CN1963148A - 利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法 - Google Patents

Abstract

一种利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法，包括水文地质勘探，获取地层相关水文地质资料，将获取的有关水文地质勘探资料通过计算机建模，用力学分析和数值模拟判别结构关键层，采用已有的采煤方法和工艺确定结构关键层的具体情况，选择适合的采煤方法和工艺参数；在实现水资源保护性开采的同时，可以防治矿井水灾害，达到煤炭资源开采、保护水资源以及矿井水害防治三者的协调统一；采用煤矿开采中积累的现有技术，如充填、注浆等，实现对结构关键层的可靠保护，根据具体矿区水文地质条件等因地制宜选择开采方式、开采工艺、支护设计等，保护隔水关键层，从而达到保水采煤的目的；既可以防治底板水害，也可以防治顶板水害。

Description

利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法

技术领域

本发明涉及一种保水采煤方法，利用结构关键层作为隔水层进行煤矿防治水安全和水环境保护下的开采，尤其适用于煤层与含水层之间存在关键层的煤炭开采。

背景技术

长期以来，煤矿开采将矿井水视为水害来处理，对其进行“疏防排堵”为主的治理思想，降低顶板(或底板)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。在煤矿开采过程中，无论是矿井的正常涌水，还是以防治矿井水害为目的而进行的人为疏干排水，以及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，造成地下水资源的严重破坏，矿物中的有害成分随地下水流失，有时还可能污染宝贵的地下水资源。据权威估计，近年全中国每年煤矿采煤要破坏水资源24亿吨，特别是我国西部煤炭资源集中地区绝大部分属于干旱或半干旱地区，煤矿开采对环境和水资源的破坏与水资源等生态环境的保护矛盾日益尖锐。

传统的以“疏防排堵”为主的治理矿井水基础上，尽管有些矿区在疏水降压的前提下，对疏出的矿井水进行部分或全部处理后，用于工、农业及生活用水，虽有环保和水资源利用的意识，但从矿井设计直到开采生产整个过程，还没有对水资源进行有意识的保护。

显然，传统疏水降压为主要治水措施的采煤方式存在的问题突出表现在两方面：①被动式的疏水降压不能够对宝贵的水资源进行主动式的有效保护。②传统式的疏水降压不能根本上消除矿井水灾害。造成这两方面问题的共同原因主要是由于以前人们对采动过程中岩层移动、引起水渗流和水流的裂隙场形成及演化规律、采动岩层水力学特性等的认识不够。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法，在煤矿开采过程中以保护煤系岩层中隔水关键层为核心，保护顶底板中的重要水资源，完成煤炭资源开采、保护水资源以及矿井水害防治三者的协调统一，实现保水开采和矿井水灾害的防治。

为达到上述目的，本发明采用一种利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法：

(1)进行水文地质勘探，获取地层相关水文地质资料；

(2)用力学分析和模拟的方法判别结构关键层；

(3)根据已有的采煤方法和工艺确定结构关键层是否破坏，选择最佳采煤方法和工艺参数；

a.所采段区的结构关键层不破坏的情况，在结构关键层的范围内实施正常开采；

b.所采段区的结构关键层有断层、陷落柱、裂隙带等天然缺陷的情况，先对断层、陷落柱、裂隙带等天然缺陷部位实施注浆封堵，使结构关键层完整后，再实施开采；

c.实施正常开采过程中人为造成结构关键层破断时，及时对结构关键层发生贯通性破断的位置实施注浆封堵，阻断含水层的水流向采煤工作面，或者调整采煤工艺参数和采煤方式。

本发明的有益效果是：利用矿井煤系层的结构关键层在岩层移动中的主导和控制作用，结合软弱岩层的阻水能力，利用结构关键层作为隔水层进行保水采煤，在实现水资源保护性开采的同时，可以防治矿井水灾害，达到煤炭资源开采、保护水资源以及矿井水害防治三者的协调统一；采用煤矿开采中积累的现有技术，如充填、注浆等，实现对结构关键层的可靠保护，根据具体矿区水文地质条件等因地制宜选择开采方式、开采工艺、支护设计等，保护隔水关键层，从而达到保水采煤的目的；既可以防治底板水害，也可以防治顶板水害，在该技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明顶板保水开采岩层结构示意图。

图2是本发明底板保水开采岩层结构示意图。

图1和图2中：1-开采煤层 2-关键层 3-含水层 4-陷落柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

依据公开出版文献《岩层控制的关键层理论》(ISBN7-81070-254-8/TD.27)中对关键层的定义：“在采场覆岩中存在的多个岩层中，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层为关键层。”本发明根据这一理论利用关键层作为隔水层的保水采煤方法如下：

实施例一、如图1所示，针对山西潞安矿区某煤矿进行开采，首先对具体矿井煤系岩层进行水文地质勘探，得出开采煤层1以上地层中的水资源主要由松散层水和地表水组成(见表1)。

用力学分析和模拟的方法判别结构关键层2。将表1中的相关岩层参数代入关键层理论判别式进行计算，

关键层理论判别结构关键层的刚度条件为：

q₁|_n+1＜q₁|_n

其计算式为： $q_1{|}_n=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3}---\left(3\right)$

$q_1{|}_{n+1}=\frac{E_1{h}_1^3(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i+q_{n+1})}{\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3}---\left(2\right)$

式中：q₁为关键层上的载荷，E₁为关键层的弹性模量，γ为岩层的比重，h为岩层的厚度。

关键层理论判别结构关键层的强度条件为：l_n+1＞l₁

$l_1=h_1\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}}{{5q}_1{|}_n}}---\left(3\right)$

$l_{n+1}=h_{n+1}\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cn}+1}}{{5q}_{n+1}{|}_{m-n}}}---\left(4\right)$

式中：l₁，l_n+1为关键层的初次冒落距，σ_c为岩石的抗压强度。

根据上述判别计算式得出表1中序号12、厚度为14m的中砂岩为结构关键层2，由于确定了该关键层2，试选用已有长壁工作面综合机械化放顶煤采煤方法，工作面长度180m，煤层1的采高6.5m。在该采煤方法和工艺条件下，开采中结构关键层2处于弯曲下沉带，不会破断，不会导通岩层上的潜水、风化裂隙水和地表水(含水层3)，可以进行安全开采。

实施例二、图2所示，针对江苏徐州某煤矿进行开采，先对具体矿井煤系岩层进行水文地质勘探，该矿区煤层1埋深350m，在开采煤层下方120m有厚度150m～250m奥陶系石灰岩层，裂隙发育，为主要含水层3，其上为厚度60m的石灰岩层，强度高，整体性好，根据关键层判别式经计算机编程判断得出该层为结构关键层2，判别计算步骤与实施例一同，省略。该采段区的结构关键层2存在陷落柱4，开采时会导致隔水关键层2严重破坏使得原有导水通道扩大，引起底板严重突水事故。因此先对陷落柱4部位按常规方法实施注浆封堵，使结构关键层2完整后，试选用已有长壁工作面综合机械化采煤方法，采高1.5m，工作面长度200m。在该采煤方法和工艺条件下，开采中结构关键层2处于弯曲变形带，不会破断，不会导通岩层下的含水层3，可以进行安全开采，

实施例三：如图1所示，针对新疆某煤矿井进行开采，先对具体矿井煤系岩层进行水文地质勘探，该矿区煤系地层为侏罗纪下侏罗统，总厚度为319m。该矿位于天山南麓，地表水系较发育，井田内冲积层薄，由中粗粒砂岩及砾石组成，中间无稳定的粘土隔水层，接受地表水补给的能力强。古地形起伏不平，松散层下发育有多条古冲沟，成为井田内地下水的主要径流通道。该井田水文地质条件较为复杂，地质特征既不同于我国东北矿井，也与西部神华矿区薄基岩厚松散层的水文地质不同。开采中不仅容易形成矿井突水等灾害，并且造成水资源的破坏，加剧本地区水土流失和土地沙化，会严重恶化生态环境。所采煤层埋深为150m，厚3.8m，煤层顶板由下向上依次覆存26m厚的粗砂岩、6.5m厚的粉细砂岩和17.84m厚的细砂岩，其上为66.37m厚的砂岩和30m厚的砂砾互层，煤层底板为4.9m厚的粉砂岩，属于浅埋煤层厚硬顶板。煤层顶板中有0.4m厚的薄层粘土岩，上覆岩层中无稳定的隔水层。该矿岩层参数见表2，含水层、隔水层见表3。

根据关键层判别式(同上，略)经计算机编程判断得出顶板中26m的粗砂岩为关键层2。如选择长壁综采方法进行开采，顶板关键层2会整体垮落，顶板关键层2垮落后隔水层将会完全破坏，不能起到隔水作用，工作面顶板冒落裂隙带将直接导通含水层3和地表水，水资源的破坏和突水事故难以避免。这时选用常规的短壁开采方法，确定采用工作面倾斜长度不超过60m，煤柱宽度不低于20m，进行走向短壁综采后退式采煤方法，开采中结构关键层2处于弯曲下沉带，不会破断，不会导通岩层上的含水层3，可以进行安全开采。

若在实施正常开采过程中人为造成结构关键层2破断时，应及时对结构关键层2发生贯通性破断的位置实施注浆封堵，阻断含水层3的水流向采煤工作面，或者调整采煤工艺参数和采煤方式，按调整后的工艺进行正常开采。

表1岩层参数

序号	岩石名称	厚度/m	埋深/m	弹性模量E/MPa	抗压强度σc/MPa	泊松比μ	密度ρ/kg·m3
								1	表土层	80	80	800	12	0.33	1800
2	中砂岩	18	98	35000	35	0.25	2360
								3	泥岩	10	108	30000	28	0.28	2180
4	中砂岩	6	114	35000	35	0.25	2360
								5	泥岩	18	132	30000	28	0.28	2180
6	砂岩	5	137	38000	40	0.25	2380
								7	泥岩	10	147	30000	28	0.28	2180
8	砂岩	6	153	38000	40	0.25	2380
								9	砂质泥岩	11	164	32000	30	0.26	2210
10	中砂岩	6	170	35000	35	0.25	2360
								11	砂质泥岩	5	175	32000	30	0.26	2210
12	中砂岩	14	189	35000	35	0.25	2360
								13	泥岩	9	198	30000	28	0.28	2180
14	中砂岩	12	210	35000	35	0.25	2360
								15	泥岩、砂质泥岩	13	223	31000	29	0.27	2200
16	砂岩、泥岩互层	11	234	31000	29	0.27	2200
								17	砂质泥岩	8	242	32000	30	0.26	2210
18	中砂岩	8	250	35000	35	0.25	2360
								19	泥岩、砂质泥岩	6	256	31000	29	0.27	2200
20	煤	7	263	5000	14	0.32	1600
								21	砂质泥岩	12	275	32000	30	0.26	2210
22	中砂岩	5	280	35000	35	0.25	2360
								23	砂岩	6	286	38000	40	0.25	2380

表3含水层及隔水层对照表

岩性	层厚/m	含水及隔水性
			砂砾石层	32	松散的冲洪积卵砾石层孔隙潜水(强含水层)
砂岩	66.37	标准砂岩裂隙承压潜水
			细砂岩	17.84	煤系砂岩裂隙层间承压水关键层
粉细砂岩	6.5
		粗砂岩	26
泥岩	0.4			隔水层
		煤下1	3.8
粉砂岩	4.9			煤系砂岩裂隙层间承压水
		煤下2	1.5
泥岩	0.2			隔水层
		粉细砂岩	10.1		煤系砂岩裂隙层间承压水

表2某煤矿岩层参数

岩性	层次	层厚/m	累厚/m	自重t/m3	硬度	弹模GPa	抗压强度/MPa	抗拉强度/MPa	摩擦角ρ	泊松比	孔隙率％	岩性描述
													砂砾石层	1	32	32	2		1～3	20～27		30	0.25	10	河床、干沟洪积砾石，冲积砾石，沙壤土、黄土状沙壤土，地表壤土
砂岩	2	66.37	98.37	2.2		5	22	1	35	0.25	16.36	主要为长石、石英，泥质胶层，呈角度不整合接触
													细砂岩	3	17.84	116.21	2.7			50	2	34.36		11.25	赋存不稳定
粉细砂岩	4	6.5	122.71	2.58	5	10	45	1.2	36.08	0.25	6.16	顶部灰色细砂岩，中部以细砂岩为主，下部深灰色粉砂，层面较多白云母碎片
													粗砂岩	5	26	148.71	2.28	5	8	41	1.55	29.15	0.3	13.18	灰色，局部含砾，泥质胶结，下部含有机质条纹及炭屑，整合接触
泥岩	6	0.4	149.11	2.6	3	4	20		25	0.3	10	泥质结构，块状构造，含植物化石
													煤下1	7	3.8	152.91	1.47	4	2.5	30		35	0.2	10	块状，以镜煤为主，块状，垂直裂隙发育
粉砂岩	8	4.9	157.81	2.51	4	10	45.8	2.1	32.13	0.2	6.01	块状，中部含细砂岩条带
													煤下2	9	1.5	159.31	1.47	4	2.5	30		35	0.2	10	块状，贝壳状断口
泥岩	10	0.2	159.51	2.5	3	10	46.8		25	0.25	10.5	泥质构造，块状结构
													粉细砂岩	11	10.1	169.61	2.65	5	3.4	54.8	2.56	32.73	0.25	10	顶部以粉砂岩为主，中部细砂互层泥质胶结

Claims (1)

1.一种利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法，其特征在于：

(1)进行水文地质勘探，获取地层相关水文地质资料；

(2)用力学分析和模拟的方法判别结构关键层；

(3)根据已有的采煤方法和工艺确定结构关键层是否破坏，选择最佳采煤方法和工艺参数；

a.所采段区的结构关键层不破坏的情况，在结构关键层的范围内实施正常开采；

b.所采段区的结构关键层有断层、陷落柱、裂隙带等天然缺陷的情况，先对断层、陷落柱、裂隙带等天然缺陷部位实施注浆封堵，使结构关键层完整后，再实施开采；

c.实施正常开采过程中人为造成结构关键层破断时，及时对结构关键层发生贯通性破断的位置实施注浆封堵，阻断含水层的水流向采煤工作面，或者调整采煤工艺参数和采煤方式。