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隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究


第37卷第1期 2008年1月

中国矿业大学学报
Journal of China University of Mining&Technology

V01.37

No.1

Jan.2008

隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究
缪协兴,浦 海,白海


221008)

(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验窒,江苏徐州

摘要:既要防治煤矿突水灾害又要保护矿区水资源,实现保水采煤是绿色开采技术的核心内容 之一.通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型,同时提出了可用于指导开发保水采煤技 术的隔水关键层原理.隔水关键层模型有3层含意,即软弱层岩性隔水、坚硬层结构隔水和裂隙 通道弥合隔水.保水采煤原理可分解为4个步骤,即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控 制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制.保水采煤的隔水关键层原理在采场顶底板突 水灾害防治中得到了成功应用. 关键词:绿色开采;保水采煤;隔水关键层;矿压模型;突水灾害防治 中图分类号:TD
163

文献标识码:A

文章编号:1000-1964(2008)01—0001—04

Principle of

Water—Resisting K ey Strata and Water—Preserved Mining
MIAO Xie—xing.PU Hai,BAI Hai—bo

Its Application in

(State Key Laboratory for

Geomechanics&Deep Underground Engineering,China University of Mining&Technology。 Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Abstract:It is important coal

to

prevent

the water inrush
one

as

well

as

to

protect

the water

resource

in

mining.Water—preserved

mining is

of the important

contents

in the green mining tech—

nological system.In this paper,a rock pressure model of water—resisting key water—preserved mining is proposed,and mining


strata(WKS)in

principle of

WKS

is presented for instructing and of

developing the water—preserved

technology.The

model

WKS

has

following

three

meaning:1ithologic water—resisting with weak rock

1ayer,structure water—resisting with hard

rock layer and water—resisting with the fracture passage closing.The principle of sist of four steps,including the position determination of

WKS

is

con—

WKS,structure

stability determina—

tion and controlling,seepage stability determination and controlling,and the seepage mutation
passage

controlling.The principle of

WKS

in water—preserved mining has been successfully ap—

plied

to

the disaster prevention of water inrush from roof and floor in working face.

Key words:green mining;water—preserved mining;water—resisting key strata;rock pressure model:disaster prevention of water inrush

我国煤矿群死群伤特大事故主要由瓦斯和突 水灾害造成,遏制瓦斯和突水事故是我国煤矿安全 控制的主攻目标.并且,突水造成的直接经济损失

一直十分严重.过去20 a问,有250多对矿井被水 淹没,直接经济损失高达350多亿元. 近年来,矿井突水灾害呈不断上升趋势,近5


收稿13期:2007—08—30 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400);国家自然科学基金项目(50574090);国家自然科学基金重点项目
(50634050)

作者简介:NDN(1959一),男,江苏省江阴市人,教授,博士,博士生导师.从事力学与采矿工程方面的研究.
E-mail:xxmiao@curnt.edu.CD
Tel:0516-83885058

万方数据  

中国矿业大学学报

第37卷

所发生的矿井突水事故比前10 a的总和还多.随 着矿井水文地质条件的复杂化,突水事故还会越来 越严重.另外,为治理煤矿水害,我国每年排出矿井 水56亿m3,只利用26%,造成矿区水源枯竭、水 与生态环境的破坏. 鉴于我国煤矿开采中的突水灾害严重性以及 对水资源与环境的破坏,开发既能防治突水灾害, 又能保护水资源的保水采煤技术是绿色采矿技术 的核心内容之一L1。4j.


性墨。6].因此,我们可以将煤矿突水灾害防治和水资 源保护的目标选定为对隔水关键层完整性的保护, 也即控制不形成突水通道或渗流突变通道_7。8j. 这里,我们可以用图2来说明保水采煤的隔水 关键层原理.从图2中可以看到,保水采煤的隔水 关键原理可以归纳为4个步骤:第1步,判别隔水 关键层的位嚣;第2步,判别与控制隔水关键层结 构的稳定性;第3步,判别与控制隔水关键层渗流 的稳定性;第4步,对渗流突变通道的控制.

隔水关键层原理
一般煤系地层有显著的分层特性,有些岩层比

判别隔水关键L__井上下物探、开采
层的位援

l’

I地质条件分析等

i量到判别与控制隔水关L一开采设计、关键
『键层结构稳定性l 层理论分析等 稳定J判别与控制隔水关 I键层渗流稳定性 渗流突变理论、 井下物探等 优化采场设计、 注浆改造加固等

较坚硬,有很好的承载能力,有些岩层(含泥或黏土 矿物)比较软弱,具有良好的抗渗流能力.因此,这 里用图1来说明所谓隔水关键层.从图1中可以看 到,一般突水工作面到水源之间会被若干层岩层所 阻隔,而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体中 的位置不同,其隔水性能是不同的,水最终需要穿 透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔 水关键层.水要突破隔水关键层有2条途径,即天 然构造通道和采动裂隙贯通,无论那一条通道被贯 通或2条通道被同时贯通,突水通道也即形成.
Fig.2

■丽嚣


的控制

安全开采

Principle of

图2保水采煤的隔水关键层原理 WKS in water—preserved

mining

判别隔水关键层的位置时,主要包括井上下物 探分析,探明地质构造及水源分布规律等,进而需 要进行水文和构造地质等分析以及岩层控制的结 构关键层位置判别等,从物探、地质和开采等角度 综合分析判别隔水关键层在采动岩体中的位置. 在判别与控制隔水关键层结构稳定性方面,主 要包括开采设计,确定采区布置及工作面的大小 等,进而采用岩层控制的关键层理论、数值和物理 模拟等分析结构关键层强度及破断规律.如采动岩 体结构关键层是稳定的,则可安全保水开采. 在判别与控制隔水关键层渗流的稳定性方面,

图1
Fig.1

隔水关键层不意图 WKS

包括井下采区(工作面)精细物探,更详细掌握结构 层、软弱层、构造及水源的分布,进而分析采动岩体 的渗流运动规律及发生渗流突变的通道与危险性. 如渗流运动是稳定的,则可安全开采. 在渗流突变通道的控制方面,主要包括进一步 优化采区和采场的设计,改变采动覆岩结构关键层 的破断形态,也即改变可能形成的渗流突变通道, 进而对构造和可能形成的渗流突变通道实施注浆 改造等措施,实现安全开采.


Schematic diagram of

根据煤系地层的构造特征,我们可以推断出隔 水关键层具有3层含意:其一,水源与工作面之间 有明显的较厚软弱隔水层(例如厚表土层),则不易 形成突水灾害;其二,假设煤层上部含水层在结构 关键层的上方,或煤层下部含水层在结构关键层的 下方,如果结构关键层采动后不破断,则结构关键 层可起到隔水作用,同时就是隔水关键层;其三,如 果结构关键层采动后会发生破断,但破断裂隙被软 弱岩层所充填,裂隙被弥合,不形成渗流突水通道, 则结构关键层与软弱岩层组合形成复合隔水关键 层.由隔水关键层的含意可知,隔水关键层与岩层 控制中的结构关键层之间,既有区别,也有共

采场底板突水防治
运用保水采煤的隔水关键层原理,我们在苏北

某矿区进行了采场底板突水灾害防治实践.第一个 实践区为某矿21201工作面,是屯头系煤层二采区

万方数据  

第1期

缪协兴等:隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究

首采工作面,工作面东以东一采区隔离煤柱为界, 西以张庄大断层保护煤柱为界,工作面底板标高
一370~一420 m,工作面长度120 m,沿倾斜方向

推进长度800 rn,煤层倾角o~14。,平均8。,煤层厚 度1.1~1.65 ITI,平均1.5 m,地质储量19.7万t, 可采储量18.5万t.煤层直接底为0.4 til的黏土 岩,老底为2.2 m粉砂岩及十三灰岩,均不含水, 本溪组灰岩为底板直接充水含水层,在未与奥灰连 通的条件下,富水量较弱,但从勘探报告及地面水 文观察来看,二者具有明显的水力联系. 本区域重要水害隐患是下部的奥陶系灰岩水, 该含水层距离屯头系煤层底板40~45 ITI,具有水 量丰富、水压大的特点,周围矿井在开采屯头系煤 层过程中发生了多次重大突水事故. 图3为具体运用隔水关键层原理的分析判别 过程.从图3中可以看到,在具体隔水关键层位置 判别时,进行了采矿地质条件分析,该区域突水系 数达到了临界值的1.5倍 l隔水关键层位置判别L+
l(采矿地质条件分析)l ?太原组21S,距奥灰45 m,水压40 MPa; ?采深460 m,采高1 5 m; ?底板隔水关键层6.3 m,5.5 MPa; ?突水系数是临界值的1.5倍 ?井下电法探测,3条隐伏含水断层, 发育深度16~30 m; ?关键层破断分析,破断裂隙深度38
c/

图5底板隐伏含水断层与注浆钻孔布置
Fig.5 Layout of the buried fault with water and the grouting hole in floor

通过采动岩体渗流理论分析,工作面推进200 m左右区域,在隐伏含水断层区域具有严重的渗 流突变危险,必须采用底板注浆加固措施.注浆加 固后的底板岩样见图6,岩样中的白色条带部分即 为凝固后的浆体.经试验测定,该岩样的强度高于 同类完整岩体岩样的强度.



隔水关键层结构l

l黼稳定性分析


稳定性判别r+

in

图6底板注浆区域的岩石采样
Fig.6 Rock sample in grouting
area

of floor

I’

?渗流突变理论分析,工作面推进200 隐伏含水断层处有严重突水危险

11"1



最终,该工作面实现了安全回采.同时,通过系 统的分析、监测及采用加固措施后,该采区已连续 回采了多个工作面,均实现了安全高效生产.


l渗流突变通道控制b-


?隔水关键层加固措施,在隐伏含水断层 处局部注浆加固

目标:安全开采

图3隔水关键层原理在底板突水防治中的判别流程 Differentiate flow for principle of WKS Fig.3
in prevention of water inrush from floor

采场顶板突水防治
我们在新疆某矿区还进行了采场顶板突水防

在隔水关键层结构稳定性判别时,分别采用物 理模拟和数值模拟的方法对底板的破断位置及深 度进行了分析,其破裂深度可达38 m,已接近贯穿 底板隔水层.底板破坏区域的数值模拟见图4.工 作面揭露后的井下电法探测还发现发育深度达16
~30 m的3条隐伏含水断层,具体位置见图5.

治实践.实践采区的地质条件为:煤层埋深为150 ITI,厚为3.8 m,煤层顶板由下向上依次为26 in厚 的粗砂岩、6.5 in厚的粉细砂岩和17.84 m厚的细 砂岩,再上为66.37 in厚的砂岩和30 in厚的砂砾 互层,煤层底板为4.9 in厚的粉砂岩,属于浅埋煤 层厚硬顶板. 由水文地质条件分析可知,位于煤层上方的岩 层为第四系强含水岩层,对开采浅部煤层有直接严 重影响,并且地表还有河流(过境水). 图7为具体运用隔水关键层原理的分析判别 过程.从图7中可以看以,如果采动覆岩中66m左 右的巨厚砂岩层不破断,则可阻隔砂砾互层水、浅

图4底板破坏区域的数值模拟
Fig.4 Numerical simulation
on

the failure

area

in floor

表水和过境水,即实现安全保水采煤.

万方数据  

中国矿业大学学报

第37卷

I?浅理深150 m,煤厚3.8

m;

2)基于隔水关键层模型的保水采煤原理,可 分解为4个步骤,即:隔水关键层位置判别、隔水关 键层结构稳定性判别与控制、隔水关键层渗流稳定 性判别与控制以及对渗流突变通道的控制. 3)实际证明,采用隔水关键层原理对顶板水 和底板水都可实施保水采煤,实现对煤矿突水灾害

隔水关键层位置判别1.1?顶板粗砂岩66 m: (采矿地质条件分析)l’l?覆岩砂砾互层(含水层);
l?地表有过境水 0 隔水关键层结构 稳定性分析

I.I?结构关键层破断,则隔水
关键层失稳



严格保护结构关键U?宽条带(短壁)综采,
层的完整性


采宽60 m,煤柱宽20



的防治和矿区水资源的保护. 参考文献:
Eli缪协兴,陈荣华,白海波.保水开采隔水关键层的基 本概念及力学分析[J].煤炭学报,2007,32(6):

目标:安全开采 图7

隔水关键层原理在顶板突水防治中的判别流程 Differentiate flow for principle of WKS in Fig.7
prevention of water inrush from roof

通过系统的开采优化设计,以及相应的采动覆 岩破断与裂隙分布的数值和物理模拟,决定采用宽 条带综合机械化开采方式.在确保覆岩66 m厚结 构关键层不破断的条件下,最佳条带宽为60 ITI,煤 柱宽为20 m,采区采出率可达75%.图8为采动覆 岩裂隙场的数值模拟结果之一,图9为采动覆岩渗 流场的数值模拟结果之一.

561—564.

MIAO

Xie—xing,CHEN
concepts strata

Rong—hua,BAI

Hal—bo.

Fundamental

and mechanical analysis of wa— in water—preserved

ter—resisting key

mining[J].

Journal of China Coal Society,2007,32(6):561—
564.

[23钱呜高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学报,2003,32(4):343—347.
QIAN Ming—gao,XU Jia—lin,MIAO Xie—xing.Green
technique in coal
ty

mining[J].Journal

China Universi—

of

Mining&Technology,2003,32(4):343—347.
a1.Green mining tech—

[3]XU J,ZHU W,LAI W,et
niques in the coal mines of

China[J].Journal

of

图8采动裂隙场分布的数值模拟
Fig.8 Numerical simulation
on

Mines,Metals and Fuels,2004,52(12):395—398,
409.

the distribution

of fractures field in mining

[4]钱鸣高,缪协兴,许家林.资源与环境协调(绿色)开 采及其技术体系[J].采矿与安全工程学报,2006,
23(1):1—5.

QIAN Ming—gao,MIA0 Xie—xing。XU Jia-lin.Re—
sources

and environment harmonics(green)mining

and its technological

system[J].Journal

of

Mining&

Safety Engineering,2006,23(1):1-5.

图9
Fig.9

采动覆岩渗流场的数值模拟
on

Numerical simulation
strata

the

seepage

field of

E5]FENG M M,MAO

X B,BAI H B,et a1.Analysis

in mining

of water insulating effect of compound water—resisting key
strata

在此应用实例中,采用保护采动岩体中的结构 关键层不破断的方法,防治该采区顶板突水灾害, 同时也保护了区域水资源和环境,已成功地回采了 多个工作面,取得了显著的经济效益和社会效益.


in deep

mining[J].Journal

China Univer—

sity of

Mining&Technology,2007,1 7(1):1-5.

[6]钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理 论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003. [7]缪协兴,钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进 展[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):25—29.
M1AO Xie-xing,QIAN Ming—gao.Advance in
the





1)隔水关键层是保水开采与突水灾害防治基 础理论研究中的矿压(力学)模型,隔水关键层既区 别于岩层控制的结构关键层,但也有内在联系,隔. 水关键层有3层含义,即软弱层岩性隔水、坚硬岩 层结构隔水和裂隙通道弥合隔水.

key

strata

theory

of

mining

rockmass[J].Journal

China University of (1):25—29.

Mining&Technology.2000.2 9

[8]缪协兴,刘卫群,陈占清.采动岩体渗流理论[M]. 北京:科学出版社,2004. (责任编辑骆振福)

万方数据  

隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 缪协兴, 浦海, 白海波, MIAO Xie-xing, PU Hai, BAI Hai-bo 中国矿业大学,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏,徐州,221008 中国矿业大学学报 JOURNAL OF CHINA UNIVERSITY OF MINING & TECHNOLOGY 2008,37(1) 129次

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引用本文格式:缪协兴.浦海.白海波.MIAO Xie-xing.PU Hai.BAI Hai-bo 隔水关键层原理及其在保水采煤中的应 用研究[期刊论文]-中国矿业大学学报 2008(1)


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