（采礦工程專業(yè)論文）榆神府礦區(qū)長壁間歇式推進保水開采技術基礎研究.pdf

論文題目：榆神府礦區(qū)長壁間歇式推進保水開采技術基礎研究 專業(yè)：采礦工程 博士生：張杰。，( 簽名) 羔壘壟： 指導教師：侯忠杰 ( 簽名j i 礱蠹烴芻 摘要 榆神府淺埋煤層十多年來的研究和實踐表明，房柱式開采造成煤炭資源的巨大浪 費，綜合機械化開采引起地表潛水水位下降而使植被枯死，最終導致生態(tài)環(huán)境質量徹底 惡化。因此，要促進礦區(qū)的開發(fā)與區(qū)域經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展，實現(xiàn)綠色采礦技術，只有 保持地下潛水水位不降低。而采用一種既能實現(xiàn)礦區(qū)水資源保護，又能充分開采煤炭資 源的開采方法是實現(xiàn)保水采煤的關鍵性問題。本論文基于流固耦合作用和巖層控制的學 術思想，通過理論研究、相似材料模擬實驗、數(shù)值分析及現(xiàn)場工程類比和應用，系統(tǒng)研 究了淺埋煤層開采過程中水巖破壞的相互耦合作用、主關鍵層或組合關鍵層對巖層運動 和導水裂隙發(fā)展規(guī)律的影響、長壁間歇式推進的合理推進距離和煤柱的穩(wěn)定性等內(nèi)容， 提出了適合于中小型煤礦的長壁間歇式推進保水開采方法。 研制了以石蠟為膠凝劑的流固兩相相似模擬實驗材料，完善了流固耦合相似模擬實 驗平臺的應力、位移、滲流測試系統(tǒng)及測試技術。實驗材料的彈性力學參數(shù)與滲流力學 參數(shù)與原型相似，并具有良好的非親水性能，滿足兩相相似模擬實驗要求。該實驗材料 的研制和實驗技術的完善突破了傳統(tǒng)的單一固體相似模擬，為地下保水開采相似材料模 擬實驗取得了突破性進展，也為以后研究滲流場與應力場的耦合作用開辟了新的途徑。 通過不同地質條件下的流固耦合相似材料模擬實驗，提出了影響淺埋煤層長壁間歇 式推進保水開采的四個主要因素，即主關鍵層或組合關鍵層層位、煤層采高、極限破斷 距和潛水滲流特征。層位越高、極限破斷距越大，工作面的保水推進距離越大；煤層采 高越小，主關鍵層或組合關鍵層越容易進入彎曲下沉帶，進入彎曲下沉帶的條件是 k i i ；圍巖中潛水滲流活動越明顯，頂板流固耦合損傷越嚴重，隔水保護層越不穩(wěn)定。 建立了采場覆巖等效連續(xù)介質滲流場和應力場的流固耦合方程，分析了巖體位移場 和水頭變化之間的定量關系，即 r l 口l 萬乙= 孚脯；對原型條件下的巖石試件和采場 己w 覆巖破壞的流固耦合作用的數(shù)值模擬表明，有水作用下與無水作用下相比，試件的抗壓 項目資助：本文獲得國家自然科學基金項目( 5 0 0 7 0 4 2 3 ) 、教育部博士點基金項目( 2 0 0 5 0 7 0 4 0 0 3 ) 和西安科技大學 培育基金項目( 2 0 0 6 0 1 ) 資助 強度減小了1 2 ，采場覆巖整體垮落時工作面的推進距離減小了1 0 7 。 探討了地面厚松散層淺埋煤層中組合關鍵層的形成機理，以及覆巖的屬性和空間配 置對組合效應的影響；在考慮開采過程中流固耦合損傷積累的基礎上，提出了組合關鍵 ，一 ，、 層的流固耦合損傷變量因子妒，：竺絲粵呈掣，在考慮組合效應、流固耦合損傷 1 2 h 7 以及采高影響時，進行了組合關鍵層破斷距公式的修正；確定了長壁間歇式推進保水開 采工作面合理推進距離的計算公式。 分析了間歇隔離煤柱和臨時煤柱的穩(wěn)定性，提出了在2 m 采高沙土基型淺埋煤層中 采用間歇臨時煤柱保水開采的新思路?，F(xiàn)場工程類比和應用進一步證明了長壁間歇式推 進開采方法和參數(shù)的正確性。表明本論文研究的理論和結果與實際開采一致，取得了良 好的保水效果。 關鍵詞：淺埋煤層；組合關鍵層：流固耦合相似材料模擬；非親水性實驗材料；長 壁間歇式推進；保水采煤 研究類型：應用研究 s u b j e c t：b a s i cs t u d yt o nt e c h n o l o g yo fl o n gw a l lf a c ei n t e r m i s s i o n a d v a n c ep r o t e c t i o nw a t e rm i n i n gi ny u - s h e n - f um i n i n ga r e a s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n g j i e i n s t r u c t o r h o nz h o n g j i e a b s t r a c t ( s i g n a t l l r e ) 疊邊盈! 壘 ( s i g n a t u r e ) u p r a c t i c ea n dt h e o r ys t u d yi ns h a l l o ws e a i ni n d i c a t e ，t h er o o m - a n d - p i l l a rm i n i n gw i l l c a u s eg r e a tc o a lr e s o u r c e sw a s t e ，a n dt h e1 0 n gw a l lm i n i n gw i l lc , a u s et h el o s so fw a t e r r e s o u r l 3 e s ，t h er e s u l ti sv e g e t a t i o nw i t h e r e da n de n v i r o m e n t a lq u a l i t yc o m p l e t e l yd e t e r i o r a t e d b e c a u s et h ee a r t h ss u r f a c ew a t e rl e v e ld e c r e a s ei nl o o s es o i l s o ，i to n l y k e e pt h ew a t e rl e v e l i nl o s ss o i ln o tt od e c r e a s e ，i tc a np r o m o t e m i n i n ga r e ar e g i o n a le c o n o m yi n c r e a s es t e a d ya n d h e a l t h ya n dr e a l i z eg r e e nm i n i n ga n dr e a c ht h ep u r p o s eo fp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t t h e k e yp r o b l e mi st of i n daf l e wm i n i n gw a yw h i c hn o to n l yc a np r o m o t et h ec o a lr e s o u r c e s i i i l i 】1 9b u ta l s oc a nr e a l i z et h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n o nt h eb a s i so fl i q u i d - s o l i dc o u p l i n g a f f e c ta n du n d e r g r o u n dc o n t r o la c a d e m i ci d e a , t h r o u g ht h e o r ys t u d y , l i 叫d - s o l i dc o u p l i n g s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dt e s t i n ga n a l y s i s ，t h el i q u i d - s o l i d c o u p l i n ga f f e c ti ns h a l l o ws e a n lm i n i n gc o v e r e dw i t h1 1 1 i c ks a n dl a y e r sa n dw a t e ri ss t u d i e d t h el a wo ff r a c t u r ed e v e l o p m e n tw h i c hi n f l u e n c e db yt h ek e ys t r a t u mo rc o m b i n a t o r i a lk e y s t r a t u ml o c a t i o ni sr e s e a r c h e d t h er e a s o n a b l ef a c ea d v a n c ed i s t a n c eo fl o n gw a l lf a c e i n t e r m i s s i o na d v a n c em i n i n ga n dt h ep i l l a rs t e a d yi sa n a l y z e d t h er e a s o n a b l ep r o t e c t i o n w a t e r m i n i n gw a y i sp u tf o r w a r df o rt h em i d d l ea n ds m a l lm i n e t h el i q u i d - s o l i d - c o u p l i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tm a t e r i a l sh a sb e e nr e s e a r c h e d , p a r a f f i n w a xi su s e da sc o n d e n s em a t e r i a l t h es t r e s st e s t i n gs y s t e m ，d i s p l a c e m e n tt e s t i n gs y s t e m , i n t e r s t i t i a lf l o wt e s t i n gs y s t e ma n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n th a v eb e e nf i n i s h e d t h i s m a t e r i a lh a sn o n - h y d r o p h i l i ca b i l i t yi nw a t e ra n di t sm e c h a n i c sd i s t o r t i o np e r f o r m a n c ei s s t a b l e ，s oi tc a nm e e tt h er e q u e s to fl i q u i d s o l i dc o u p l i n ge x p e r i m e n tc o m p l e t e l y t h es u c c e s s o ft h i se x p e r i m e n th a sm a d eab r e a k t h r o u g ha ts i n g l es o l i ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dm a d ea f u n di t e m ：t h i sa r t i c l es p o n s o r e db yn a t u r a ls c i e n c ee d u c a t i o nf u n do f c o u n t r y ( 5 0 0 7 0 4 2 3 ) ，印伽s o r c db yd o c t o r e d u c a t i o nb r a n c ho f l e a r n i n gf u n do f m i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( 2 0 0 5 0 7 0 4 0 0 3 ) ，a n ds p o n s o r e db yc u l t i v a t ef u n do f x i a l l u n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g y ( 2 0 0 6 0 1 ) g r e a tp r o g r e s sa tp r o t e c t i o nw a t e rm i n i n gs t u d yb ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，i ta l s of u n da n b m d v w a y t os t u d yt h ec o u p l i n go fs e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l d t h r o u g hd i f f e r e n tl i q u i d - s o l i d c o u p l i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h em a i nf o u rf a c t o r s a f f e c tl o n gw a l lf a c ei n t e r m i s s i o na d v a n c ep r o t e c t i o nw a t e rm i n i n gi sb r o u g h tf o r w a r d t h e y a r ek e ys t r a t u mo rc o m b i n a t o r i a lk e ys t r a t u ml o c a t i o n ，t h eh e i g h to fm i n i n gc o a l ，t h eb r o k e n a n dl i m i ts t r i d e 幣fk e ys t r a t u mo rc o m b i n a t o r i a lk e ys t r a t u ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r s e e p a g e i ft h ek e ys t r a t u mo rc o m b i n a t o r i a lk e y s t r a t u ml o c a t i o ni sh i g h e ro rt h el i m i ts t r i d e i sb i g g e r , t h ei n t e r m i s s i o nm i n i n gf a c ea d v a n c ed i s t a n c ei sb i g g e r i ft h eh e i g h to fm i n i n gc o a l i ss m a l l e r , t h ek e ys t r a t u mo rc o m b i n a t o r i a lk e ys t r a t u mr e a c h i n gc r o o k e db e l ti se a s i e r , a n d t h ec o n d i t i o nr e a c h i n gc r o o k e db e l ti s t 2 1 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rs e e p a g ea r em o r e o b v i o u s ，t h ed a m a g eo fm a i nr o o fi sm o r es e r i o u sa n dt h er o c ko fp r o t e c t i o nw a t e ri sm o r e u n s t e a d y t h ee q u a t i o no f t h ec o u p l i n go fs e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l di ss e tu pi nt h er o c kq u a l i t y t h ed i s p l a e e m e n t e n ea n dw a t e rh e a dq u a n t i t a t i v er e l a t i o ni s 仁淞拾艿l = 芋凹t h e 厶w r o c km o l da n dm i n i n ge n g i n e e r i n ga r ca n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i nt h er o c km o l dt h e a f f e c to fw a t e rs e e p a g ef i e l di s1 2 ，i nt h em i n i n ge n g i n e e r i n gt h ea f f e c to fw a t e rs e e p a g ei s 1 0 7 t h ef o r mm e c h a n i s mo fc o m b i n a t o r i a lk e ys t r a t u mi ss t u d i e di ns h a l l o ws e a mm i n i n g c o v e r e d 、衍m1 h i c kl o s sl a y e r ；i ti sa f f e c t e db yt h ep r o p e r t yo f r o c ka n di t ss p a c el o c a t i o n o n t h eb a s i so ft h i n k i n gc o m b i n a t o r i a la n dl i q u i d - s o l i d - c o u p l i n gf a c t o r s ，t h ev a r i a b l ed a m a g e t o ro fl i q u i d - s o l i d - c o u p h n gi sp u t 姍礬，喊c h 堿= 一r l n q l z ( 2 n 2 2 萬+ 3 n + 1 ) 弧刪a o fc a l c u l a t i n gt h el i m i ts t r i d eo fc o m b i n a t o r i a lk e ys t r a t u mi sd r a w na c c o r d i n gt ot h i n k i n go f c o m b i n a t o r i a lf a c t o r , l i q u i d s o l i dc o u p l i n gf a c t o ra n dm i n i n gh e i g h t t h ef o r m u l ao f c a l c u l a t i n gr e a s o n a b l ef a c ea d v a n c ed i s t a n c e i nl o n gw a l lf a c ei n t e r m i s s i o na d v a n c e p r o t e c t i o nw a t e rm i n i n gi sp u to u t t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p c r i r n c n ta n dt h e o r ys t u d y , t h ep i l l a rs t e a d y i sa n a l y z e d i tm a yu s e t e m p o r a r yp i h a rt o 蠡1 1g o bw h e nt h em i n i n gh e i g h ti ss m a l l e rt h a n2 mi ne n g i n e e r i n gg e o l o g y c o n d i t i o nw i t c hi sc o v e r e dw i t hs a n da n ds o i l t h ef i e l dm i n i n gp r o v e dt h el o n gw a l lf a c e i n t e r m i s s i o na d v a n c ep r o t e c t i o nw a t e rm i n i n gp a r a m e t e rf r o mt h i sp a p e ri sc o r r e c ta n dt h e m i n i n gw a y c a l lr e a l i z ep r o t e c t i o nw a t e r m i n i n g k e yw o r d s ：s h a l l o w s ：a n l l i q u i d - s o l i dc o u p l i n g s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t n o n - h y d r o p h i l i cc o m p o s i t em a t e r i a l sl o n gw a l l f a c ei n t e r m i s s i o na d v a n c em i n i n g p r o t e c t i o nw a t e rm i n i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 主要符號索引表 主要符號索引表 c ，tq ，c f ，g ，c j - - j l 何、應力、慣性、滲透系數(shù)、貯水率相似常數(shù)： 口，羅一水、巖體的壓縮系數(shù)； 墨為水頭邊界，是為流量邊界； r ， 瓴) 一滲流等效結點力，滲流等效結點力增量( 1 【n ) ； 盯；，仃莎有效應力，總有效應力( 1 【n ) ； n ，q ，k ，s 孔隙率，空間滲流域，滲透系數(shù)，貯水率； 霉，q ：一老頂巖梁、組合關鍵層載荷( 翻) ； e ，e ，煤巖彈性模量、組合關鍵層彈性模量( m p a ) ； 緲，7 7 ，一組合效應系數(shù)，流固耦合系數(shù)，耦合損傷變量因子； 仃，組合巖梁抗拉強度( m p a ) ； k ，t 基巖厚與采高之比，關鍵層層位高與采高之比； h ，m ，一老項層厚，采高，自由空問高度( m ) ； k ，組合關鍵層直接頂碎脹系數(shù)； 矽，p ，巖塊間的摩擦角，破斷面與垂直面的夾角( 。) ； 元，以蒡落巖層的前、后方斷裂角( 。) ； e ，e ，三? 一組合關鍵層組合效應、流固耦合損傷、采高影響時的極限跨距( m ) ； 上：，組合關鍵層斷裂時的工作面推進長度( m ) ； l 一間歇保水工作面的合理推進長度( m ) ； 萬一塑性約束系數(shù)； f 一三軸應力系數(shù)： 吼一煤單軸抗壓強度( m p a ) ； ，一煤柱安全因子； 仃p 一煤柱抗壓強度( m p a ) ；s p 一煤柱載荷( 1 【n ) ：w 一煤柱寬度( m ) ； p 一煤柱核區(qū)率； ， y 。一煤柱屈服區(qū)寬度( m ) 。 1 緒論 1 1 論文研究的背景 1 緒論 1 1 1 水資源破壞導致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化 榆神府礦區(qū)地處毛烏素沙漠南緣，該地區(qū)煤炭儲量豐富，僅神府煤田探明儲量就達 1 3 3 9 多億t ，為世界七大煤田之一【l 】o 自2 0 世紀8 0 年代以來，國家對榆神府礦區(qū)進行 了大規(guī)模的投資開發(fā)。目前已有數(shù)對特大型礦井生產(chǎn)，其中大柳塔等礦年產(chǎn)量已超過 2 0 0 0 萬訛，另外，還有近4 0 0 多對中小型礦井和地方小煤礦開采，中小型煤礦的生產(chǎn) 占有重要地位。 而該礦區(qū)的煤層埋藏淺，埋深一般在l o o m 左右，煤層上覆基巖薄，煤層開采沉陷 會直至地表，這不僅導致水資源流失，而且造成地表風積沙流動，耕地、草場風蝕沙化 或為流沙所侵占，導致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，土地生產(chǎn)潛力下降，最終造成可利用土地資源 喪失。由于水資源的破壞造成大量水土流失，土地荒漠化加劇，嚴重地影響了陜 北的經(jīng)濟發(fā)展和人民生洲2 1 。2 0 0 4 年4 月新華網(wǎng)發(fā)出“破壞生態(tài)克扣補償，產(chǎn)煤大縣部 分農(nóng)民變?nèi)裏o”、“煤挖走了、水流干了，讓我們怎么活? ”等新聞報道。原來四季 有水灌溉農(nóng)田的雞溝河完全干涸，河床干裂。煤炭開發(fā)造成水源滲漏，使原來家家有井 的李家畔村村民去距離村3 公里外的水溝拉水吃。 圖1 2 原有井的村民去外地拉水 生態(tài)環(huán)境是礦區(qū)開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，一方面，隨著礦區(qū)資源的開發(fā)， 礦區(qū)水土流失嚴重，使每年新增入黃河泥沙達2 0 1 9 1 0 4 t 【3 1 。另一方面，礦井開采破壞 立即波及基巖面和地表，導致地下潛水水位大幅度下降，植物枯死、農(nóng)作物旱死、荒漠 化面積擴展，生態(tài)環(huán)境進一步惡化【4 1 。 如神府礦區(qū)大柳塔煤礦1 2 0 3 工作面，采深4 0 - - 一6 0 m ，來壓時項板臺階下沉直通地 西安科技大學博士學位論文 表，使松散層下的豐富潛水直瀉工作面，最大涌水量達5 0 0 m 3 h ，不僅淹沒工作面，影 響生產(chǎn)，而且導致靠近地表的寶貴水資源流失。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，這種粗放 式開采必將使生態(tài)環(huán)境問題更加突出，反過來也必將嚴重制約其經(jīng)濟發(fā)展。 又如我國的產(chǎn)煤大省山西，在過去的5 0 多年里，由于煤炭開采每年破壞地下水4 2 億m 3 ，導致地表水徑流減少或斷流，井水水位下降或干涸的3 2 1 8 個，影響水利工程4 3 3 處、水庫4 0 座、輸水管道7 9 3 8 9 0 m ，造成1 6 7 8 個村莊、8 1 3 萬人、1 0 8 萬頭牲畜飲水 困難。這使本來就缺水的山西生態(tài)環(huán)境受到進一步的破壞【5 】。 現(xiàn)場調研表明，潛水水位接近地表或溢出地表時，不僅可以促進植物的生長，而且 由于土的含水量較大，風既難以吹起沙層，水土流失也難以出現(xiàn)，環(huán)境質量比較好；當 潛水位降低到草本植物仍能直接或間接吸收的位置時，該區(qū)域就能生長出大量草本植物 及灌、喬木植物，于是水土流失、沙漠化也不易發(fā)生，且環(huán)境質量往往也較好；當潛水 水位繼續(xù)降低，以致部分草本植物因缺水而逐漸死亡，但耐旱耐酷熱的草本植物仍能殘 存，而對根系較為發(fā)達的灌木也沒有大的影響；當水位持續(xù)下降，即使灌木也難以幸免， 而連喬木植物也會死亡，此時即使仍有未死掉的殘艾野草，也抵擋不住風沙侵襲，因而 最終導致生態(tài)環(huán)境質量的徹底惡化【6 】。所以，保持水環(huán)境不變，即保持地下潛水水位不 降低，才能真正達到保護環(huán)境的目的。 1 1 2 滲流場影響巖體工程的穩(wěn)定 工程巖體的出現(xiàn)形成了人工干擾的地下水滲流場，從而改變了地下水對巖體的力學 作用強度、范圍以及形式，最終影響巖體的穩(wěn)定性【7 】。在我國的煤礦開采中，據(jù)統(tǒng)計大 約有6 0 的煤礦不同程度地受到水的影響，受水災害的面積和嚴重程度均居世界各主要 產(chǎn)煤國首位【8 9 1 。1 9 8 4 年6 月2 日，唐山范各莊礦發(fā)生了世界罕見的礦井大突水事故， 其涌水量達2 0 5 3 m 3 m i n ，1 1 個小時礦井一、二水平全淹。2 0 0 1 年廣西南丹發(fā)生“7 1 7 特大淹井事故，拉甲坡礦對存在透水隱患的工作面不采取防范措施，使位于下方的恒源 礦受淹老塘與上部的3 號工作面之間0 3 至0 4 m 厚的隔水巖體產(chǎn)生脆性破壞，積水在強 大水壓作用下，擊穿隔水巖體，形成一個長徑3 m 、短徑1 2 m 的橢圓型透水口，先后使 拉甲坡礦3 個工作面、龍山礦2 個工作面、田角鋅礦1 個工作面被淹，造成8 1 人遇難。 2 0 0 5 年廣東興寧市大興煤礦的“8 7 打特別重大透水事故，使被困礦工1 2 3 人全部遇難， 井下原有巷道和設備遭到破壞，造成慘重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。這些礦井突水大多是 由于人工開挖產(chǎn)生的地下水滲流場和巖體應力場的重新分布，最終引起礦井突水。 在神府煤田開發(fā)過程中，也曾經(jīng)發(fā)生過幾次涌水潰沙災害【6 】。如磁窯灣煤礦是一個 4 5 萬訛的地方國營煤礦，涌水潰沙淹井給礦井造成了巨大損失；大柳塔1 2 0 3 工作面推 進到距開切眼煤壁2 7 6 m 時，工作面中部頂板沿煤壁切落，工作面臺階下沉一直發(fā)展到 地表，沙層下的潛水沿頂板斷裂裂隙涌入工作面將采煤機淹沒，軌道和機尾處水深達 2 1 緒論 ji 。 tli 葺暑；昌；宣皇暑宣；宣宣| 昌宣昌i 置昌暑；暑宣宣宣昌宣 1 0 m 。還有2 0 0 4 年3 月榆陽區(qū)上河煤礦發(fā)生的冒頂突水事故，最大涌水量達5 0 0 m 3 h ， 共涌出水量4 6x1 0 5 m 3 ，幾乎淹沒了整個礦井，直接經(jīng)濟損失2 6 0 余萬元，并使得煤層 頂部3 0 m 處寶貴的承壓裂隙潛水( 優(yōu)質礦泉水) 遭到了巨大破壞。 另外，流固耦合破壞作用在水利、水電及其它地下工程中也常常存在，如1 9 5 9 年 法國6 6 5 m 高的馬爾帕賽拱壩在初次蓄水時潰決【1 1 1 。意大利瓦依昂拱壩壩高2 6 5 m ，在 水庫水位上升到7 0 0 m 高程時，左岸距大壩1 8 k m 處，發(fā)生約2 5 1 0 8 m 3 的大型滑坡， 引起水庫涌浪超越壩頂，致使下游一村莊被毀，2 5 0 0 人喪生【12 1 。在其它地下工程中， 如特考雷特隧道，它是從一個供水水庫向圣巴巴拉城區(qū)送水的輸水道f 1 3 1 ，施工中發(fā)生突 水事故，阻礙施工1 6 個月之久。還有加里弗尼亞班寧附近的圣杰星托隧道【1 4 1 ，它是科 羅拉多河輸水道的一部分，當隧道從中心豎井向兩側開挖僅5 0 m 時發(fā)生突水，最后造成 在中心豎井內(nèi)水深達2 5 0 m 的淹井事故。 1 2 論文研究目的和意義 長期以來，煤炭開采都將水視為災害來治理，對其實行“疏排堵截 為主的治理思 想。在煤炭開采過程中，不論是因為人為的疏干排水，還是因為采動導水裂隙對含水層 的自然疏干，都會不同程度地影響或破壞含水層，造成地下水資源的極大浪費。而水是 生命之源，水資源是礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關鍵，有足夠的水資源，才能促進礦區(qū)的開發(fā) 與區(qū)域經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人與自然和諧相處【1 5 1 。本論文主要是通過淺埋煤層開采過程中 水巖破壞的相互耦合作用研究，探討煤層上覆巖層的運動破壞以及裂隙發(fā)育規(guī)律，提出 適合于淺埋煤層的各種可行的保水開采方法和開采參數(shù)，實現(xiàn)神府礦區(qū)中小型煤礦既達 到保護水資源，又能充分開采煤炭資源的目的。因此，無論從自然環(huán)境和資源開發(fā)協(xié)調 發(fā)展的角度出發(fā)，還是解決礦山企業(yè)自身發(fā)展的生產(chǎn)和生活用水問題，深入研究采煤過 程中水資源保護相關理論和流固耦合應用的基礎問題是十分必要和迫切的，是綠色采礦 技術的重要內(nèi)容之一。 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 1 3 1 淺埋煤層礦壓規(guī)律研究 國外較為典型的是莫斯科近郊煤田和美國阿巴拉契亞煤田，印度和澳大利亞也在進 行淺埋煤層開采，并對埋深在l o o m 以上的煤層開采沉陷規(guī)律進行了長期卓有成效地研 究，已有大量用于采礦的預計沉陷規(guī)律的方法和軟件，而對l o o m 以內(nèi)的淺埋煤層因其 地表為不連續(xù)運動而研究甚少。對于淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究最早的是前蘇聯(lián)的m 秦巴列維奇，它根據(jù)莫斯科近郊淺埋深條件提出了臺階下沉假說，認為當煤層埋藏較淺 時，隨工作面推進，頂板將呈斜方六面體沿著向煤壁的斜面而跨、垮落直至地表，支架 3 西安科技大學博士學位論文 置暑| 宣| 宣i 置一r i mm 罱i ；宣i 暑宣i 暑；宣i 宣宣暑置置萱葺宣罱暑宣暑寫墨皇嗣譬宣皇宣宣宣宣宣i ；i ； 上所受的力應考慮整個上覆巖層中載荷的作用。 8 0 年代初，澳大利亞b 霍勃爾依特博士等對新南威爾士安谷斯坡來斯煤礦淺部 長壁開采的一些礦壓現(xiàn)象進行了實測【1 6 1 。該煤層賦存平緩，采高約2 6m ，初期煤層開 采深度約7 2m ，工作面長1 3 5m ，老頂初次跨落步距為l o m ，隨工作面推進，沿工作面 和采空區(qū)邊緣的頂板巖層幾乎是垂直斷裂，巖層破斷角為7 6 。 - - 9 0 。，地表最大下沉量 為采高的6 0 ，最大下沉量的8 5 發(fā)生于距工作面4 0 m 范圍內(nèi)。說明采空區(qū)迅速壓實， 煤壁附近頂板巖層迅速發(fā)生整體移動。觀測發(fā)現(xiàn)支架有動載現(xiàn)象，安全閥經(jīng)常開啟。頂 板破斷期間支架以很快的速度達到額定工作阻力，但在3 - 7 天內(nèi)又重新減小，支架后 柱載荷一般大于前柱，在非生產(chǎn)期間前后柱載荷趨于相等。 印度辛格南尼煤炭公司從中國煤礦工程機械裝備集團進口公司購置2 套綜采成套設 備后，我國專家趙宏珠教授級高工對印度淺埋煤層長壁開采礦壓規(guī)律展開了研究【l7 1 。p v 煤礦采深6 5 m ，煤層傾角5 7 。，采高3 m ，頂板基巖約為4 0 m 砂巖層，表土層厚3 m 左右。實測表明：工作面煤項、直接頂和老頂由下向上離層，沿工作面長度方向，分段 斷裂和跨落，來壓顯現(xiàn)為煤壁前方頂?shù)装逡平俣仍龃?，地表緩慢下沉并周期性地產(chǎn)生 裂縫。大周期來壓步距與地表裂縫間距一致。雖然支架額定工作阻力較高，但工作面礦 壓顯現(xiàn)劇烈，他根據(jù)支架與圍巖相互作用原理和p v 礦具體條件，并建立了液壓支架受 載力學模型。 對于神府礦區(qū)厚松散層淺埋煤層頂板巖層控制和涌水潰沙災害的研究，我院老師進 行得最早，也最為全面、系統(tǒng)，并且一直不斷在提高、深化。早在1 9 9 0 年，西安礦業(yè) 學院礦壓研究所的侯忠杰教授對精煤神府公司大柳塔煤礦c 2 0 2 試采工作面進行了實測 【1 8 】。實測表明，工作面周期來壓明顯，活動劇烈，支柱動載系數(shù)2 3 4 3 ，有明顯的臺 階下沉現(xiàn)象，臺階下沉量達3 5 0 - - 6 0 0 m m ，通過觀測表明淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)并不緩 和。此后又對大柳塔煤礦第一個綜采工作面1 2 0 3 進行了采前模擬，認為采高3 m 和4 m 時煤壁的貫通斷裂隙在基巖下部閉合，工作面被潰沙埋沒的可能性較小，從而將開采高 度由原來的2 8 m 提高到4 o m ，為現(xiàn)場帶來了數(shù)千萬元的經(jīng)濟效益。通過對1 2 0 3 工作 面礦壓觀測發(fā)現(xiàn)，工作面初次來壓頂板出現(xiàn)自工作面到地表沿煤壁的全厚度切落，周期 來壓頂板同樣為覆巖全厚整體切落，但頂板破斷線在支架后方，煤壁處未有明顯切落【1 9 1 。 通過一系列有關神府礦區(qū)薄基巖富水厚沙層防治采動涌水潰沙研究的基礎上，總結提出 了組合關鍵層等理論和觀點 2 0 - z 4 。 黃慶享教授所著的淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究一書，建立了以 頂板結構及其穩(wěn)定性為核心的淺埋煤層頂板控制理論框架，揭示了淺埋煤層采場礦壓顯 現(xiàn)規(guī)律，指出淺埋煤層采場支架處于“給定失穩(wěn)載荷 狀態(tài)，在頂板載荷確定中引入載 荷傳遞因子，按支架與圍巖共同承載的觀點給出了采場支護阻力確定的基本思路跚。同 時通過大量的實驗和理論研究，得出了淺埋煤層厚沙土層的破壞規(guī)律，并通過對動態(tài)載 4 1 緒論 荷智能采集系統(tǒng)的開發(fā)應用，獲得了厚沙土層動態(tài)載荷的一些有益的特征和數(shù)據(jù)，迸一 步對淺埋煤層厚沙土層動態(tài)載荷傳遞機理以及載荷傳遞因子進行了研究，并最終對載荷 傳遞因子進行了確定刪。此后，西安科技大學陜西省巖層控制重點實驗室又將開采引 起的水土流失問題作為長遠研究方向，石平五和黃慶享教授為開展此類研究研制了“固 液耦合模擬實驗裝置，為此后的研究提供了實驗基礎n 2 。 1 3 2 淺埋煤層保水開采研究 美國、澳大利亞等發(fā)達國家均有淺埋煤層，特別是美國淺埋煤層儲量極為豐富，他 們對開采沉陷破壞規(guī)律進行了長期卓有成效地研究，已擁有大量預計采動損害的方法和 計算軟件，能夠指導開采參數(shù)的正確選擇。但是由于美國井工開采以房柱采煤方法為主， 同時美國有完善的礦業(yè)開采與環(huán)境保護的相關法規(guī)，因而基本實現(xiàn)了開采與環(huán)保的良性 循環(huán)，沒有專門針對保水開采的成果。 國內(nèi)在7 0 年代以前，煤炭資源開采的重點多集中在開采技術條件較好地區(qū)，因此， 對導水裂隙帶高度的研究基本上處于認識性階段：這些都主要是從巖層移動造成的地質 災害出發(fā)，定性分析煤巖層的地質環(huán)境條件，進而利用類比法對導水裂隙帶高度進行初 步預計。 7 0 年代至8 0 年代，為適應水體下采煤技術的迫切需要，開展了大量的裂隙帶現(xiàn)場 觀測和試驗性研究工作( 相似材料模擬技術) ，許多礦區(qū)裂隙帶現(xiàn)場觀測資料和試驗性研 究的基礎上，結合煤層的采出厚度、巖體的強度類型等，總結出不同覆巖類型條件下， 煤層采出厚度與冒落帶高度、裂隙帶高度的相關關系式，并以此來指導實際生產(chǎn)。該階 段主要以覆巖體工程地質環(huán)境和巖體力學環(huán)境為主要研究內(nèi)容，以導水裂隙帶高度與巖 體強度類型之間的關系為研究重點。如劉天泉等對水平煤層、緩傾斜煤層、急傾斜煤層 開采引起的覆巖破壞與地表移動規(guī)律作了深入的研究f 3 l 】，提出了導水裂隙帶概念，建立 了垮落帶與導水裂隙帶計算公式，為提高煤層開采上限，減少煤炭資源損失作出了很大 貢獻。李增琪應用積分變換法推導出層狀巖層移動的解析解1 3 2 1 。楊倫、于廣明的巖層二 次壓縮理論1 3 引，將地表沉陷與巖層的物理力學性質聯(lián)系起來。張玉卓應用邊界元法研究 了斷層影響下地表移動規(guī)律及提出了巖層移動的錯位理論陰】。 9 0 年代至今，我國開展了許多水體下采煤的專題研究，取得了不少突破性進展，開 始引入現(xiàn)代統(tǒng)計數(shù)學、損傷力學、斷裂力學、彈塑性力學、流變力學等理論和現(xiàn)代測試 技術及計算機技術。對地質構造、地層巖性、水文地質特征、巖體結構等地質條件、覆 巖移動變形有關的原巖應力場等進行了研究。對裂隙帶的演變過程、形成機制和預測方 法進行了研究，主要成果有： 鄧喀中提出了開采沉陷的結構效應 3 5 】。吳立新、王金莊建立了條帶開采覆巖破壞的 托板理論【3 6 】。楊碩建立了開采沉陷的力學模式f 3 7 】。麻風海應用離散元法研究了巖層移動 5 西安科技大學博士學位論文 的時空過程【3 引。趙經(jīng)徹等應用內(nèi)外應力場理論對分層開采、網(wǎng)下綜放、全厚綜放三種不 同開采條件下冒落巖層厚度、導水裂隙高度、地表沉陷特征以及支承壓力大小及分布特 點進行分析和探討，建立了相應的計算模型1 3 9 1 。崔希民、陳至達利用平均整旋角概念和 裂紋產(chǎn)生與擴張的幾何準則，獲得了確定水下采煤導水裂隙帶高度的方法m 】。 梁運培、文光才通過綜合運用組合巖梁理論、頂板巖層破斷裂隙計算以及有限元數(shù) 值分析，對頂板巖層“三帶進行了定量劃分1 4 l 】。張永波等利用相似材料模擬實驗模擬 采動巖體裂隙的形成過程和分布狀態(tài)，運用分形幾何理論研究采空區(qū)冒落帶、裂隙帶和 彎沉帶巖體裂隙分布的分形規(guī)律【4 2 】。涂敏等通過對厚松散層及超薄覆巖的含、隔水層及 基巖風氧化帶工程巖組性質的分析，采用相似模擬試驗與數(shù)值模擬等手段研究不同采放 比條件下覆巖最大冒高和有效導水高度【4 3 1 。 董青紅等以兗州市楊莊礦為例，在厚松散層下近風化帶采用留設煤柱來進行保水 開采。建立了g i s 數(shù)據(jù)庫和圖形庫，通過g i s 多因素擬合建立了近風化帶覆巖采動破壞 “兩帶”高度的預計模型，提出了考慮保護層的開采上限g i s 決策模式，用于保水條件 下的安全煤柱留設設計腳】。楊本水等對兩淮新區(qū)的百善煤礦進行了礦區(qū)水文地質和上覆 巖層巖石力學、水理性質以及“兩帶 高度試驗。研究成果取得了將垂高5 0 m 的防水煤 柱縮小到1 2 - - - 2 0 m 防砂、防塌煤柱的技術突破，安全地多采煤6 0 0 多萬t ，經(jīng)濟效益顯 著 4 5 】。在開采區(qū)覆巖的裂隙研究中，于廣明、謝和平應用分形研究了采空區(qū)覆巖裂隙分 布的分形規(guī)律l 。魏余廣等為解決民勤縣水資源危機問題，提出了開發(fā)利用民勤盆地東 部騰格里沙漠邊緣地帶地下水“開源保綠洲 方案【4 7 】。 對于陜北神府礦區(qū)淺埋煤層的開采國內(nèi)也取得了大量的成果，魏秉亮認為解決涌水 潰沙這一地質災害目前最為有效的措施是采前疏排基巖頂部直接充水含水層中的潛水， 使沙失去水載體而無法進入礦井【6 】。葉貴鈞、李文平等對榆神府礦區(qū)保水采煤及地質 環(huán)境綜合研究，論證了保水采煤的可能性，估算了地表水可利用資源量，并對地質環(huán)境 質量現(xiàn)狀及其采動后的影響進行了評價與預測【4 】。王經(jīng)明對毛烏素沙漠東緣沙土下采 煤的環(huán)境地質效應進行分析【4 8 】，認為采礦造成的地下水位下降是使該地區(qū)土地沙化的 根本原因。指出了改革采煤方案，改變水文地質邊界條件，控制降落漏斗擴展，排灌結 合的環(huán)保采煤方案。范立民對于榆神礦區(qū)資源富存特征及保水采煤問題進行了探討【4 9 1 。 李文平，段中會等從環(huán)境工程地質學角度出發(fā)采用g i s 方法，在模擬采動后各地區(qū)“三 帶”高度、地面沉降值等研究基礎上，對水位和水量進行了預測和量化分析，見圖1 3 和1 4 所示【5 0 1 。 石平五、侯忠杰教授在1 9 9 6 年提出過采高對上覆三趾馬亞粘土層破壞形式的影響， 為保水開采提供了新思路【5 1 1 。進入本世紀以來，作者跟隨導師侯忠杰教授開始進行陜北 礦區(qū)荒漠化防治的研究工作，研究關鍵隔水層保水機理。在“陜北礦區(qū)荒漠化防治研究 及示范”中提出淺埋煤層限高、限域和長壁間歇式推進保水開采方案【5 2 - 5 7 1 。 6 1 緒論 圖1 3開采前后潛水水位埋深【5 0 1 圖1 4開采前后潛水水量【5 0 】 近年來，為了解決巖層控制中更為廣泛的問題，錢鳴高院士提出了巖層控制的關鍵 層理論。關鍵層理論提出的目的之一是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節(jié)理 裂隙的分布與突水防治以及對開采沉陷控制等的影響。關鍵層理論為綠色開采的研究提 供了理論平臺，煤層開采后，隨著關鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗， 地下水位能否恢復，決定于隨著工作面的推進，上覆巖層中是否有軟弱巖層( 事實上它 是研究地下水滲漏的“關鍵層 ) 經(jīng)重新壓實導致裂隙閉合而形成新的隔水層，即研究 開采后地表水暫時形成下降漏斗仍能恢復到原來狀態(tài)的開采技術【5 8 】。 從以上研究可以看出：國內(nèi)外對淺埋煤層頂板結構、災害機理及控制進行了深入、 細致地研究。但是，對厚松散層富含水的淺埋煤層保水開采研究甚少，國外基本上沒有 專門針對保水開采的成果。我國水體下開采主要以覆巖的“三帶”理論為基礎，但其出 發(fā)點是如何安全地采出礦產(chǎn)資源，而不是對水資源的保護，因此所采用的“三帶 計