陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開(kāi)采影響因素研究.pdf

1、陜北榆神府淺埋煤層礦區(qū)是我國(guó)煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的首選基地,是我國(guó)目前探明儲(chǔ)量最大的煤田。它地理位置優(yōu)越,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤質(zhì)優(yōu)良,開(kāi)采容易,已經(jīng)成為我國(guó)主要的特大型優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤和出口煤基地。但是,礦區(qū)處于干旱半干旱的毛烏素沙漠與黃土高原接壤地區(qū),水資源貧乏,土地貧瘠,植被稀疏,生態(tài)環(huán)境脆弱,社會(huì)發(fā)展水平低。自然狀態(tài)下環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。煤炭工業(yè)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)更加快了該區(qū)環(huán)境質(zhì)量的下降趨勢(shì),如何合理有效地開(kāi)發(fā)煤炭資源,保護(hù)水資源,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改

2、善,使區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是該地區(qū)煤田開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的一個(gè)重大課題?？沙掷m(xù)發(fā)展開(kāi)發(fā)本地區(qū)煤田的關(guān)鍵是在保護(hù)淺層地下水資源的條件下開(kāi)發(fā)煤炭資源即保水開(kāi)采。
　　本文論述了保水開(kāi)采的影響因素,認(rèn)為影響保水開(kāi)采的主要因素有礦區(qū)覆巖的工程地質(zhì)特征(包括巖性、地層組合關(guān)系、基巖風(fēng)化帶特征)、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采方法、煤柱的穩(wěn)定性等。以前的研究者有的主要從采礦方法、有的主要從地質(zhì)條件或者主要從水文地質(zhì)角度研究保水開(kāi)采，本文嘗試綜合考慮影響保水開(kāi)采的各

3、種自然和技術(shù)因素,尤其是覆巖的工程地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采方法等,具體研究各個(gè)影響因素是如何影響導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育,如何通過(guò)控制保水開(kāi)采的影響因素實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采。綜合影響保水開(kāi)采的各種因素,提出陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開(kāi)采的區(qū)域劃分體系。
　　在覆巖工程地質(zhì)特征對(duì)保水開(kāi)采影響的研究中建立了保水開(kāi)采的工程地質(zhì)模型,為相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬提供模型依據(jù)。在地質(zhì)構(gòu)造對(duì)保水開(kāi)采的影響研究中,指出覆巖中斷層的存在提高了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度,采用長(zhǎng)壁

4、間隔式開(kāi)采實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采時(shí),覆巖中存在斷層時(shí)工作面的推進(jìn)距離要小于無(wú)斷層時(shí)的情況。研究了斷層活化突水的力學(xué)機(jī)理,指出斷層傾角決定了斷層活化的形式,并推導(dǎo)出斷層不同活化形式時(shí)的臨界采深和長(zhǎng)壁間隔式開(kāi)采工作面臨界推進(jìn)距離的計(jì)算公式。以燕伙盤(pán)井田為例探討了斷層斷距與斷層活化的關(guān)系。采用相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,以大柳塔煤礦為例研究基巖中含有斷層工作面不同推進(jìn)方向時(shí)保水開(kāi)采的工作面合理推進(jìn)距離,得出基巖厚度分別為15m、30m、42m、54m和60

5、m時(shí)采用長(zhǎng)壁間隔式采煤保水開(kāi)采工作面的推進(jìn)距離,回歸出工作面的推進(jìn)距離與導(dǎo)水裂隙帶高度之間的經(jīng)驗(yàn)公式,而且得出從斷層上盤(pán)向下盤(pán)推進(jìn)比反向推進(jìn)時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度要大的結(jié)論。煤柱的穩(wěn)定性是保水開(kāi)采實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,在建立的保水開(kāi)采的工程地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上研究了長(zhǎng)壁間隔式開(kāi)采煤柱的合理寬度,結(jié)果表明15m是煤柱的合理寬度。
　　在開(kāi)采方法對(duì)保水開(kāi)采的影響研究中,分析采空區(qū)覆巖的移動(dòng)規(guī)律,分別對(duì)砂基型和砂土基型礦區(qū)提出相應(yīng)的保水開(kāi)采方

6、法。在砂基型礦區(qū)應(yīng)用固體力學(xué)理論,建立保水開(kāi)采的關(guān)鍵保護(hù)層判據(jù),提出通過(guò)選擇合理的開(kāi)采方法(包括長(zhǎng)壁間隔式開(kāi)采、分層開(kāi)采等)使覆巖中的關(guān)鍵保護(hù)層不破斷,導(dǎo)水裂隙帶不發(fā)展到基巖上部的隔水層達(dá)到保水開(kāi)采的目的。在砂土基型礦區(qū)采用開(kāi)采損害學(xué)中地表移動(dòng)變形和采動(dòng)巖體內(nèi)部移動(dòng)變形預(yù)計(jì)的方法,考慮覆巖中隔水土層的膨脹性計(jì)算淺埋煤層砂土基型礦區(qū)開(kāi)采后隔水土層中裂隙的破壞深度,同時(shí)借鑒相似模擬實(shí)驗(yàn)確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度,最后計(jì)算采高不同時(shí)這兩種裂隙之

7、間的隔水保護(hù)層厚度,當(dāng)隔水保護(hù)層厚度滿足規(guī)定要求就可以實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采,從而確定砂土基型礦區(qū)保水開(kāi)采的合理開(kāi)采方法。以陜北淺埋煤層礦區(qū)兩個(gè)不同覆巖結(jié)構(gòu)煤礦保水開(kāi)采方法的選擇為例驗(yàn)證了研究結(jié)果的可行性,同時(shí)應(yīng)用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。
　　最后根據(jù)保水開(kāi)采的需要對(duì)礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)采空區(qū)上覆巖層不同的巖土體類(lèi)型及工程地質(zhì)性質(zhì)對(duì)保水開(kāi)采影響作用的研究,綜合考慮影響保水開(kāi)采的各種自然和技術(shù)因素,對(duì)礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)根據(jù)保