承压水上采煤分段后退式开采方法研究.pdf

第 3 4卷 第 6期 2 0 0 3年 1 1月 太原理工大学学报 J OURNAI OF TAI YUAN UNI VERS I TY OF TECHNOL OGY Vo 1 ．3 4 NO．6 Nov ． 20 03 文 章 编 号 1 0 07 94 32 20 0 3 0 6 06 9 4 03 承压水上采煤分段后退式开采方法研究 杨 栋 ， 胡耀青 ， 赵 阳升 太 原 理 工 大 学 采矿 工 艺 研 究 所 ， 山 西 太原 0 3 0 0 2 4 摘 要 结 合 现 场 实 际 情 况 ， 提 出 了承 压 水 上 采 煤 的 分 段 后 退 式 开 采 方 法 ， 并 采 用 数 值 计 算 的 方 法 对 这 种 方 法 与 传 统 前 进 式 开 采 法 的 优 缺 点 进 行 比 较 和 分 析 。 该 方 法 是 解 决 承 在 水 上 采 煤 的 一 条 重 要 途 径 。 关 键 词 承 压 水 上 采 煤 ； 分 段 后 退 式 开 采 ； 有 限 元 中 图 分 类 号 TD8 2 3 ． 8 文 献 标 识 码 A 根据 对 我 国未 来 5 0年 的能 源 消耗 预测 ， 煤炭 资 源仍 将 占到 总 能源 消耗 的 5 0 以 上 ， 而 随 着 我 国煤 炭开 采 强度 和 深度 的增 加 ， 我 国 大 多 数 矿 井 都 面 临 着承 压水 上 采煤 的问题 。 目前 国 内外 针对 这 一 问题 的 主要 对策 有 疏水 降 压法 、 帷 幕 法 、 底 板 隔水 层带 压 开采 等 。根 据 我 国煤 矿 的 普 遍 情 况 ， 一 般 矿 区 的给 水 好 ， 水 压 高 ， 且 奥灰 水 含 水层 厚 ， 实 施 疏 水 降 压 法 和 帷幕 法几 乎 是 不 可 能 的 ， 而儿 这 些 方 法 对 地 下 水 资源 破坏 较 大 ， 因 此 ， 寻求 安 全 、 高 效 的 承 压 水 上 采 煤 方 法是 煤 炭 工业 可持 续 发 展 的重 大课 题 之 一 。 l 目前承压水 上采煤 方法布局 在 当前 国 际 上 采 用 的 开 采方 法 中 ， 沿 倾 斜 方 向 主要 有前 进 式 和后 退 式 两 种 ， 由 于前 进 式 初 期 投 人 较 少 ， 投 产早 。 应 用 非 常多 ， 特 别 在带 压 开 采 问题 中 ， 具有 先 易后 难 ， 先 浅后 深 的 特点 ， 更 被 作 为带 压 开采 的首 选 开采 方 法 。我们 在 进 行 东 山煤 矿带 压 开采 设 计 时 ， 却 发 现这 种 方法 在 以下 几 方 面存 在 缺点 1 避 灾 困难 ， 由 于 开 采 工 作 面 位 于 水 平 最 下 方 ， 仅 有 容量 很 小 的 水 仓 作 为 缓 冲 ， 一 旦 突水 ， 根 本 不 能保 证救 灾 和 人员 安全 撤 离 的需 要 。 2 根 据 开采 围 岩应 力 场 的 变化 规 律 ， 新 采 工 作 面 总是 在上 一 工作 面 的 充 分 扰 动 下 进 行 的 ， 这 就 人 为 给新 工作 面 的 开 采增 加 了难 度 ， 增 大 了突 水 的危 险性 。 3 新 采 工 作 面 一 旦 突 水 ， 只 能 将 整 个 采 区封 闭 ， 所 有 该水 平 以下 资源 都将 无 法顺 利 开 采 。 2 带压开采 分段后退 式开 采方法 针对 目前 承 压水 上 采 煤 方 法 的 缺 点 ， 以及 现 场 实际情 况 ， 我 们 提 出 了承 压 水 上采 煤 分 段 后 退 式 开 采 方 法 。其 主要 开采顺 序如 图 1 ． 1 对 盘 区地 下水 动 态分 布特 征 进 行 评 估 ， 按 突 水 系数将 待 采 盘 区 分 为 安 全 开 采 区 、 较 安 全 区 和危 险 区 ， 根 据 实 际情 况分 为 若 干 区段 。 2 按 照先 易后 难 的原 则 ， 首 先 在 安全 开 采 区施 工 ， 按 照 一 般后 退 式开 采 即可 。 3 对 于较 安 全 区和 危 险 区 ， 首 先 在 区段 人 口处 做 好 密 闭准 备 ， 以备 突 水 时 封 闭 区段 用 。并 安 装 强 排 水 设施 。 4 快 速施 工 到 区段 底部 ， 尽 快 布 置 一个 较 小 的 区段 首采 面 。 5 采 完首 采 面后 如 果安 全 ， 则 可 继续 按 后 退 式 开 采 施工 。 这样就可以安全的开采尽可能多的煤炭资源 ， 实 现 了煤 炭 资 源 的高 效安 全 回收 。 此 方法 的优 点 是 1 阶段 首 采 面 是 在 围 岩 完 整 的 条 件 下 开 采 。 根 据 矿 山压 力 及 承 压水 上 采 煤 突 水 事 故 的 经 验 ， 多 数 突 水 事故 是 在 开采 活 动扰 动 导致 围岩及 结 构体 损 伤 破 坏 引起 的 ， 而且 随着 工作 面开 采 长度 的增 加 ， 顶 底 板 破 坏 的深 度 和强 度都 会 增 加 。 收 稿 日期 2 O 0 3 0 7 1 5 基金项 目 山两省青年基金 2 0 0 0 1 1 2 资助 ， 校青年 基金资助 1 0 1 7 6 8 作者简介 杨栋 1 9 7 0 一 ， 男， 山 繁峙人 ， 硕十 ， 主要从 事岩石力学 和特 殊条件下采矿工 程的相关研究 。 维普资讯 第 6期 杨 栋 等 承 压 水 上 采 煤 分 段 后 退 式 开 采 方 法研 究 6 9 5 2 阶段 首 采 面 在 最 下 方 ， 在 开 采 完 成 后 ， 一 旦 突水 ， 可 作为 其 他 工 作 面 安 全 开 采 及 突 水 事 故 时 安 全 撤 离 的 巨大 缓 冲水 仓 。 以 首 采 工 作 面 长 8 0 0 m， 宽 6 0 m， 开 采煤 层 厚 度 6 m， 开 采 后 填 充 5 0 的空 间计 ， 其 采空 区在 1 5万 m 左 右 ， 按 照 2 0 0 0 t ／ h的 突水 量估 算 ， 可 以 赢得 3 d左 右 的撤 离 时 间 ， 最 大 限 7 5 0 大椿 度 的保证 了安 全 开采 。 3 可 以最 大 限 度 的 实 现 安 全 回收 资 源 。 由 于 采 用 分段 后 退 式 开 采 ， 首采 面 在 下 方 ， 一 旦 突 水 ， 可 以赢 得较 多 的 时 间 撤 离 和 注 浆 堵 水 ， 其 上 的工 作 面 仍 可 以继 续 安 全 回采 。 此方 法 的 主要 缺 点是 开采 前期 准 备 时 间较 长 。 5 6 3 4 l 2 1 7 8 65 0 5 6 3 4 l 2 l 2 q l O 5 5 0水平 7 8 5 6 3 4 3 l 2 4 4 5 O水平 图 1 分 段 后 退 式 采 煤 方 法 工 作 原 理 3 分 段 后 退 式开 采 方 法 数值 分 析 为 检 验 分 段 后 退 式 开 采 方 法 的有 效 性 ， 采 用 弹 塑性 固流耦 合 有 限元 程 序对 东 山煤矿 6采 区带 压 开 采 问题 进 行 了分 析 。东 山煤 矿 六 采 区 主 采 1 5号煤 层 ， 标 高范 围 为 7 5 0 ～ 2 2 0水 平 ， 承 受水 压 达 0 ． 5 ～ 5 ． 8 MP a ． 井 田内 以 E W 向断 层 为主 ， 将 井 田横 切 为 八 大块 ， 褶 曲 占次要 地 位 ， 陷落 柱 较发 育 。底板 隔 水 层 厚 度 平 均 7 9 m， 其 中 砂 岩 、 灰 岩 占 5 6 ． 4 ， 泥 岩 占 4 3 ． 6 ， 奥灰 水 位 标 高 8 0 0 m． 抽 水 试 验 表 明 ， 峰 峰组 渗 透 系数 平 均 1 ． 0 4 m／ d 。 单 位涌 水 量平 均 0 ． 5 6 6 I ／ Sm； 上 马 家 沟 组 渗 透 系 数 平 均 9 ． 8 m／ d ， 单位 涌 水 量平 均 6 ． 9 0 3 I ／ S m 。 由等水 位 线 图 和水 循环 分 图可 知 ， 奥 灰 水 有 明显 的横 向 水 力 联 系 ， 纵 向水 力联 系不 明显 ， 井 下水 文钻 孔 测定 奥 灰 水 裂 隙导 高带 平 均 4 ． 3 l I F I ． 根 据 该 矿 1 ， 4 ， 6采 区 的 2 8个 地 质钻 孔 和 9个 水 文钻 孔 资料 计 算 突水 系 数 ， 并 按 煤层 底 板 标 高 分 为 4个 带 压 开 采 分 区 图 1 东 山煤 矿 6 5 0 m 水平 以上 ， 突 水 系数 小 于 0 ． 4 ， 为 安全 区 1 ；5 5 0 ～ 6 5 0 m 水 平 ， 突 水 系 数 0 ． 4 ～ Ⅲ 0 ． 5 ， 为安 全 区 2 ； 4 5 0 ～ 5 5 0 m 水 平 ， 突 水 系 数 在 0 ． 5 ～0 ． 6 ， 为 较 安 全 区 3 ； 4 5 0 m 水 平 以 下 ， 突 水 系数 大 于 0 ． 6 ， 为危 险 区 4 ． 根 前 当前 矿 井 的 开 采 技 术 和管 理 水平 ， 4 5 0 m 水 平 以 上 为 可 采 区 ， 4 5 0 m 水 平 以下 为 暂不 开 采 区 。在 每 个 分 区 内 ， 选 择 不 同 工作 面 长度 的长 壁采 煤 法 ， 充分 利 用 底板 隔 水 ， 经 济 而安 全有 效 地 开 采 。计 算 中第 1安全 区工作 面 长 度 为 1 2 0 m， 推 进 长 度为 8 0 0 ～ 1 0 0 0 m； 第 2安全 区 工 作 面长 度 为 9 0 m， 推 进 长 度 5 0 0 ～ 8 0 0 m； 较 安 全 区的 工作 面 长度 为 6 0 m， 推 进 长 度 3 0 0 ～ 5 0 0 m． 我 们 分 别计 算 了前 进 式 开采 的最 下 面的一 个 面及 分 段 后 退式 开 采 首采 面完 成 后 的 破 坏 区域 及 应 力 分 布 ， 前 进式 和 分段 后 退 式 开采 的底 板 破 坏 区域 和最 大 主 应 力 分布 如 图 2和 图 3所 示 。 计 算 结 果表 明 ， 分 段 后退 式 开采 首 采 工作 面 顶 、 底 板 破坏 区域很 小 ， 仅 是 前进 式 开 采 首采 工作 面顶 、 底 板 破坏 区域 的 l ／ 1 0 ， 上 山一 侧 的煤 柱 最 大 主 应 力 仅 为 前进 式 的 1 ／ 3 ． 由此 可 见 ， 分 段 后 退 式 回采 的首 采 工作 面是 在 围岩 变 形 破 坏 最 小 的情 况 下 进 行 的 ， 也 就 是在 最 安全 的情 况下 开 采 的 。 维普资讯 6 9 6 太 原 理 工 大 学 学 报 第 3 4卷 4 结论 图 2 前 进式开采工作面 采场顶底板破坏 区域和最大 主应 力分布 图 3 分段后退 式开采首采 工作面 采场1 页底板破坏 区域和最大 主应力分布 通 过 理 论 分 析 和 数 值 计 算 的 比较 ， 可 以 得 结 论 为 承压水 上 采 煤采 用 分段 后 退 式开 采 布局 ， 可 以有 效降低带压开采 的危 险性 ， 最大程度 的实现煤炭资 源 的 安全 高 效 回 收 ， 配 合 其 它安 全 措施 ， 将 是 解决 承 压 水上 采 煤 的 一条 重 要有 效 的 途径 。 参 考文 献 E l i 赵阳升．矿 山岩石 流体力学[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 9 4 3 3 8 3 4 5 ． E 2 ] 王作宁 ， 刘 洪泉．承压水 采煤[ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 ， l 9 9 5 2 1 0 2 5 3 ． E 3 ] 杨栋． 块 裂介质岩体水 力学模 型及承压水 上采煤应用E D] ． NN T _ 大学 ， 1 9 9 3 Th e Re s e a r c h o f Su b l e v e l Ba c k wa r d M e t ho d f or M i ni ng Abo v e Co nf i n e d Aqu i f e r YANG Do ng， HU Ya o - qi ng， ZHAO Ya n s h e n g Mi n i n g Te c h , ml o g r I n s t i t u t e Ta i y u u n Un i v e r s i t y o ／ ’ Te L ‘ h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4， Ch i n a Ab s t r a c t M i ni n g a bov e c on f i ne d a q ui f e r i s o ne o f pr o bl e m whi c h r e l a t e d t o t he s us t a i na bl e de v el opme nt o f our i ndus t r y． I n t hi s p a pe r ，ba s e d o n a n al y z i n g of t h e l i m i t a t i on of c u r r e nt m i ni n g me t ho d，we p r op os e d a n e w m e t h od f or m i ni n g a bo ve c o nf i n e d a q ui f e r s u bl e ve l b a c k wa r d m i n i ng． The n t he v i r t ue a n d l i mi t a t i o n o f t hi s me t ho d a n d c ur r e nt m e t h od a r e a na l yz e d by nume r i c a l c a l c u l at i on ． Ke y wo r ds m i ni ng a bov e c onf i n e d a q ui f er ； s u bl e v e l ba c kwa r d m i ni ng m e t ho d； nume r i c a l an a l yz i ng 编辑 张爱 绒 维普资讯