近浅埋薄基岩煤层开采隔水层破坏机理研究

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1、近浅埋薄基岩煤层开采隔水层破坏机理研究1绪论1.1问题的提出在上世纪八十年代，我国在广阔的毛乌素沙漠下面发现储量非常丰富的优质型煤田，煤田以厚煤层为主，地质构造比较简单[1]，开采条件比较优越，使得我国的能源发展战略的重心从东部逐步向西部方向转移，对我国的能源发展具有重要意义。但是煤层开采过后显现出下面几个问题：1.在浅埋煤层大规模幵采过程中与脆弱的生态系统之间的矛盾越来越突出西部煤田赋存表现出的典型的特点是基岩薄、煤层埋藏在200m以内、上覆厚松散层，井下开采造成的导水裂隙能直达地表，使地表水以导水裂隙为通道与开釆空间相连通，导致地表水流失。在西部煤田开釆过

2、程中曾多次发生工作面溃沙涌水等重大事故，这些问题给国家的经济造成了非常大的损失[2_3]。此外，由于西部处于干旱半干旱的特殊环境中，蒸发量非常大，降水量比较少，直接造成当地生态环境十分脆弱，显现出水资源对人类R常生活和生态环境平衡之间的矛盾更加激烈化，迫切需求解决。采后修复地表生态环境成本高、难度大传统煤矿的开采基本上都是采用先采后治的方案，在西部煤炭大幵发的进程中如果继续沿用这种开采方式，将会对原有的脆弱环境造成破坏，直接导致及其稀缺的地表水资源加速流失，植被迅速死亡、土地迅速荒漠化，沙尘暴严重，如图1-1。.1.2浅埋煤层国内外研究现状1.2.1近浅埋煤层

3、的定义根据矿山压力与岩层控制中对浅埋煤层的定义[8]:1)对于基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断运动表现为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层，它的特征可以概括为埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。2)对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，顶板结构呈现出两组关健层，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。从这些定义中可以看出来，近浅埋煤层的研究是包含在对浅埋煤层研究的范围之内的。1.2.2国外研究现状早期国外研究近浅埋煤层幵挖后上覆

4、岩层破坏规律的有前苏联的M.秦巴列维奇。它研究了莫斯科近郊浅埋深条件的煤田，提出了台阶下沉假说[9]。假说认为对于埋深比较浅的浅埋煤层，视其上覆各个岩层均为均质，开采过程中整个上覆岩层的重力都加载到支架上。20世纪80年代初，澳大利亚博士B.霍勃尔瓦伊特等人对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿的浅埋深长臂开釆发生的一系列矿压现象进行实测测量数据显示出地表下沉量几乎是釆高的60%,其中大部分最大下沉量都是在距离工作面40m范围内发生的。这说明采空区很快的就被压实，在采空区的两侧存有大量裂隙。1980年，格维尔茨曼利用物理相似模拟实验对水体下浅埋煤层开采进行研究[11]，

5、通过实验确定了采空区上覆岩层贯通裂隙的高度。在20世纪90年代，澳大利亚学者L.Holla等人还对新南威尔士的浅埋煤层工作面进行观测[12]，浅埋煤层工作面经过长臂开采后其上覆顶板的岩层移动规律是顶板跨落高度是釆高9倍的结论，釆空区顶板岩层在回釆工作面推进后快速下沉。2采动覆岩变形力学分析2.1榆阳矿区概况本文以榆阳煤矿为研究对象进行近浅埋煤层幵采后覆岩移动规律的研究，榆阳煤矿隶属于陕西中能煤田有限公司，煤矿在陕西榆林的榆阳区以西的米家滩一带。交通位置图见2-1。在矿区地下岩层的延安组中共含有煤层13层（厚度〉0.1m)，其中自上而下为#3、#3下、#4-1、

6、#4-2、#5、#9号6个可采煤层。延安组煤系盖层见有直罗组、安定组及第四系松散沉积物，盖层总厚100?200m，由南向北有增厚的趋势。本文以矿区主采煤层#3煤来进行分析，#3煤厚度在2.90~3.99之间，平均倾角为3°，煤质优越，具有良好的开采条件，岩层柱状图如图2-2。但该矿区地处沙漠边缘，大部分区域被沙漠覆盖，区内降水稀少，地下水资源贫乏，生态环境脆弱，而浅部煤层的幵采将直接威胁到含水层，造成含水层水资源溃入采场造成破坏。因而，保水开采的成败对矿区发展尤为重要。2.2上覆岩层裂隙演化高度及破坏判据分析通常影响地下水位下降的主要因素是导水裂隙带发

7、育高度是否使开采煤层与含水层之间的隔水层遭受破坏导通。所以，想要实现拨水开釆就必须先要对导水裂隙带演化高度进行研究。本文创新点就是从充分釆动后地表最大下沉量和覆岩变形量的角度出发，推到了充分釆动后地表最大下沉量和覆岩变形量与覆岩导水裂隙带之间的定量关系。采动是否导致含水层破坏，不但取决于导水裂隙带的发育高度，而且还与水体底部隔水层裂隙向下发展的深度是否与导水裂隙带沟通有关。以榆阳矿区开采#3煤层为例，借助于理论分析成果和试验研究成果，对厚风积沙薄基岩浅埋煤层条件下保水开采进行评价。#3煤层平均厚度3.5m，煤层形态简单，呈现出稳定的层状结构，煤层倾角0.6&d

8、eg;左右。煤层顶板为中粒长石砂岩，粉