特厚坚硬顶板保水开采技术

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1、http:/ 特厚坚硬顶板保水开采技术特厚坚硬顶板保水开采技术 马立强1，2，张东升1，2 1 中国矿业大学能源与安全工程学院，徐州； 2 教育部矿业开采与安全重点实验室，徐州 221008） 1中国矿业大学能源与安全工程学院,（221008） 2教育部矿业开采与安全重点实验室,）（221008） H 摘摘 要：要：俄霍布拉克煤矿下 1 煤层顶板为浅埋厚硬岩层组，地表为薄砂砾石层，有多个含水层且地表水系发育。以岩层控制关键层理论为指导，提出了顶板突水防治的新原理。采用相似材料模拟试验和 RFPA 数值模拟分析方法，得出了关键层破断和覆岩裂隙场的分布特征。根据保水开采新原理，俄霍布拉克煤矿实现保

2、水开采在于关键层的保护，确定选用短壁回采工艺。通过 ANSYS 三维数值计算，从抗拉强度和抗压强度两方面进行验证，确定出了短壁综采工作面的合理布置参数， 防止工作面顶板冒落带和裂隙带波及煤系砂岩、 标准砂岩和第四系松散层含水体。短壁综采工作面的支架矿压、顶板离层、地表沉陷及顶板涌水量的监测表明，综采工作面倾斜长不超过 60m、煤柱宽度不小于 20m 时，俄布煤矿顶板突水防治取得了成功。 关键词：关键词：保水开采 厚硬岩层 数值模拟 破断与冒落 1. 引引 言言 由于受埋藏深度和赋存条件限制， 我国许多煤矿开采一直受到来自第四系或其上覆含水层的威胁。长期以来，煤炭开采将矿井水视为水害来治理，对其

3、进行“疏放排堵”为主的治理思路，降低顶板含水层的水位，疏放相邻区段煤层顶板的含水层水位，为工作面采掘消除水患。在煤炭开采过程中，无论是矿井的正常涌水，还是以防治矿井水害为目的进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干， 都会不同程度地影响或破坏含水层，造成地下水资源的极大浪费，甚至还可能污染地下水资源。 俄霍布拉克矿井田水文地质条件较为复杂， 其地质特征既不同于东部矿井， 也与神化矿区薄基岩厚松散层的水文地质不同。为防止顶板突发性水害事故的发生，控制矿井涌水量，减少排水费用，尤其是防止稀贵的水资源严重流失。本文综合采用实验室物理模拟、计算机数值计算、 理论分析及现场实测等手段

4、， 分析了基于岩层控制关键理论的保水开采技术原理，结合俄布煤矿地质背景，进行了特厚坚硬顶板条件下高效保水开采。 本课题得到国家自然科学基金资助项目(50374065)，国家杰出青年科学基金资助项目（50225414），教育部 科学技术研究重点项目(105024)资助 - 1 -http:/ 2. 开采地质条件开采地质条件 俄霍布拉克矿位于天山褶皱带的南麓，地表水系较发育，井田内第四系冲积层薄，由中粗粒砂及砾石组成，中间无稳定的粘土隔水层。古地形起伏不平，第四系松散层下发育有多条古冲沟，接受地表水补给的能力强。首采煤层下 1 煤埋深约为 150，厚为 3.8，煤层顶板由下向上依次覆存 0.4 m

5、 厚粘土岩、26m 厚粗砂岩、6.5m 厚粉细砂岩和 17.84m 厚细砂岩，其上为 66.37m 厚砂岩和 30m 厚砂砾互层；煤层底板为 4.9m 厚的粉砂岩。具体岩层对照关系如表 1 所示，典型的特厚坚硬顶板，有三个含水层且第四系是强含水层。井田西部有老窑积水区，总静水储量较大。井田东部靠近煤层露头附近，有火烧区形成的空洞，现已呈充水状态，动静储量均较大。 表 1 含水及隔水岩层对照关系 Table 1 Comprehensive column of the coalseam 岩性 层厚/m 含水及隔水性 砂砾石层 32 第四系松散的冲洪积卵砾石层孔隙潜水（强含水层） 砂岩 66.37

6、J21标准砂岩裂隙承压潜水（关键层） 细砂岩 17.84 粉细砂岩 6.5 粗砂岩 26 J12煤系砂岩裂隙层间水和承压水（关键层） 泥岩 0.4 隔水层 煤下 1 3.8 粉砂岩 4.9 J12煤系砂岩裂隙层间水和承压水 煤下 2 1.5 泥岩 0.2 隔水层 粉细砂岩 10.1 J12煤系砂岩裂隙层间水和承压水 3. 保水开采技术保水开采技术 在工作面推进过程中， 直接暴露于采空区的上覆岩层不再受到下部煤层的支撑作用， 在重力作用下发生弯曲、沉降、离层。随着工作面推进到，直接顶发生冒顶。当工作面推进距离达到老顶岩梁的极限跨度，老顶发生垮落。从整个工作面推进 (突水前) 的过程来看，煤层顶板

7、随着开采的逐步进行， 采动裂隙由下往上在逐步发展。 破坏岩层(冒落带与裂隙带) 高度没有达到含水层高度时， 采动裂隙没有在整个岩层中为含水层中的地下水创造地下导水通道， 水只是在岩层内部缓慢渗透， 只有各岩层层面处及个别软弱单元因发生局部破坏渗透性增强。当覆岩破坏高度深入含水层，采动裂隙形成地下导水通道，地下水势必沿着此通道从采场顶板突出，不能实现保水开采。 当含水层与煤层间存在关键层时，如隔水层很厚，则关键层破断，隔水层会将采动引起的裂隙消化，隔水层裂隙分布范围小且发展缓慢，隔水层的上部是完整的，采动裂隙更不会波及到上部含水层； 如隔水层较厚， 则关键层破断， 隔水层也会将采动引起的部分裂隙

8、消化，- 2 -http:/ 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，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，可采用注浆加固的方法封闭裂缝改良岩性，隔水层性状的改良无疑会有利于遏制突水事故的发生；如隔水层很薄，则关键层破断，隔水层很快被完全破坏。此时，即使采用注浆加固的方法也不能封闭裂缝。只能从采煤方法本身入手来保护关键层，不让关键层破断，进而实现保水开采。 俄霍布拉克煤矿地下水的主要补给源为天山南麓的泉水。 保水开采应以工作面防突、 不让工作面上覆岩

9、层垮落后波及第四系松散含水层和地表水为主。 针对俄霍布拉克煤矿特厚坚硬顶板和上覆岩层中无稳定的粘土隔水层的地质条件， 俄矿煤层顶板保水开采的关键技术是设计合理采煤方法和工艺参数，使工作面直接顶（关键层）顶板不垮落， 即防止工作面顶板冒落带和裂隙带波及煤系砂岩、 标准砂岩和第四系松散层含水体及地表水1。最关键的是预防标准砂岩层发生整体断裂，从而导通上覆含水层的富水区和地下水的径流通道，造成顶板突水。为此有两大难点：一是特厚坚硬顶板的破断与冒落规律；二是采煤方法的选择及工作面的合理布置与工艺参数设计2。 4. 厚硬顶板破断特征物理模拟厚硬顶板破断特征物理模拟 为研究俄霍布拉克煤矿顶板的裂隙发育动态

10、情况， 首先用在实验室进行了物理模拟， 分析 26m 厚硬粗砂岩顶板的破断特征、冒落、垮落情况。 4.1 模型制作与配比模型制作与配比 4.1.1 模型设计模型设计 实验使用简易立体模型架，模型架长 250 cm，宽 150 cm，两侧边为 20 cm 宽的支座用以模拟边界条件。模型采用底卸式开采，底片长 150 cm，宽 6 cm，材料为角钢。逐条拧动顶在底片上的螺栓，即可降下底片，模拟工作面的开采过程。 对于工作面上下两侧实体煤支承的基本顶边界采用20 cm宽的槽钢用千斤顶加压固定形成固支边界；实验采用自重为 3.5Kg 的铁块加载模拟基本顶岩层所承受的载荷。 4.1.2 相似材料配比相似

11、材料配比 模型材料配比特征及具体用量参见表 2。由于采用石膏为主要胶结料时，相似材料的脆性与采场岩体较为接近，模拟的岩体强度较大，而且制作工艺简单、材料来源方便。因此，模拟试验中，基本顶岩层相似材料采用砂子、石膏、碳酸钙及水。 表 2 模型材料配比与用量 Table 2 Simulation materials and their matching ratio 模 型 相似材料用量(kg) 岩层 厚度 /cm 岩层 倾角 / 岩体 类别 配比特征 砂 子 石 膏 碳酸 钙 水20 20 基本 顶 6.11:0.35:0.53 :1 110 0 63.595 180备注 配比特征是指砂子、石膏、

12、碳酸钙和水的重量比 - 3 -http:/ 4.2 模拟结果与分析模拟结果与分析 原始模型如图 1 所示。 厚硬顶板初次破断情况如图 2 所示， 三次周期来压后的破断情况如图 3 所示。 图 1 开采原始模型 图 2 厚硬顶板初次破断 图 3 厚硬顶板第三次周期破断 由模拟结果可分析出俄布煤矿厚硬顶板运移与破断特征为： （1）在厚硬顶板初次破断之前，裂隙已相当发育。破断裂纹先沿工作面后方出现，同时在工作面上端部也出现一些微裂隙，随工作面的推进，工作面前方出现裂纹，下端部也出现拉裂纹，裂纹扩大并在四周形成贯通，岩板在中央破断，形成厚硬顶板的初次破断； （2）厚硬顶板初次破断沿工作面倾斜方向并不呈

13、现整体来压现象，工作面上部首先来压，中部其次，下部顶板最后来压。 （3）厚硬顶板初次来压步距 5080m，周期来压步距 1525m，且周期来压时，岩板内张裂隙和岩体间断裂裂缝会产生闭合现象，但工作面上、下端头处出现台阶下沉，闭合效果不好，可成为突水通道。 - 4 -http:/ 5. 厚硬顶板破断特征数值模拟厚硬顶板破断特征数值模拟 采用东北大学 RFPA2000 软件对整个厚硬岩层组进行了模拟研究， 从 RFPA 数值模拟结果可以看到，煤下 1 顶板明显为难垮厚层顶板；多层单层难垮系数特高，因而具有垮落步距大、块度小、动压小的来压特点。其采场具体覆岩的破断与冒落形式如下： 难垮厚层基本顶主要

14、有 2 种破断冒落模式： （1）拱形破断与冒落，覆岩基本顶初次采场来压都存在拱形破断与冒落的特点，又可分为偏采空区后部和偏前部两种情形，上述二种拱形冒落情况分别见图 4 和图 5； 煤下 1 图 4 偏后局部拱形冒落（100m） 煤下 1 图 5 偏前局部拱形冒落（190m） （2）短块状破断与冒落，如果厚层基本顶初次破断与冒落为局部拱形冒落模式，一般还会跟随有涉及整层基本顶岩层加上基本顶上部岩层的短块状破断与冒落， 并呈后块短前块长特点（见图 6）。 图 6 短块状冒落（150m） 煤下 1 RFPA 数值模拟说明硬岩层组有整体破断的可能性，极易在工作面因支护阻力不足而滑落失稳差，产生台阶下

15、沉，形成导水通道。为确保矿井安全生产，合理确定采煤方法及开采- 5 -http:/ 空间大小上限尤为重要。 俄布煤矿煤层上覆岩层中无稳定的粘土隔水层， 该矿现有的技术和环境条件又不具备注浆的能力，突水事故难以避免。俄布煤矿只能从采煤方法入手，采用短壁开采等特殊的采煤方法来保护关键层，不让关键层破断，即工作面顶板冒落裂隙带不能直接导通上覆含水层(组)，进而实现保水开采。 6. 短壁综采工作面参数优化短壁综采工作面参数优化 6.1 三维数值计算模型建立三维数值计算模型建立 为合理设计短壁工作面长度和煤柱宽度等布置参数， 针对难垮厚硬岩层的特点， 建立了能分析破断极限的三维矿压模型。综合考虑煤柱的宽

16、度、工作面推进距离、工作面宽度对围岩稳定性的影响，计算了首采工作面和煤柱的留设宽度分别取为：20m，30m；工作面宽度分别取：40m、60m、80m、100m、120m；工作面推进距离取 220m、240m、260m、280m、300m时关键层初次破断前的的受力状态， 6.2 工作面顶板受力分析工作面顶板受力分析 计算结果中得出， 关键层截面上的应力分布状态与板和梁结构有类似之处， 但不完全同于薄板和长梁，在四周固支条件下也就是在首采面，破坏是剪切破坏，其最大剪应力点发生在顶板下表面与煤柱交接处，俄布煤矿厚硬顶板在采宽小于 60m 时基本顶不会发生剪切破坏。在工作面一侧或两侧已采完情况下，破坏是拉破坏，其最大拉应力点发生在采空区上方基本顶底部中央，采宽小于 60m 是时