1、29专题部分浅埋煤层保水开采技术研究摘要：我国西部煤炭开发区具有煤层浅埋、水资源短缺、环境脆弱的特征，在大规模开采条件下，保水开采是一事关西部矿区可持续发展的核心保障技术。论文深入分析了国内外研究现状，并基于榆神府矿区的地质条件，分为含粘土层与不含粘土隔水层浅埋煤层的保水开采技术进行研究，总结出含粘土隔水层和沙基型浅埋煤层保水开采技术体系，并通过现场实践证明了其可行性与实用性，实现了绿色开采。关键词:保水开采；浅埋煤层；粘土隔水层；沙基型；绿色开采1 问题的提出 我国西北部浅埋煤层储量十分丰富，约占全国煤炭产量的1/3以上；但这一区域地表生态环境十分脆弱，位于浅埋煤层附近的潜水因受采动影响而极
2、易流失，进而会导致环境的进一步恶化，所以，保水开采是浅埋煤层开发的关键性保障技术。2 国内外研究现状2.1保水开采的提出与内涵 “保水开采”是由陕西煤田地质局高级工程师范立民首次在对“陕北煤炭开采过程中的地下水保护”进行叙述时提出的观点。19951998年，由煤田地质总局牵头，陕西煤田地质局185队、中煤水文地质局和中国矿业大学等单位联合承担开展了中国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水开采与地质环境综合研究项目，在这一研究中，首次明确使用“保水开采”一词。 20062007年，中国矿业大学张东升教授在对神东矿区亿吨级矿区生态环境综合防治技术研究中，对保水开采的内涵进行了概括，“保水开采就是通过选
3、择合理的采煤方法和工艺，使采动影响对含水层的含水结构不造成破坏；或虽受到一定的损坏，造成部分水流失，但在一定时间以后含水层水位仍可恢复，流失量应保证最低含水位不影响地表植物的生长，并保证水质没有污染”。2.2国内研究现状 在90年代随着神府东胜煤田的开发，西安科技大学的黄庆享教授及其他学者对浅埋煤层的开采展开了大量研究工作。在大量的实测研究以及平面物理相似模拟试验的基础上，对关键层上覆厚松散载荷层随“台阶岩梁”结构运动的破坏规律和载荷传递机理进行了研究，揭示了浅埋煤层地表厚沙土层，在不同阶段随老顶结构的破断运动而呈现的各种变形和破坏形式，基本掌握了浅埋煤层长壁工作面的顶板破断机理和矿压显现规律
4、2, 3。 黑龙江科技学院的李凤仪、辽宁工程技术大学安全学院的王继仁等人，依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及其力学特征，建立薄基岩浅埋煤层覆岩力学模型，利用傅里叶变换确定单一关键层位置及组成岩层分层，预测潜水层下浅埋煤层开采顶板活动，以此为浅埋煤层开采选取合理的方法及工艺参数。 陕西煤田地质局的范立民、蒋泽泉等人对强松散含水层下保水开采的隔水层岩组特性进行了研究，对含水层底部土层和基岩风化带的隔水作用进行了分析，通过采用物理相似模拟试验，初步进行了顶板粘土隔水层稳定性的模拟研究。 中国矿业大学的杨伟峰，隋旺华等人，对覆岩的赋存特征、松散层的分布及厚度、岩(土)层的物理力学性质等工程地质影响因素在
5、“保水开采”中的应用进行了研究，分析认为：尽管覆岩较薄，但其中赋存的风化带岩层使得裂隙带的发育受到制约。 中国矿业大学马立强博士以神东矿区浅埋煤层为研究对象，采用平板力学模型、三维模拟、数值计算、三维流固耦合系统等方法与手段，对沙基型薄基岩浅埋煤层覆岩导水通道分布特征开展了系统的研究，分析了隔水层的裂隙演化机理和发育过程及分布特征、不同采矿地质参数对采动覆岩导水通道高度的影响，揭示了覆岩导水通道的可控性42。 中国矿业大学浦海博士以神东矿区综采工作面为研究对象，提出了隔水关键层的概念和保水采煤的隔水关键层保护原理。通过建立力学模型，运用实验研究、理论分析、数值模拟、数字图像相关法、岩石渗流-损
6、伤耦合模型等方法和手段，系统分析了隔水关键层的基本力学特性及隔水性能，以及贯通裂隙与渗流分布的基本特征，并对渗流量进行了详细的统计和比较。 西安科技大学的师本强、侯忠杰、张杰，陕西省煤炭科学研究所的张少春等人，通过对矿区与保水开采有关地质因素、煤柱稳定性等的研究，针对沙基型覆岩及富水特点进行了不同基岩厚度（15m、30m、42m、54m、60m）的“固-液”耦合实验模拟，结合物理模拟分析并认为:越厚的基岩在垮落过程中裂隙越容易闭合，基岩厚度大于75 m时，可采用长壁工作面开采法；基岩厚度在3075 m时，采用间歇式开采法；基岩厚度小于30 m时，采用充填或房柱式开采法。2.3国外研究现状 大型
7、浅埋煤田在世界上不多，国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田，印度和澳大利亚也在进行浅部煤层开采，埋深在100 m以内。这些国外矿区的地表主要为表土层，工作面顶板台阶下沉和涌水渍沙现象并不突出，且前期开采期间的技术水平有限，研究仅限于一般矿压观测和简单的力学分析。M秦巴列维奇和BB窃德雷克（前苏联）、B霍勃尔瓦依特和L.Holla博士（澳大利亚）等对浅部长壁开采的矿压现象进行的观测研究认为：浅部煤层的开采使其顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。 国外对浅埋煤层的开采对地表水、地下水、矿区及区域内生物种群等的影响进行了比较深入的观测和研究，其中，
8、比较有代表性的成果是Booth C J等在美国伊利斯诺州进行的长壁工作面上覆砂岩含水层的观测研究，系统分析了煤层开采后地表的沉陷特点，及由此引起的砂岩含水层水压、渗透性、储水能力及水理性质的正面和负面变化，且描述了不同区域开采后水位恢复过程和水质变化特点，提出了长壁开采引起的地下水位下降的可恢复性。此外，KaramanA等人对长壁工作面的开采边界与开采区域地下水位变化之间的关系进行了动态研究，通过分析采动覆岩含水层的渗透系数和储水系数等参数预测含水层水位的变化情况。Kim JM等人采用有限元方法，研究了采动条件下的覆岩破裂变形和地下水流动的耦合关系，并就水位下降的动态过程进行了描述。此外诸多研
9、究认为，地下长壁工作面开采后，尽管部分区域的含水层的水位可以恢复，但其地球化学性质发生了明显的短期内不可恢复的变化。 尽管对水资源受开采影响的研究比较深入，但在矿业开采水资源保护方面，尤其是与我国西北部浅埋煤层相似地质条件下的煤层保水开采方面，国外研究成果特别的少。国外迄今还没有明确提出与保水开采相似的采矿理念，鲜有文献提出具体的开采方法，从采矿的角度去系统解决对水资源进行保护性开采的难题。3榆神府矿区主要地质条件3.1典型沙基型浅埋煤层以神东矿区为例 神东煤田属于典型的沙基型浅埋煤层。神东矿区为向西平缓倾斜的单斜地层，构造简单，岩层裂隙不发育；以陆相含煤的侏罗系地层为主，厚度 170.522
10、1.8 m，一般 185 m，含 5 个煤组，具有浅埋深、薄基岩、厚松沙、富潜水的赋存特点。煤层上覆基岩主要由砂岩和泥岩组成，多属于中等难冒落型顶板。大气降水是地表水和地下水的主要补给来源；地表水系以乌兰木伦河和悖牛川河及其支沟所构成的具有强烈季节性水流系统为主，地下水分三类：新生界松散层孔隙潜水、中生界裂隙潜水和承压水、烧变岩孔洞裂隙潜水；主要隔水层为基岩风化带和第三系黄土层。 神东矿区处于鄂尔多斯台向斜的东翼，呈向西平缓倾斜的单斜地层，地层走向近南北，构造简单，断层稀少，岩层裂隙不发育。神东矿区地层以陆相含煤的侏罗系地层为主，三叠系至第四系自东而西依次出露，上图3.1神东矿区完整地层更新统
11、湖积层堆积在古沟谷内，红土零星分布在分水岭地带，黄土则广泛覆盖在矿区的东南部。神东矿区完整地层如图 3.1。 神东矿区典型的地质特征表明，其上覆的侏罗系岩层直接不整合接触着第四系的松散沙砾层，两者之间缺失了第四系的离石组(Q2l)黄土层和第三系上新统三趾马(N2)红土层。所以，神东矿区属于典型的沙基型煤层。3.2含粘土隔水层浅埋煤层以榆树湾矿区为例（1） 岩层地质 地表有风积沙及沙土层厚度 20m 左右，含有地表丰富的潜水，水位埋藏一般为0.732.86m，单位涌水量 q=0.06550.230L/sm，对地表生态环境具有重要意义。 沙土层下为厚度 83.75175.0m，平均 90m 厚的亚
12、砂土，亚粘土和粘土层，富水性极差，为区内主要隔水层。 粘土层下为平均厚度 120.0m 左右的基岩层，岩性主要为砂岩。上部有 25m 左右的风化基岩层，底部接近 2-2煤层顶板为粉砂岩和砂质泥岩，为主采煤层的顶板。该段中细粒砂岩为含水层，全段具承压性，局部水头高出地表自流而出，水头高度为 5.05m。 含煤地层段厚 210m，岩性主要为长石砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层。本段顶部为 2-2煤层厚，其下每隔 50m 左右含 1 层煤，共 4 层。煤层总厚度 1619m。整个矿区地表水系为秃尾河和榆溪河流域，东南部的清水河属常年性河流，年总径流量为 115 万m/a。东北部的田家沟和尚家沟为季
13、节性河流，年总径流量为 25 万m/a。图3.3榆树湾矿区区域地层图（2）煤层地质图3.3榆树湾矿区可采煤层赋存特征图4 保水开采技术措施4.1典型沙基型浅埋煤层技术措施4.1.1保水开采分类条件中开采高度的确定 众所周知，采高是影响回采工作面矿压显现的主要因素之一，采高越大，影响上覆岩层破坏的范围越大，破坏的程度越严重，工作面顶板下沉量越大，且在同等层位老顶岩层可能取得的平衡几率越小，因此，对保水开采也就越不利。表4.1 浅埋煤层保水开采适用条件分类中对应的开采高度4.1.2保水开采分类条件中开采速度的确定 基于保水开采的机理，各分类中的开采速度须满足如下条件（开采速度能确保关键层采后破断的
14、砌体，能在上部含水层水体渗流到采空区前后闭合）：表4.2 各分类相应开采速度4.1.3以开采速度确定工作面长度范围表4.3 各分类相应工作面长度与速度4.1.4保水开采分类条件中顶板支护力的确定（1） 浅埋煤层长壁工作面支架支护力计算表4.4 浅埋煤层长壁工作面各分类支护力及支架额定阻力计算结果（2） 浅埋煤层短壁工作面支架支护力计算表4.5 浅埋煤层短壁工作面各分类支护力及支架额定阻力计算结果（3） 保水开采条件中各分类的支架支护力选取结果表4.6 浅埋煤层保水开采各分类相应的顶板支护力及支架额定阻力计算结果4.1.5保水开采分类条件中的局部处理措施 如果在开切眼处不进行采高的调整，容易造成
15、岩层之间切落距较大，而难以阻止含水层水体的下渗。 1）因未降低开采高度，可能会使同一岩层在切眼位置错开间距大于层厚，垂直裂缝闭合不紧密，容易造成上部水体的下渗，难以实现保水开采。 2）尽管在开切眼附近降低了采高，但降低的区域范围未超过初次破断距，关键层在初始破断处错开的距离小于岩层厚度的条件下，仍然形成张开型裂缝，而引起上部水体的下渗，难以实现保水开采。 3）为了达到保水开采的目的，本论文提出了在大范围逐渐增加采高，即台阶式渐进开采方式，确保关键层在每次破断之后，形成平行的台阶式砌体结构，如图 4.1 所示；且要使台阶之间的错距小于强风化带岩层的厚度，使风化带岩层能在垂直裂缝区域仍可发挥连贯的隔水作用。图 4.1 关键块的台阶式铰接（1）采高调整幅度 根据裂隙高度计算结果，采高相差 0.5 m，裂高一般相差 1.02.0 m，考虑风化带岩层平均厚度约 5.7 m 的原因，采高调整幅度取为 0.5
