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《中国矿业大学(北京)》 2017年
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顶板水害威胁下“煤—水”双资源型矿井开采模式与应用

申建军  
【摘要】:我国煤炭资源储量居世界前列,作为煤炭消费大国,我国也是世界上生产原煤最多的国家。但是,我国煤矿床水文地质条件多种多样,矿床充水条件极为复杂,水害在煤矿重特大事故中所占比例高,已成为仅次于瓦斯事故的第二大杀手。据统计,全国矿井水排放量达71.7亿m3。由于矿井排水量大,昂贵的排水费用使得煤矿企业负担过重。另外,矿区的大量排水导致地下水位持续下降,煤矿区及周围地区的生产生活用水紧张;如果直接排放矿井水,则造成地表水体和地下水体污染;矿井大量疏排水易导致矿区生态环境恶化。更为严重的是,我国水资源的人均占有量仅为世界人均值的1/4,而且分布不均一,煤炭资源与水资源呈逆向分布,我国煤矿集中分布在缺水的华北和西北地区,其中70%的矿区缺水,40%的矿区严重缺水。因此,我国大部分煤矿受到顶板水害的威胁,而且在煤矿区也存在排水、供水、生态环境保护三者之间的矛盾与冲突问题。“顶板水害威胁下“煤-水”双资源型矿井开采模式与应用”针对安全采煤、水资源供给、生态环境保护之间的尖锐矛盾和冲突问题,以兴源矿和锦界矿为工程背景进行了研究,主要成果如下:(1)探讨了影响覆岩导水裂隙带发育高度的地质因素、采动因素及时间因素,以采厚、覆岩岩性为主控因素,利用32个综放开采工作面导水裂隙带高度数据样本,基于RBF神经网络建立了综放开采覆岩导水裂隙带发育高度预计模型,采用7个样本数据测试了模型的准确性。结果表明,7个测试样本预测值与真实值非常接近,基于RBF神经网络模型能够准确预测综放工作面导水裂隙带的发育高度。(2)提出了“煤-水”双资源型矿井开采的概念与内涵,进而提出了“煤-水”双资源型矿井开采的主要技术与方法。(1)“煤-水”双资源型矿井开采概念:在确保矿井生产安全、水资源保护利用、生态环境质量的前提下实施的有效的开采技术与方法,以达到水害防控、水资源保护利用与生态环境保护三位一体结合系统整体最优的目的。(2)“煤-水”双资源型矿井开采内涵:在煤炭资源开采工程中,将地下水视作资源,通过合理的开采技术方法,不仅消除其“灾害属性”的负效应,通过将矿井水资源化利用,挖掘其“资源属性”的正效应,同时尽量避免破坏扰动与煤系同沉积的含水层结构,达到煤炭和水的“双资源”共同开发与矿区生态环境保护的协调、可持续发展目的,最终实现煤矿区水害防控、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标。(3)提出了根据矿井主采煤层的具体充水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、人工干预水文地质条件、充填开采等“煤-水”双资源型矿井开采的主要技术与方法。(3)高效率的长壁大采高采煤法忽视了对水资源和生态环境的影响,企业成本是不完全成本,企业利益是以破坏环境为代价的。基于完全成本理论,长壁大采高采煤法是高效率但是低效益,短壁机械化采煤法、限高开采或分层间歇开采是高效益低效率,企业最终追求目标是可持续的高效益。矿业工程是一项协调安全、资源、生态和环境的综合性工作,采煤只是其中一个子系统,厚煤层长壁一次采全高或综放采煤法追求的是高产量、高效率、高采出率,但并不考虑采后的环境负效应。基于系统论观点,煤炭企业最终追求的应是整个矿业工程系统总体效益最优最大化,而不是系统中某个子系统效益最优。当长壁大采高采煤法无法保障控水采煤时,将其优化为高效益短壁机械化采煤法(如短壁、条带、房式/房柱式等采煤法)或限高开采或分层间歇开采,在某些地质条件下又能焕发出新的生命力,不失为一种好的方法。(4)“煤-水”双资源型矿井开采模式:在“煤-水”双资源型矿井开采概念与内涵的指导下,对采煤方法和防治水技术、措施进行的优化组合,旨在建立解决采煤保水、水资源合理开发利用、生态环境保护等问题的方法集,使得矿井开采目的由之前的采煤和安全两元性向保障井下安全、合理地配置水资源、保护和改善生态环境并尽可能进行矿区生态环境建设的多元性发展。(5)开采模式包含防治水工程措施和开采技术两部分,前者是采用防、堵、疏、排、截的手段对水体进行隔离、控制、疏干、改造,后者包括长壁综采/综放开采、限高开采/分层间歇开采、短壁机械化开采和充填开采。论文基于含水层性质构建了8种顶板水害威胁下“煤-水”双资源型矿井开采模式,即:“留设安全煤岩柱+长壁综采/综放开采”模式、“留设安全煤岩柱+限高开采/分层间歇开采”模式、“边采边疏+井下洁污水分流分排+矿井水分级分质利用+长壁综采/综放开采”模式、“超前疏干+井下洁污水分流分排+多位一体优化结合+长壁综采/综放开采”模式、“人工干预水文地质条件+长壁综采/综放开采”模式、“人工干预水文地质条件+超前疏干+井下洁污水分流分排+多位一体优化结合+长壁综采/综放开采”模式、“天然水文地质条件+短壁机械化开采”模式、“天然水文地质条件+充填开采”模式。(6)论文以兴源矿四采区薄基岩区为工程背景,研究了薄基岩区新生界松散层底部含水层沉积与水文地质特征,基于Surfer软件重新绘制了薄基岩区基岩厚度等值线,提出了薄基岩区“煤-水”双资源型矿井开采的不同模式,并对房式短壁机械化开采条件下采留宽和覆岩运动规律进行了基础理论研究。(1)基于含水层厚度、粘土层占底部含水层比例、钻孔单位涌水量及渗透系数建立了松散含水层富水性分类等级,利用层次分析法确定了各指标的权重,基于可拓物元模型和Arcgis软件对薄基岩区松散层底部含水层富水性进行了等级评定与分区。根据等级评价结果可知,该区域整体富水性为中等~强,在薄基岩区的西南部及东部富水性极强。(2)煤柱单侧屈服区宽度为2.2~2.6m,若煤柱宽度小于等于双侧屈服区宽度,则待下一个煤房开采后,煤柱整体处于塑性状态,煤柱呈“拱形”应力状态。(3)论文提出了极窄条带煤柱稳定性评价体系,包括:煤柱屈服区宽度和煤柱宽度要匹配,避免临界煤柱的出现;覆岩中存在主关键层,覆岩在变形过程中能够产生离层,进而形成稳定压力拱,压力拱支撑拱上方的覆岩重量;屈服煤柱具有足够的强度支撑扩大压力拱下方的覆岩重量。(4)若采用“人工干预水文地质条件+超前疏干+井下洁污水分流分排+多位一体优化结合+长壁综采/综放开采”模式,则需在井田西北边界实施帷幕注浆,预先截取地下水的补给;若采用“天然水文地质条件+短壁机械化开采”模式,则采5留4、采5留5、采6留5等方案具有可靠的安全系数。(7)煤层埋藏浅、基岩薄、顶板上覆有富水性较强的松散孔隙水、风化基岩裂隙水或烧变岩强富水区,是陕北侏罗纪煤田易发生顶板溃水溃砂事故的主要条件。论文以锦界矿为工程背景,建立了溃水危险区和溃水溃砂危险区煤层——隔水层——含水层空间赋存关系,探讨了“煤-水”双资源型矿井开采模式的可行性,基于FLAC3D软件研究了不同采煤方法的煤层覆岩导水裂隙带发育高度规律。(1)在新近系保德组与第四系离石组隔水层缺失的薄基岩区,煤层与含水层之间的岩(土)层的隔水性受采动影响后的控水控砂能力均减弱甚至消失。(2)基于数值模拟结果,建立了研究区域导水裂隙带高度与条带开采采宽之间关系,即Hli=0.01995x2-1.08809x+24.36,其中,Hli为导水裂隙带发育高度,m;x为条带开采采宽(25≤x≤70),m。当采用窄条带(10x25)开采时,导水裂隙带为7.1m,即只有直接顶垮落带。当采用极窄条带(5≤x≤10)开采时,顶板形成类似“梁”的结构,直接顶可以暂时稳定几天,之后同窄条带类似形成垮落带。(3)当充填体弹性模量0.05GPa、0.1GPa、0.2GPa、0.4GPa时,煤层覆岩导水裂隙带发育高度最大值分别为34.4m、16.2m、9.6m、7.1m。随充填体弹性模量增大,导水裂隙带发育高度逐渐趋于稳定,两者关系为:Hli=Ef-0.5025(Hli为导水裂隙带发育高度,m;Ef为充填体弹性模量,GPa)。当弹性模量较小时,充填开采煤层覆岩中存在两种类型的裂隙,即上行裂隙和下行裂隙,且均是因为覆岩下沉过程中拉应力超过岩层最大抗拉强度产生的。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TD745.2

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