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基于关键层理论的保水开采技术


采矿工程

露天采矿技术

2009 年第 2 期

·23·

基于关键层理论的保水开采技术
王 维,王宏伟,敬 毅
(中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州 221008)



要:随着我国煤炭开采规模越来越大,引起的水资源破坏问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社

会经济的协调发展。在这种情况下基于关键层理论的保水开采技术的提出为解决这一实际问题提供了可靠
的依据,并在实践中取得了很好的效果。本文就相关概念作了介绍,建立了关键层简要模型,并对关键层的影

响作了简要分析。 关键字:保水开采;关键层理论;绿色开采;影响分析;应用 中图分类号:TD 82 文献标识码:A 文章编号:1671 - 9816(2009)02 - 03
Water-mining technology based on critical layer theory WANG Wei,WANG Hong-wei,JING Yi (School of Mining Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China) Abstract: With the growing size of China’s coal mining, water damage caused by the increasingly prominent, greatly hinder the
environment and the socio -economic development. In this case, based on the theory of critical layer of water -mining technology proposed to resolve the practical problems that provides a reliable basis, and in practice to obtain good results. This article related

- 0023

to the concept was introduced, a brief critical layer model, and the key layer of a brief analysis of the impact. Key words: water extraction; critical layer theory; green mining; impact analysis; application 学本科生,矿业工程学院采矿工程专业。

1





保水开采是在采煤的过程中对地下水资源进行 保护并对矿井排水进行资源化利用。保水开采技术, 是绿色开采技术的核心内容之一[1]。 (1)关键层的定义与特征。 关键层”是指对采场 上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作 用的岩层。采场上覆岩层中的关键层有如下特征:① 几何特征。相对其它相同岩层厚度较厚;②岩性特 性。相对其它岩层较为坚硬,即弹性模量较大,强度 较高;③变形特征。在关键层下沉变形时,其上覆全
部或局部岩层的下沉量与它是同步的;④破断特征。 关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断,

引起较大范围内的岩层移动;⑤支承特征。关键层破 断前以板(简化为梁)的结构形式作为全部岩层或层 部岩层的承载主体,断裂后若满足岩块结构的 S-R 稳定[2],则成为砌体梁结构,继续成为承载主体[3]。 (2)关键层理论。关键层在岩层活动中起主要承 载作用,并控制采动岩体破断后的结构形态。针对保
收稿日期:2008-12-28 作者简介:王 维(1986-),男,江苏徐州人,中国矿业大

水开采的情况,起主要作用的是隔水关键层,它可以 在采区上方也可位于采区下方。假设采区上方水体 在结构关键层的上方,或采区下方水体在结构关键层 的下方,如果关键层采动后不破断,同时关键层有隔 水作用,则是隔水关键层;如果结构关键层采动后发 生破断,但破断裂隙被软弱岩层或流沙所充填,最终 重新压实,不形成渗流或者突水通道,则结构关键层 与软弱岩层组合形成复合隔水关键层。复合关键层形 成的条件是最上层或者最下层必须是坚硬岩层。因 此,隔水关键层有 2 种形式:隔水结构关键层,复合 隔水关键层。其中,多数情况为复合隔水关键层[4]。

2 2.1

模型的建立 关键层的力学模型
由关键层概念可知,无论关键层由何种性质的

岩层组成,其必是一层较为坚硬的岩层。为了更方便 的建立模型,展开对关键层理论的相关分析,进而研 究关键层的相关力学特性 。现建立力学模型如图 1 所示。 为便于对其进行力学分析计算,这里对岩层进 行如下的简化:①将岩层整体视为水平,即将力学模

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图 1 关键层力学模型

图 4 受力图

型看作平面应变问题,即梁结构问题;②假设岩层的 岩性和几何参数如下:弹性模量为 E,泊松比为 u, 岩层厚度为 h;③覆岩压力及水压对隔水关键层的 作用为均布载荷,集度为 q,且它是关键层下部的受 力与上部受力综合的结果;④关键层两端为固支情 况。经过上面的结构受力简化,此模型就变成这种情
形:关键层上表面受到均布载荷作用,其两端为固支

截面内应变的计算: 梁的挠曲线计算公式:w =qx

(L -2Lx +x ),
3 2 3

24EI

其中 x 是测算点与固支的距离,E 是梁的弹性模量, I 是横截面的惯性矩,L 为梁的有效长度。在此种情 如图 qL 况下最大挠度 wmax=- 5 4 5 所示。 384EI 。

梁,建立力学模型如图 2 所示。图 2 中跨度取工作面 推进距 L,横截面高度取 h,宽度取单位长度。
图 5 挠度分布图

上面即是一些在简化模型下的关键层力学分析 以及计算,下面就模型的具体应用作相关分析[5]。 3 3.1 应 用

深部开采关键层对地表沉陷的影响 目前在我国,煤炭的开采深度平均达到 700 ~

800 m,部分煤矿开采深度已达 1 000 m 以上 。深部

开采一直是在煤炭开采过程中无论是对理论方面还
图 2 简化后的关键层力学分析模型

是在技术要求方面都较浅部开采的要求高。
关键层理论的研究证明[6]:覆岩关键层对岩层移

2.2 2.2.1

关键层的力学分析及计算 关键层的力学分析 图 3 所示为模型梁应力及弯矩。由图 3 可知梁

动与地表沉陷起控制作用,覆岩主关键层对地表沉 陷的动态过程起控制作用,覆岩主关键层的破断将 引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大 和周期性变化。事实上,对岩层移动与地表沉陷而 言,深部开采的地质力学环境的最大特点之一在于 基岩厚度的增大,使得与浅部开采相比覆岩关键层 位置与组合关系发生改变,这是导致深部开采地表 沉陷不同于浅部开采的主要原因。
下面即对徐州某矿一水平首采工作面进行采深

的两端截面最有可能产生最大拉应力,中间截面则最

有可能产生最大压应力,而此处剪力则为 0。在这里 假设梁的相邻部分间受力及相关变化都是连续的, 并且满足上面的各假设条件,符合经典简支梁理论。

对地表沉陷影响的研究,进而验证深部开采覆岩关 键层位置与层数的变化对地表沉陷的影响。图 6 为
图 3 梁应力及弯矩分析图

该矿覆岩条件示意图。
根据该矿所提供的材料及数据并经过相关分析

2.2.2

关键层的力学计算 截面内正应力的分析计算:
M

表明,不同采宽条件下地表最大下沉量和最大变形 值随覆岩关键层破断的动态变化特征。当采宽小于 200 m 时,关键层 1 未破断,此时浅部与深部开采地 表最大下沉量与最大变形值相近且都较小。如采宽 150 m 时,浅部与深部开采引起的地表最大下沉量

截面内正应力的计算公式:σ= y ,其中,σ 即 Iz 是截面的正应力,M 是梁弯矩,y 是所测点到梁轴线 的垂直距离,Iz 是横截面对 z 轴的惯性矩。如图 4。

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q m n+1 n

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表土层

+36 -194

关键层 4 -500 关键层 3 二水平 关键层 2 关键层 1 三水平 -1 000 -850 一水平 -700

1

图 7 浅埋煤层示意图

其分层厚度为第 1 层老顶厚度的 1/4,弹性模量为第 1 层老顶的 1/2,覆岩中各岩层的单位质量为 ρg,第 2 层老顶(n + 1 层)之上的地面松散层厚度为 h″,其单 位质量为岩层的 2/3 。
[8]

图 6 徐州某矿覆岩条件示意图

分别为 0.140 m,0.137 m,最大水平变形分别为0.155
mm/m,0.116 mm/m。当采宽 200 m 时,关键层 1 破 断,此时浅部开采最大下沉量和最大变形值显著增 大并逐步达到充分采动;而深部开采受上部关键层 2 和关键层 3 对地表沉陷的控制作用,地表最大下

经过上述模型的建立以及相关数据的分析计算 可知:上覆基岩条件相同,但地面松散层(风积沙) 厚度不同,主关键层岩层层位也不同。一般浅埋煤 层,因两层老顶来压不同步,对工作面一般不会造成 动压叠加;而厚地面松散层(风积沙)浅埋煤层,很大 的松散层载荷使覆岩中两层坚硬厚岩层变形破坏同 步导致覆岩全厚度整体垮落,来压强烈。 结 语

沉量和变形值增幅相对较小。如采宽 250 m 时,浅部 与深部开采地表最大下沉量分别为 1.765 m,0.616 m, 最 大 水 平 变 形 分 别 为 5.744 mm/m,0.437 mm/m,当

采宽达 300 m 时,关键层 2 破断,受上部关键层 3 对 4 地表沉陷的控制作用,地表最大下沉量和变形值增 幅仍相对较小。当采宽达 450 m 时,关键层 3 破断, 此时深部开采引起的地表下沉量和变形值才显著增 大并逐步达到充分采动[7]。 根据上述结果可知覆岩主关键层破断前,地表 最大下沉量和变形值都相对较小,难以达到充分采 动,只有覆岩主关键层破断后,地表最大下沉量和变 形值才显著增大并逐步达到充分采动。关键层 1 为 浅部开采的主关键层,关键层 3 为深部开采的主关 键层。由于关键层 3 距离开采煤层较远并受到下部 关键层 1 和关键层 2 的保护作用,深部开采较浅部 开采不易达到充分采动。如浅部开采采宽大于 200 m 后,地表沉陷就趋于充分采动,而深部开采采宽大于 450 m 后,地表沉陷才趋于充分采动。 3.2 浅部岩层中地面松散层厚度对关键层的影响 我国煤层的开采实践表明,浅埋煤层长壁工作

煤 炭 开 采 过 程 中 会 引 起 地 下 水 资 源 的 大 量 流

失,严重地影响了矿区的生态发展。基于关键层的绿 色保水开采为解决煤炭生产中水资源破坏问题提供 了很好的理论依据,它是整个绿色开采体系中极为 重要的部分。将其正确的运用到煤炭生产中,合理处 理经济与环境的关系,使煤矿得到绿色协调健康发 展,可以创造出显著的社会效益、环境效益、经济效 益,应该得到极大的推广和使用。 参考文献:
[1]许家林,钱鸣高.绿色开采的理念与技术框架[J]. 导报,2007,25(7). [2]钱鸣高,缪协兴.采场砌体梁结构的关键块分析[J]. 炭学报,1994,19(6):557-563. [3]钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究 [J].煤炭学报,1996,21(3). [4]徐睿谢,亚涛,周坤鹏. 煤炭绿色保水开采[M]. 矿业快 报,2008,6(6). [5]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 2007,6(6). [6]许家林,钱鸣高. 关键层运动对岩层移动与地表沉陷的 影响研究[J].煤炭学报,2000,25(2):122-126. [7]许家林,连国明,朱卫兵,等.深部开采覆岩关键层对地 表沉陷的影响[J].煤炭学报,2007. [8]侯忠杰.浅埋煤层关键层研究[J].煤炭学报,1999,8(4). 煤 科技

面矿山压力显现差别很大,有的工作面顶板来压不 明显(如灵武矿务局),有的工作面来压强度强烈(如 神府矿区)。 在图 7 所示的浅埋煤层中,设 2 层老顶即第 1 层和第 n + 1 层的弹性模量和抗拉强度相同,分别 为 E 和 σt,第 1 层老顶厚度为 h1 h。第 2 层老顶厚
度为 hn+1 = 1.5 h,煤层采高 m = h,直接顶厚度 Σh = h, 第 1 层老顶上部到第 2 层老顶岩层总厚度为 h′= h,
=

细砂粗砂 粗砂 岩 岩 岩 25. 40. 10. 3 m 8 m 4m 中砂 22 岩 41.7 m


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