近淺埋薄基巖煤層開采隔水層破壞機(jī)理研究

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1、近淺埋薄基巖煤層開采隔水層破壞機(jī)理研究1緒論1.1問題的提出在上世紀(jì)八十年代，我國在廣闊的毛烏素沙漠下面發(fā)現(xiàn)儲量非常豐富的優(yōu)質(zhì)型煤田，煤田以厚煤層為主，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單[1]，開采條件比較優(yōu)越，使得我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略的重心從東部逐步向西部方向轉(zhuǎn)移，對我國的能源發(fā)展具有重要意義。但是煤層開采過后顯現(xiàn)出下面幾個問題：1.在淺埋煤層大規(guī)模幵采過程中與脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之間的矛盾越來越突出西部煤田賦存表現(xiàn)出的典型的特點(diǎn)是基巖薄、煤層埋藏在200m以內(nèi)、上覆厚松散層，井下開采造成的導(dǎo)水裂隙能直達(dá)地表，使地表水以導(dǎo)水裂隙為通道與開釆空間相連通，導(dǎo)致地表水流失。在西部煤田開釆過

2、程中曾多次發(fā)生工作面潰沙涌水等重大事故，這些問題給國家的經(jīng)濟(jì)造成了非常大的損失[2_3]。此外，由于西部處于干旱半干旱的特殊環(huán)境中，蒸發(fā)量非常大，降水量比較少，直接造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境十分脆弱，顯現(xiàn)出水資源對人類R常生活和生態(tài)環(huán)境平衡之間的矛盾更加激烈化，迫切需求解決。采后修復(fù)地表生態(tài)環(huán)境成本高、難度大傳統(tǒng)煤礦的開采基本上都是采用先采后治的方案，在西部煤炭大幵發(fā)的進(jìn)程中如果繼續(xù)沿用這種開采方式，將會對原有的脆弱環(huán)境造成破壞，直接導(dǎo)致及其稀缺的地表水資源加速流失，植被迅速死亡、土地迅速荒漠化，沙塵暴嚴(yán)重，如圖1-1。.1.2淺埋煤層國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1近淺埋煤層

3、的定義根據(jù)礦山壓力與巖層控制中對淺埋煤層的定義[8]:1)對于基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷運(yùn)動表現(xiàn)為整體切落形式，易于出現(xiàn)頂板臺階下沉。此類厚松散層淺埋煤層稱為典型的淺埋煤層，它的特征可以概括為埋藏淺、基載比小、老頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層。2)對于基巖厚度較大、松散載荷層厚度較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，頂板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出兩組關(guān)健層，存在輕微的臺階下沉現(xiàn)象，可稱為近淺埋煤層。從這些定義中可以看出來，近淺埋煤層的研究是包含在對淺埋煤層研究的范圍之內(nèi)的。1.2.2國外研究現(xiàn)狀早期國外研究近淺埋煤層幵挖后上覆

4、巖層破壞規(guī)律的有前蘇聯(lián)的M.秦巴列維奇。它研究了莫斯科近郊淺埋深條件的煤田，提出了臺階下沉假說[9]。假說認(rèn)為對于埋深比較淺的淺埋煤層，視其上覆各個巖層均為均質(zhì)，開采過程中整個上覆巖層的重力都加載到支架上。20世紀(jì)80年代初，澳大利亞博士B.霍勃爾瓦伊特等人對新南威爾士安谷斯坡來斯煤礦的淺埋深長臂開釆發(fā)生的一系列礦壓現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)測測量數(shù)據(jù)顯示出地表下沉量幾乎是釆高的60%,其中大部分最大下沉量都是在距離工作面40m范圍內(nèi)發(fā)生的。這說明采空區(qū)很快的就被壓實(shí)，在采空區(qū)的兩側(cè)存有大量裂隙。1980年，格維爾茨曼利用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)對水體下淺埋煤層開采進(jìn)行研究[11]，

5、通過實(shí)驗(yàn)確定了采空區(qū)上覆巖層貫通裂隙的高度。在20世紀(jì)90年代，澳大利亞學(xué)者L.Holla等人還對新南威爾士的淺埋煤層工作面進(jìn)行觀測[12]，淺埋煤層工作面經(jīng)過長臂開采后其上覆頂板的巖層移動規(guī)律是頂板跨落高度是釆高9倍的結(jié)論，釆空區(qū)頂板巖層在回釆工作面推進(jìn)后快速下沉。2采動覆巖變形力學(xué)分析2.1榆陽礦區(qū)概況本文以榆陽煤礦為研究對象進(jìn)行近淺埋煤層幵采后覆巖移動規(guī)律的研究，榆陽煤礦隸屬于陜西中能煤田有限公司，煤礦在陜西榆林的榆陽區(qū)以西的米家灘一帶。交通位置圖見2-1。在礦區(qū)地下巖層的延安組中共含有煤層13層（厚度〉0.1m)，其中自上而下為#3、#3下、#4-1、

6、#4-2、#5、#9號6個可采煤層。延安組煤系蓋層見有直羅組、安定組及第四系松散沉積物，蓋層總厚100?200m，由南向北有增厚的趨勢。本文以礦區(qū)主采煤層#3煤來進(jìn)行分析，#3煤厚度在2.90~3.99之間，平均傾角為3°，煤質(zhì)優(yōu)越，具有良好的開采條件，巖層柱狀圖如圖2-2。但該礦區(qū)地處沙漠邊緣，大部分區(qū)域被沙漠覆蓋，區(qū)內(nèi)降水稀少，地下水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，而淺部煤層的幵采將直接威脅到含水層，造成含水層水資源潰入采場造成破壞。因而，保水開采的成敗對礦區(qū)發(fā)展尤為重要。2.2上覆巖層裂隙演化高度及破壞判據(jù)分析通常影響地下水位下降的主要因素是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)

7、育高度是否使開采煤層與含水層之間的隔水層遭受破壞導(dǎo)通。所以，想要實(shí)現(xiàn)撥水開釆就必須先要對導(dǎo)水裂隙帶演化高度進(jìn)行研究。本文創(chuàng)新點(diǎn)就是從充分釆動后地表最大下沉量和覆巖變形量的角度出發(fā)，推到了充分釆動后地表最大下沉量和覆巖變形量與覆巖導(dǎo)水裂隙帶之間的定量關(guān)系。采動是否導(dǎo)致含水層破壞，不但取決于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，而且還與水體底部隔水層裂隙向下發(fā)展的深度是否與導(dǎo)水裂隙帶溝通有關(guān)。以榆陽礦區(qū)開采#3煤層為例，借助于理論分析成果和試驗(yàn)研究成果，對厚風(fēng)積沙薄基巖淺埋煤層條件下保水開采進(jìn)行評價。#3煤層平均厚度3.5m，煤層形態(tài)簡單，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，煤層傾角0.6&d

8、eg;左右。煤層頂板為中粒長石砂巖，粉