薄基岩浅埋煤层保水开采技术

-1-薄基岩浅埋煤层保水开采技术马立强1，2，张东升1，2，刘玉德1，2，刘江1，31中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州（221008）2教育部矿山开采与安全重点实验室，江苏徐州（221008）3、内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古鄂尔多斯（017000）E-mail：[e-mail]摘要：薄基岩浅埋煤层开采过程中顶板基岩沿全厚切落，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，针对薄基岩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。关键词：薄基岩；浅埋；保水开采；工作面快速推进；支护阻力；降低采高；充填中图分类号：TD3251.引言神东矿区各矿所开采区域大部分煤层仍然属于埋深在200m以内的浅埋煤层。浅埋深、薄基岩（通常厚度≤30～50m）、上覆厚松散风积沙含潜水层是神东矿区目前开采煤层的典型赋存特征。在沙漠覆盖层下的三趾马亚黏土隔水层上蕴藏着宝贵的地表潜水，在浅埋煤层开采过程中大量流失，这对于居民生活，生态环境及整个神东能源基地的可持续发展都造成了巨大的危害。同时，我国西部许多煤矿在开采浅埋煤层过程中都发生了顶板溃水溃沙等安全事故，影响正常安全生产。因此，薄基岩浅埋煤层开发最大的技术难点是如何在煤炭资源安全开采的同时，最大限度的保护水资源。“保水开采”的概念伴随着西部浅埋煤田的大规模开发被提出来了[1]。煤层开采前，矿区的生态环境基本是平衡的。矿区水环境的失衡及其衍生的水害的皆由煤层开采引起，所以必须从开采理论与方法本身入手，解决浅埋煤层水害和水资源流失问题[2]。大面积预留保（防）水煤柱和限厚开采显然是不可行的。预先疏排水虽然达到了安全生产，但对当地生态环境不利。有人提出利用旺格维利采煤法实现保水开采，但该方法煤炭资源的回采率低，不值得提倡。充填式采煤，虽然可以减少顶板破坏，能达到保水开采目的，但这在技术和经济上暂时还不可行。为此，本文提出一套以长壁工作面快速推进为基础的较为系统的薄基岩浅埋煤层保水开采技术。2.顶板导水通道特征煤层开采后，当含水层与煤层间存在关键层时，如隔水层很厚，则关键层破断后，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；如隔水层很薄或无隔水层，则关键层破断，很快形成导水通道[1][3][4]。薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩运动的基本特征是：顶板基岩沿全厚切落，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”[5][6]。顶板基岩全厚度切落形成的裂缝以及冒落形成的“天窗”为突水提供了必要的空间通道。即使基岩顶面有粘土层（隔水层），若果粘土层厚度不大（小于5ｍ），加之煤层上覆基岩过于薄，煤层采高大，采掘冒落后，仍会产生干扰的粘土层“天窗”。根据该区覆岩活动特征，工作面煤壁和开切眼处突水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，并与含水层粒度有关，如图1所示。其关系为ahDcos（1）1pKhMh（2）式中：D—导水通道宽度，ｍ；h—顶板台阶下沉量，ｍ；a—顶板基岩垮落角，0~90°；M—采高，ｍ；∑h—直接顶厚度，ｍ；pK—直接顶冒落后的碎胀系数。风积沙直接顶关键层（老顶）沙砾层关键块导水通道基岩关键块图1工作面初次来压导水通道示意图Fig.1waterinrushchannelofthefirstcavingofthebedrocks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12天的时间，随着关键层裂缝的闭合，破坏岩体仍可以起到控水作用[7]。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。3.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，其关键技术为：1）长壁工作面快速推进；2）支护阻力确定；3）局部处理。3.1长壁工作面快速推进依据关键层理论，本区老顶关键层（唯一关键层）承受整个覆盖层载荷，老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突水的重要条件。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，如果推进速度慢，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，保水开采难以实现。3.2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。从大柳塔煤矿1203工作面和20601工作面支架与围岩的关系分析中，可以看出，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。如果工作阻力较大时，从而形成支架煤壁上方拉断后在覆盖层作用下沿支架后端切落，而不致造成工作面的突水灾害；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图如图2所示。支架必须提供的支护阻力Pc由直接顶岩柱重量W和老顶结构滑落失稳所传递的压力RD0组成，即：DRWPc（3）作用于支架的直接顶岩柱重量为：ghbLWk（4）式中：Lk——控顶距长度；b——支架宽度；g——岩石视密度。老顶结构滑落失稳传递压力为：)sin245.0325.0)((1101101iglKhghlbRD（5）式中：0GK——初次来压时载荷传递系数；h——老顶关键层厚度；01l——靠工作一侧老顶断裂岩块长度；g——老顶关键层视密度；1h——载荷层厚度；g1——载荷层平均视密度；1——工作面侧关键块回转角；i——块度（关键岩块厚度与长度之比）。所以，工作面控制顶板所需要的合理支护阻力应为：)sin245.0325.0()(1101101ciglKhghlbghbLPk（6）图2关键层初次破断时的顶板载荷Fig.2Roofloadwhenthemainrooffirstcavelθ101载荷层关键层直接顶h1h∑hlk关键块PCRD局部降低采高从(1)式中可以看出，裂隙宽度D的大小取决于顶板基岩台阶下沉量h，h越大，裂隙宽度D也越大；反之，D越小。从(2)式中可以看出，顶板基岩台阶下沉量h取决于采高Ｍ与直接顶的高度h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D减小。在老顶初次来压处，适当降低采高以减小老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突水的重要条件。并且有利于老顶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。如果在老顶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，三铰拱两端裂缝在回转中进一步拉开、切落，则形成导水通道。3.3.2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，直接顶冒落后与老顶间隙Δ越小，台阶下沉量h就越小，老顶切落后裂隙宽度D(ahDcos)就越小，发生突水的灾害程度就会减小；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，实现了顶板“软着陆”。4.工程实例4.1采矿地质条件补连塔煤矿32201工作面长3800m，宽240m，快速推进速度为15~30m/d。其强富水区2-2煤的岩层综合柱状如表1所示。表1岩层综合柱状表Table132201coalfaceComprehensivestratacolumn名称层厚/m岩性描述松散层46.4中细粒砂，松散未胶结，含砾石砂质泥岩17顶部5m左右的岩层已风化砂岩25中间夹三层1~2m厚的煤层砂质泥岩9.7中细粒砂岩11砂质泥岩6.55底部夹0.6m左右的细砂岩煤下24.6对工作面安全回采构成威胁的水源主要为补连沟地表水与潜水含水层水。距切眼～2550m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。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，并对此进行了FLAC3D固-液耦合模拟计算。4.2FLAC3D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特性和该工作面条件进行设置[8][9][10][11]。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。计算结果如图3、图4所示。图3FLAC3D数值计算模型及工作面开挖后状况Fig.3numericalmodelanditsformaftercoalfaceminedX图4沿工作面倾向的渗流矢量状况Fig.4Flowvectorsectionalongthecoalface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。图5给出了采动岩体导水裂隙的最大渗流速度的变化过程。图5采动岩体导水裂隙的最大渗流