澄合礦區(qū)承壓水體上安全采煤關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

• 內(nèi)容提要

• 著者名單

• 目次

• 1 緒論

• 1.1 研究背景及意義

• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

• 1.3 總體思路

• 1.4 完成的主要研究工作

• 2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

• 2.1 地質(zhì)條件

• 2.2 水文地質(zhì)條件

• 3 承壓水體上采煤底板破壞演化規(guī)律研究

• 3.1 煤層底板突水影響因素

• 3.2 澄合礦區(qū)典型工作面的確定

• 3.3 煤層底板破壞演化規(guī)律理論分析

• 3.4 煤層底板破壞演化規(guī)律數(shù)值模擬

• 3.5 煤層底板破壞演化規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

• 3.6 澄合礦區(qū)煤層底板破壞演化規(guī)律綜合分析

• 4 煤層底板地質(zhì)條件探查技術(shù)及工程實(shí)踐

• 4.1 煤層底板地質(zhì)條件探查技術(shù)與原理

• 4.2 澄合礦區(qū)煤層底板地質(zhì)條件探查方法適用性

• 4.3 澄合礦區(qū)煤層底板地質(zhì)條件探查工程實(shí)踐

• 4.4 澄合礦區(qū)煤層底板地質(zhì)條件探查效果檢查

• 5 承壓水體上采煤的底板注漿加固改造技術(shù)

• 5.1 煤層底板注漿改造技術(shù)原理

• 5.2 煤層底板注漿材料配比試驗(yàn)

• 5.3 煤層底板注漿層位選擇

• 5.4 煤層底板注漿工藝

• 6 承壓水體上采煤地面注漿站的建立與注漿系統(tǒng)的應(yīng)用

• 6.1 地面注漿站構(gòu)成

• 6.2 注漿系統(tǒng)應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

• 7 結(jié)論

• 7.1 主要結(jié)論

• 7.2 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益

• 7.3 推廣應(yīng)用

本書針對(duì)澄合礦區(qū)承壓水體上安全采煤的水害防控、承壓水含水層保護(hù)問題，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段得到不同工作面斜長(zhǎng)與底板巖性組合條件下的底板破壞深度，提供了煤層底板注漿目的層位。借助物探、鉆探探查5號(hào)煤層底板地質(zhì)條件，研發(fā)了以黃土為主要材料的注漿液，提出了澄合礦區(qū)底板注漿加固改造工藝。以董家河煤礦為試點(diǎn)，建立了安全可靠，具有自動(dòng)計(jì)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、連續(xù)作業(yè)功能的地面注漿系統(tǒng)，并建立了地面注漿站，實(shí)現(xiàn)了承壓水體上安全采煤和含水層保護(hù) 。

(1)水體下采煤的條件要求。水體下采煤的條件要求是：開采后受影響的采區(qū)和礦井涌水量不超過其排水能力，不影響正常生產(chǎn)。因此，當(dāng)開采煤層上覆水體時(shí)，必須留設(shè)安全煤巖柱，確定允許的開采上限標(biāo)高。安全煤巖柱應(yīng)按煤層上覆水體的類型不同，按下述要求留設(shè)。

①當(dāng)開采煤層上方地表直接為湖泊、江河等水體，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，必須留設(shè)防水安全煤巖柱。

②當(dāng)開采煤層上方地表為松散弱含水層或是已疏降的松散強(qiáng)含水層時(shí)，允許導(dǎo)水裂帶波及這類水體，但不允許冒落帶接近它。這時(shí)，可留設(shè)防砂安全煤巖柱。其高度應(yīng)大于或等于冒落帶高度加上保護(hù)層厚度。

③開采煤層上方地表為松散弱含水層或是疏干的松散含水層，當(dāng)允許冒落帶接近松散層底部時(shí)，可留設(shè)防塌煤巖柱，其高度應(yīng)近似等于冒落帶高度。

(2)水體下采煤的主要開采技術(shù)。

①當(dāng)開采傾角小于55。并只留設(shè)了防砂安全煤巖柱(或防塌煤巖柱)的厚煤層時(shí)，應(yīng)采用傾斜分層長(zhǎng)壁式采煤方法，并盡可能減少第一、二分層的采高，增加分層之間開采的間歇時(shí)間。

②當(dāng)開采傾角為55。～90。的煤層時(shí)，應(yīng)采用分小階段間歇回采措施，同時(shí)加大回采工作面的走向長(zhǎng)度。第～、二小階段的垂高一般應(yīng)不大于20m?；夭蓵r(shí)嚴(yán)禁超限開采。如煤層頂?shù)装鍘r層堅(jiān)硬不易冒落時(shí)，宜采取強(qiáng)制分段切斷頂?shù)装宓拇胧?，以防抽冒、切冒?

③在地表面水體、石灰?guī)r巖溶水體或強(qiáng)含水層下采煤時(shí)，應(yīng)在開采水平、采區(qū)之間留設(shè)隔離煤柱或建立可靠的防水閘門(墻)，適當(dāng)?shù)丶哟笈潘芰腿萘俊?

④在水體下采煤時(shí)，應(yīng)對(duì)受水威脅的工作面和采空區(qū)的水情加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)水量、水質(zhì)和水位動(dòng)態(tài)等進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)及時(shí)分析；對(duì)采區(qū)周圍井巷、采空區(qū)及地表的積水區(qū)范圍和可能發(fā)生的突水通道作出預(yù)計(jì)，采取相應(yīng)的措施，正確選擇安全避災(zāi)路線。

⑤在采空區(qū)積水和基巖含水層下采煤，或可能遇到充水?dāng)鄬悠扑閹r(shí)，應(yīng)采用巷道、鉆孔或巷道與孔結(jié)合的方法先探放、疏降水后開采。

本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)華東、華北礦區(qū)部分煤礦在松散承壓含水層下采煤頂板突水災(zāi)害問題，應(yīng)用巖層控制的關(guān)鍵層理論，首次就松散承壓含水層載荷傳遞作用下覆巖關(guān)鍵層復(fù)合破斷機(jī)制及其對(duì)工作面頂板突水災(zāi)害的影響規(guī)律開展研究，揭示松散承壓含水層載荷傳遞作用下覆巖關(guān)鍵層復(fù)合破斷的發(fā)生條件和影響因素，建立松散承壓含水層下采煤覆巖關(guān)鍵層復(fù)合破斷的理論判別方法；揭示松散承壓含水層載荷傳遞作用下覆巖關(guān)鍵層復(fù)合破斷時(shí)頂板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律及其對(duì)頂板突水的影響；建立松散承壓含水層下采煤覆巖關(guān)鍵層復(fù)合破斷引發(fā)的突水災(zāi)害防治對(duì)策和相應(yīng)的開采設(shè)計(jì)原則。本項(xiàng)目的研究將進(jìn)一步完善和發(fā)展松散承壓含水層下采煤突水災(zāi)害防治理論與技術(shù)，具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

我國(guó)華東、華北等礦區(qū)許多煤礦的厚表土層底部存在著一層以非膠結(jié)砂、礫為骨架組成的松散承壓含水層，它直接賦存在煤系基巖頂部，對(duì)煤礦安全開采造成嚴(yán)重威脅。近年來，我國(guó)一些礦區(qū)在松散承壓含水層下采煤時(shí)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的壓架突水災(zāi)害問題，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。目前鄰近松散承壓含水層采煤壓架突水災(zāi)害問題仍然沒有得到很好的解決。此類突水事故的原因通常歸結(jié)為存在斷層、原生裂隙發(fā)育或松散承壓含水層底界面降低等特殊地質(zhì)因素，溝通了采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂隙與基巖頂部的松散承壓含水層而引發(fā)突水災(zāi)害。事實(shí)上，此類頂板突水災(zāi)害與工作面壓架災(zāi)害都是伴生的，即工作面突水前都會(huì)出現(xiàn)礦山壓力顯現(xiàn)異常增大甚至壓架現(xiàn)象，并隨工作面推進(jìn)周期性的發(fā)生，說明此類壓架突水災(zāi)害與采動(dòng)頂板破斷運(yùn)動(dòng)特征緊密相關(guān)，反映了鄰近松散承壓含水層采煤覆巖破壞規(guī)律的特殊性，而傳統(tǒng)理論難以合理解釋此類壓架突水災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理。 項(xiàng)目經(jīng)過系統(tǒng)深入的研究發(fā)現(xiàn)：由于松散承壓含水層的流動(dòng)性和側(cè)向補(bǔ)給作用，煤層開挖過程中作用于基巖頂界面的上覆載荷不像通常條件下隨煤層開挖顯著降低而是基本保持恒定，松散承壓含水層起到了載荷傳遞的作用。鄰近松散承壓含水層開采時(shí)，由于松散承壓含水層的載荷傳遞作用，導(dǎo)致一定覆巖條件下松散承壓含水層下部基巖的整體破斷和關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使得頂板導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至松散承壓含水層下，這是引發(fā)部分礦井在鄰近松散承壓含水層采煤時(shí)發(fā)生異常壓架突水災(zāi)害的根本原因。基于松散承壓含水層下采煤壓架突水機(jī)理，研究揭示了松散承壓含水層特性和覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征等因素對(duì)壓架突水災(zāi)害的影響規(guī)律，基本掌握了松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害發(fā)生條件，提出了壓架突水危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)方法，發(fā)明了基于含水層長(zhǎng)觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警方法，提出了松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害防治對(duì)策。上述研究成果填補(bǔ)了我國(guó)煤礦采場(chǎng)礦壓和頂板突水防治理論的一項(xiàng)空白，對(duì)我國(guó)松散承壓含水層下煤炭資源的安全高效開采具有重要意義，已在皖北礦區(qū)祁東煤礦得到了驗(yàn)證和應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目已出版著作1部，發(fā)表論文26篇，其中被Ei收錄18篇，獲得國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)、實(shí)用新型專利1項(xiàng)，獲得省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)。 2100433B