煤矿保水开采技术研究

煤矿保水开采技术研究

中国的大多数煤炭分布在中国北方和西北部，以及其他地区的缺水地区。许多煤矿区域的水资源不足，其中70%存在缺水，40%存在严重缺水。然而,伴随着煤矿区水资源短缺的同时,煤炭开采过程中却要排放大量的矿井水。据统计,我国煤矿系统每年矿井水排放量约为45亿m钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念,保水开采是煤矿绿色开采技术体系的主要内容之一1基于矿坑水开采的理论基础1.1关键层和隔水关键层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。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。对于保水开采,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。隔水关键层有两种形式:隔水结构关键层和复合隔水关键层1.2开采对采空区上含水层的影响煤层开采后必然引起煤层上方岩体向采空区内移动,造成直接顶垮落,基本顶破断。岩层移动将形成3带3区,如图1所示,其中垮落带、断裂带统称为导水裂缝带。导水裂缝带一旦与采空区上方含水层贯通,就会形成大规模降水漏斗。因此在开采过程中应当采取适当的措施,使隔水关键层位于弯曲下沉带以上。如果煤层埋藏较浅,那么在对该煤层开采时就要在岩层裂隙发育初期及时进行充填,这样采区上方水体就会基本完整的保留下来顶板的离层是导致采区上方水体流失的主要因素,它影响到关键层的稳定性。关键层的破断将导致导水裂隙带的剧烈发育,进而影响隔水关键层的稳定性和完整性。因此在煤炭开采过程中正确判断关键层是否发生破断离层,从而及时地采取适当措施,是保证隔水关键层的稳定性和完整性的关键。1.3地下水渗流对抗煤层开采后,随着上覆岩层中关键层的破断,导水裂缝带会进一步发育,发展到隔水层后,潜水会首先从该裂缝处向采空区渗漏,并形成依此为中心的下降漏斗区域。随着工作面的不断推进,贯通裂隙的位置随着工作面的推进而向前发展,之前产生的裂隙可能随着塌陷区域的不断扩大而有所闭合2影响矿山保水开采的主要因素2.1含水层和隔水关键层的稳定性地质构造特征和水文地质条件直接影响煤矿实施保水开采的难易。地质构造影响着岩层中含水层和隔水关键层的稳定性。地质构造越复杂,断层越多,那么随着煤层开采的进行,岩层的导水裂隙带就越发育,矿区排水量就越大。水文地质条件中影响保水开采的因素主要有含水层的厚度、岩层的节理、岩溶的发育程度和水的补给。2.2开采期矿井地下水渗流规律煤矿开采主要经历初期、中期、后期和末期4个时期,每个时期对岩层中水系的自然稳定状态都会造成不同程度的破坏,从而对保水开采的实施造成不同程度的影响。煤矿开采初期岩层中各含水层相对处于自然饱和状态,含水性强。随着开采面积的增大,揭露的含水层逐渐增多,顶板冒落与导水裂隙带联通,使得煤层中潜水直接渗入矿坑,保水开采难度上升。煤矿开采中期,采煤工作处于稳定状态,含水层不会被大面积揭露,但是随着采煤的继续进行,岩层中含水层水位不断降低,以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定,部分含水层由承压转为无压,岩层中含水层大量排入矿井中,使得保水开采难度较大。矿井开采后期,由于岩层中含水层大部分已排干,导水裂缝带和节理裂隙逐步被细砂充填,地表水渗入补给逐步减少,使得矿井渗水量逐步减小,进行保水开采难度较小。矿井开采末期,矿井渗水从少量排水到基本不排水。但由于煤系底部有隔水层存在,采空区逐步积水成为“地下水库”,此时进行保水开采比较容易。3关于煤矿储水开采技术的研究3.1覆岩顶空区的三铰拱平衡依据隔水关键层理论,讨论区基本顶关键层承受整个覆盖层载荷。基本顶关键层初次破断后,直接顶冒矸石充填部分采空区,阻碍岩块的转动,可能形成暂时的三铰拱平衡。由于中部运动被阻,因而在覆盖层重载作用下,岩块朝反方向回转,靠工作面一侧的裂缝被挤压,而这一侧裂缝的挤压闭合运动是防止水资源流失的重要条件3.2留设防水煤柱在煤层开采过程中,防水煤柱的留设,可以使煤层顶板岩层破坏减小,导水裂缝带不波及水体。目前在煤层埋藏较浅、松散含水层等水体下采煤,一般是根据开采区域煤岩地质及水文地质条件、煤柱两侧的开采状况及采矿技术条件等因素,采取留设防水煤柱的方法进行保水开采。防水煤柱的留设尺寸可以根据Obert-Dwvall/Wang的经验公式计算:式中R为煤柱强度,MPa;R试验结果表明,当保水煤柱留设的宽高比B/h大于5时,防水煤柱强度将随B/h的增大而增大;当B/h大于10时,一般情况下不易遭到破坏。因此防水煤柱的留设尺寸B/h大于10,再用安全系数加以修正3.3大量自然资源投资根据上述分析,通过留设防水煤柱固然可以达到保水开采的目的,但是需要留设大量的煤柱,这会浪费大量煤炭资源。实践证明,在埋藏浅、基岩薄和冲积层厚的条件下,煤层开采过程中对采空区及时进行充填,可以有效减小工作面前后支承压力的分布,抑制煤层顶板岩层的破坏程度、导水裂缝带的进一步发育、隔水关键层的离层和地表的下沉量,从而达到与留设防水煤柱同样的效果,避免浪费煤炭资源4榆阳区煤矿储水开采及实践4.1号煤层上含水层榆阳区位于陕西省榆林市北部,其含煤地层主要为侏罗纪延安组,主要含煤3~15层,其中可采煤层为1~9层,目前该区大部分煤矿主采3号煤层,该煤层厚度约5~11m。该区地表多为第四纪风积砂、黄土丘陵。区域内3号煤层上方含水层主要为第四系松散层及风化带裂隙潜水含水层组及侏罗系中统砂岩裂隙层间承压水。根据常乐堡Y23孔抽水试验资料显示,侏罗系层间承压水含水层厚度52.95m,降深44.34m时,涌水量15.90m4.2用支柱石膏体填充保水开采4.2.1充填材料试验由于榆阳区地表广泛分布有风积砂等,以风积砂为主料可以大幅降低充填成本,经过反复试验,风积砂膏体充填材料由60%~75%风积砂、固化剂、粉煤灰、添加剂、水等组成,其满足膏体材料充填指标,且其28d的充填体单轴抗压强度为8~10MPa。4.2.2刀柱式回采工艺刀柱式膏体充填开采工艺是针对埋藏浅、基岩薄、冲积层厚条件下的厚煤层矿井,为保护含水层及控制地表沉陷而提出的。其具体工艺如图5所示,包括:第1次刀柱回采,按照刀柱式回采工艺回采煤房资源;第1次充填,利用充填管路充填煤房采空区,至工作面内全部煤房充满,充填前工作面回风巷及运输巷利用挡墙密闭,充填膏体对密闭墙侧压;第2次掘进及采煤,采用后退式按原采煤工艺回采煤柱;第2次充填,利用充填管路采用后退式充填回采煤柱形成的采空区,这次充填,应及早进行,使充填体由单向受力状态变为3向受力状态;第3次回采,采用长壁工作面回采1.5~2.0m顶煤。按坚硬顶板计算导水裂缝带高度为36.6~54.4m,小于60~70m,第四系水体较安全。4.3提高了矿物资源实验结果表明,该矿在实施刀柱膏体充填开采技术后,不仅有效控制了覆岩移动变形,保证了第四系水体的安全,而且大大提高了煤矿经济效益。根据该矿实际情况估算(按回收顶煤计算),采用刀柱式膏体充填,开采前后工作面实际采出率从44%提高到85%以上,全矿井采出刀柱煤柱及顶煤约1000万t,延长矿井服务年限8~9a,取得了巨大的经济效益。5保水开采技术针对不同的开采条件和保水开采的主要影响因素,认为保水开采新的研究思路和方向应包括以下几方面:a.从促进社会经济可持续发展和绿色开采的角度来认识,保水开采不仅是干旱、半干旱矿区的主要问题,也是大水矿区和其他相同类型矿区的主要问题,特别是在中国东部较发达地区(大水矿区主要分布于此),未来的水资源将成为紧缺资源。因此不能把与煤相伴的水资源排出浪费,而应尽早研究和实施保水开采战略b.顶板水保水开采是煤矿绿色开采的重要分支,在缺水矿区和大水矿区采煤的同时,利用岩层运动的特点控制岩层中水的渗漏将是保水开采的一条重要途径。在井下因采动影响底层压力发生变化,煤层中的水压力升高,岩层中原来的裂隙系统的毛细管力反而降低,极易被潜水突破形成更大的孔裂隙系统,使岩层潜水渗漏加剧。因此,合理利用采动矿山压力引起的岩层活动规律,通过留设防水煤柱、充填等方法,有效控制岩层裂隙发育,是保水开采的关键技术问题。岩层运动中的关键层理论、开采对岩层移动影响及离层规律和水在裂隙岩体中的渗流规律等对保水开采技术的应用发展有着重要的参考价值。c.在进行煤矿保水开采技术的研究过程中,应具体问题具体分析,多提出一些有针对性的控制岩层裂隙发育新技术,如榆阳区煤矿的刀柱式膏体充填保水开采研究等,形成一套属于保水开采的基础理论和技术体系,从而在煤矿区真正实现保水开采,更好地为煤矿绿色开采服务。6煤矿保水开采的基本概念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。保水开采技术的研究和使用,是解决煤炭生产中水资源破坏问题的根本方法,是整个绿色开采体系中