承压水体上对拉面开采关键技术与对策

收稿日期:2004-03-08

基金项目:国家自然科学基金资助项目(49872053,59774003)作者简介:罗立平(1964—),男,湖南涟源人,在读博士,2000年毕业于中国矿业大学北京校区获硕士学位,主要从事地下工程方面的研究,现分配在北京某部队从事科研工作。

文章编号:1003-5923(2004)04-0020-03

承压水体上对拉面开采关键技术与对策

罗立平1,彭苏萍1,王金安2(1.中国矿业大学北京校区,北京100083;　2.北京科技大学,北京100083)

摘　要:承压水体上对拉面开采,在国内外尚不多见。本研究结合淮北杨庄矿2635对拉面开采实践,提出了承压水体上对拉面开采关键技术问题,探讨了承压水体上安全开采的途径与对策。关键词:承压水;对拉面开采;关键技术;途径与对策中图分类号:TD745 文献标识码:A

1　前 言煤层底板突水问题一直是困扰华北型煤田煤炭工业可持续发展的主要水患。随着矿山开采深度加大,这种水患越来越严重。其中淮北局受底板岩溶承压水威胁的煤炭储量高达1.9亿t,且底板突水次数多,严重威胁了煤矿安全生产。最为严重的是1988年10月24日,淮北杨庄矿2617综采面发生的特大突水灾害,瞬时水量高达3153t/h,造成二水平被淹,经济损失1.5亿元。为了解决淮北杨庄矿6煤深部承压水上开采底板突水问题,中国矿业大学、煤炭科学研究总院西安分院与杨庄矿合作,以该矿2635面为试点,经过一年多的现场测试、室内试验、理论计算分析,优化开采参数、提出了合理的开采方法与预防底板突水的预测方法和岩层控制技术,从而在承压水上采用对拉面开采并取得成功。实践证明,实施该技术不仅可成功地开采该矿目前受底板承压水威胁的煤炭资源,且丰富了矿井防治水理论。同时,该研究成果对国内外同类矿井也具有推广应用价值,可望产生更大的经济效益和社会效益。2　研究区地质及水文地质情况263采区位于杨庄矿井田中部偏东,采区地层产状为316°～344°、<12°～18°,区内没有发现大的断层,但小型断裂发育,以NW向为主,多为张性正断层。2635对拉面位于杨庄矿工业广场东偏北约3200m,地面为雷河与阳河交汇处北约40～200m,其上部为2633已采面,北约360m为二水平东大巷,上界标高-223.4m,下限标高-318.5m。工作面走向长630m,倾斜长149～254m,倾角12°～18°,平均16°,煤厚2.24～2.80m,平均2.5m,可采储量27.1万t。2635对拉面在掘进过程中,共见3条落差为0.5～2.5m的正断层,无涌水、淋水现象。该面受四条火成岩墙侵入,给回采带来一定困难。该面6

煤底板距太原统灰岩56.13m,太原统厚140m,夹薄层灰岩12层,灰岩总厚约60m,其中3、4、5、8、10、12层灰岩较厚,厚度在6m以上,余者2～4m不等。一般分为上、中、下三组,上组1～4层灰岩含水组,灰岩厚23～28m,对开采下组6煤威胁性大。在上组含水层中3、4层灰岩岩溶裂隙发育,突水性强。煤层直接顶为深灰色致密页岩,厚1.5m;老顶为灰白色中至细砂岩,厚9m;直接底为炭质泥岩、深灰色砂质页岩,厚2.5m;老底为灰色条带状细砂岩,厚4m。水文地质条件简单,工作面内有A65钻孔,主要为顶板砂岩裂隙水及少量火成岩凝结水,上部老空水。采煤方法为走向长壁对拉面采煤方法,全部垮落法顶板管理,后面采高2.2～2.4m,前面采高2.0m。

・02・　2004.№4　矿山压力与顶板管理3　承压水体上对拉面开采的关键技术问题目前我国承压水体上开采,采取改革采煤方法,如采用短壁、条带开采等,是从减小底板岩层破坏深度的角度出发,达到控制底板突水安全开采的目的[4]。而承压水体上对拉面开采,在国内外尚不多见。如何确定对拉面的错距?如何确定断裂构造对底板破坏的影响?如何确定水压、矿山压力及开采空间等对对拉面开采的影响及其相互关系?目前在理论和实践上基本上还是空白。因此,承压水体上对拉面开采关键技术与对策的研究,具有重大的理论和实践意义。3.1　根据底板破坏机理确定对拉面的错距确定对拉面错距是承压水体上对拉面开采的一个关键技术问题,也是本文研究的重要内容。从矿山压力的角度,对拉面与普通面的不同之处是:对拉面在错距之间形成矿山压力叠加,有可能造成底板岩层破坏深度增大。这种观点建立在矿压因素对底板突水的影响上。从顶板控制角度考虑,对拉面错距不宜过大。因为工作面后方顶板岩层一旦进入剧烈活动和垮落阶段,错距段的巷道矿压显现加剧,巷道维护困难,安全状态恶劣。因此,承压水体上对拉面开采合理错距的确定,需兼顾预防底板突水和保障顶板安全双重任务和目标。3.2　如何确认、定位和描述那些对底板突水有显著影响的断裂构造开采实践中,岩体断裂构造对承压水体上对拉面安全开采影响显著。研究表明,断裂构造带是矿井突水的主因及控制因素。据统计,有75%的煤矿突水事故与断裂构造带有关,另有25%与采动裂隙有关。断裂构造区易于突水的主要原因如下:(1)断裂带的存在改变了地应力场的方向与大小。(2)断裂带的存在,提供了突水途径。(3)断裂带附近地应力释放,使隔水岩层阻水能力下降。因此,在更深入的研究和广泛地尝试运用新的开采方法和设计安全开采参数时,决不能忽视客观地质条件的作用,尤其是断裂构造对底板突水的影响。3.3　如何确定水压、矿山压力、底板隔水层特征、开采空间等对对拉面开采的影响承压水的水压对底板隔水层的作用主要表现为压裂扩容作用和渗水软化作用。压裂扩容作用是指承压水在小裂隙中进一步压裂岩体、使原有裂隙扩大,渗水软化是指承压水在底板隔水层中,降低有效应力和岩体的粘聚力,在与采动矿压联合作用下,使底板隔水层强度软化,使其产生更大破裂。根据对底板矿压显现与底板岩体变形破坏规律的研究发现,采动突水是由矿压和底板承压水水压共同作用的结果。在采掘前方一定范围内的底板岩体产生超前支承压力;在空顶区形成卸压,底板岩层应力下降,造成卸压膨胀;在增压区与卸压区之间,底板岩体即由压缩转化为膨胀状态时,会出现剪切面或局部化剪切带,当导水断裂的产状与破坏变形带一致时,或当底板隔水层破裂已经贯通时,其阻水能力就会大为下降,只要承压含水层有一定的水源和大于最小水平主应力的水压力就会出现突水。这种采动突水多发生在工作面后方附近的采空区内。底板岩层的极限承载能力,既取决于工作面的宽度,也取决于工作面的推进长度。即底板岩层的承载能力与煤层开采后的暴露面积有关。有些现场发现相同工作面,开采初期没有突水,开采后期出现透水现象,除了与地质条件可能发生变化外,

还与开采范围扩大有关。

4　承压水体上对拉面开采对策的研究4.1　承压水体上对拉面错距的确定根据杨庄矿2635面现场矿压观测及模拟试验资料进行综合分析研究的成果,承压水体上对拉工作面开采的错距对底板岩层破坏的影响只是局部和暂时的。当工作面开采达到一定规模后,底板岩层破裂最大深度取决于宏观开采技术参数和地质条件,底板岩层现时的和最终的破裂深度不因开采错距的大小(5～30m)而改变。从局部范围看,工作面错距的影响主要表现在以下3个方面:(1)工作面错距段附近的矿山压力分布;(2)工作面错距段底板岩层破坏连通特征;(3)对拉面后方采空区底板岩层达到最大破裂深度的位置。从控制底板岩层破坏和矿山压力两方面考虑,认为对拉面错距为10m以内为宜。该认识可在具有相同地质条件的矿井中应用。4.2　断裂构造、岩体节理裂隙的确认、定位和描述及其对底板突水的影响研究杨庄井田位于闸河复式向斜的南部转折端,所处大地构造位置为华北淮地台鲁西隆起徐州褶断带的西南侧。根据宏观构造,小构造和岩组微观构造分析,结合区域构造发展史,一般认为矿井经历了两期构造运动,即:早期近SN向应力场和晚期近EW向应力场,并得出如下规律性认识:NW、NNW向断裂具张扭性,是导水的;NE、NEE向断裂・12・矿山压力与顶板管理　2004.№4　具压扭性,是不导水的;SN、EW向断裂则视其形成时期决定控水性质。历年的勘探与采掘工程证实,井田的地质构造以宽缓的褶皱构造为主,井田内未发现深大断裂,一般为10～20m的中小断层,据调查,井下三次突水均未发现与大断裂构造有直接联系,突水部位多为小断层发育带或褶皱转折端,因此井田内大断裂集中导水带不存在或较少,而是以较大面积的岩层破裂地段为相对集中导水带。为了研究杨庄矿6煤顶底板岩体节理发育与网络连通情况,在杨庄矿265运输上山,2652轨巷分别对6煤顶底板岩体的节理进行了现场观测。根据矿井地质构造和岩体节理裂隙的调查结果,可得出结论:(1)矿井构造运动规律决定6煤顶底板岩体节理发育规律,即6煤顶底板岩体中发育的NE、NW、SN向三组节理,完全对应于矿井的三组主要断裂,其中6煤顶板岩体节理较发育,底板岩体节理发育相对较差。较硬的细砂岩中节理较发育,较软的砂质页岩中节理发育相对较差。(2)NE、NW、SN向节理绝大部分彼此独立,节理网络连通情况差,有利于6煤顶底板岩体隔水。4.3　水压、矿山压力、底板隔水层特征、开采空间等对对拉面开采的影响及相互关系研究为揭示承压水体上对拉面开采底板岩层破坏规律和相关因素的影响,根据杨庄矿地质与开采技术条件,采用国际上先进的三维岩石力学有限差分程序———FLAC3D,建立了承压水体上对拉面开采三维固液耦合的岩体力学数值计算模型,对开采过程中的岩体破坏机理和采场力学行为进行了深入、系统的研究。并得出如下主要结论:(1)承压水体上采用对拉面开采,底板岩层的破裂深度主要取决于工作面开采后暴露的采空区范围。在模拟计算条件下,当工作面在某一方向的开采尺寸达到150m时,底板岩层的破裂深度将达到最大值,一般为15～18m。此后,底板破裂深度不再随开采范围的扩大而明显增加。(2)底板承压水压力对直接底和隔水层底部原位岩体破坏会产生不同影响。在模拟计算条件下,当底板水压力为3MPa时,只有直接底发生破坏,破裂深度因开采技术参数不同在15～18m范围变化;当底板水压达4～5MPa时,除直接底发生破坏外,隔水层底部岩层也受到不同规模的原位张裂,一般破裂厚5～8m,当对拉面宽度和水压都较大时,岩体原位张裂厚度会进一步增加。结果使底板水导升、底板岩层的整体隔水性能下降。(3)隔水层厚度在预防突水方面具有物理和

力学两方面的意义和作用。从力学角度分析,当隔水层厚度较大时,可弱化来自开采参数和底板水压两方面的作用和影响,包括直接底和隔水层底部原位岩体张裂。(4)底板岩层破坏性质主要为拉破坏,且底板

出现最大破裂深度的位置一般在采空区内部。从这个意义上讲,初采期老顶初次来压阶段、正常开采的老顶周期来压阶段应以顶板矿山压力控制为主,在末采期收尾阶段的停采线设计,要在有利于控制底板岩层长期力学行为方面考虑。有关承压水体上岩体的蠕变和松弛效应,有必要做进一步的研究。在目前地质与开采技术条件下,有利于对拉面开采安全的采面宽度为150～200m、采面错距保持在10m左右为宜。