 , 取得了显著的经济效益和社会效益. 4 结 论 1 隔水关键层是保水开采与突水灾害防治基 础理论 研究 中的矿 压 力 学 模 型 , 隔水关 键 层 既 区 别于岩层控制的结构关键层 , 但也有 内在联系 , 隔. 水关 键层 有 3层 含义 , 即 软 弱层 岩 性 隔 水 、 坚 硬 岩 层结构隔水和裂隙通道弥合隔水. 2 基于 隔 水关 键 层 模 型 的保 水 采 煤 原 理 , 可 分解为 4 个步骤 , 即 隔水关键层位置判别 、 隔水关 键层结构稳定性判别与控制 、 隔水关键层渗流稳定 性 判别 与 控制 以及 对渗 流 突变通 道 的控制 . 3 实 际 证 明 , 采 用 隔 水 关 键 层原 理 对 顶 板 水 和底板水都可实施保水采煤 , 实现对煤矿突水灾害 的防治和矿区水资源的保护. 参考文献 [ 1 ] 缪 协兴 , 陈荣华 ,白海波.保水 开采隔水关键层 的基 本 概念 及 力 学 分 析 [ J ] .煤 炭 学 报 ,2 0 0 7 ,3 2 6 5 61 56 4 . 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