李 猛，張吉雄，鄧雪杰，周 楠，張 強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

含水層下固體充填保水開采方法與應(yīng)用

李 猛1,2，張吉雄1,2，鄧雪杰1,2，周 楠1,2，張 強(qiáng)1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為解決含水層下煤層開采所導(dǎo)致的潰水災(zāi)害問題，提出了基于固體充填采煤的保水開采方法，闡述了該方法的基本原理，分析了固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙演化特征，并基于固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，建立了含水層下固體充填開采臨界充實(shí)率計(jì)算模型，分區(qū)設(shè)計(jì)了受含水層影響煤層的充實(shí)率，進(jìn)而對煤層進(jìn)行了充填工作面設(shè)計(jì)布置。五溝煤礦CT101充填工作面應(yīng)用結(jié)果表明：實(shí)測充采質(zhì)量比平均值為1.32，大于理論設(shè)計(jì)值1.28，充填效果較好，且導(dǎo)水裂隙帶高度僅為10.0 m左右，該方法有效地降低了覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度，可實(shí)現(xiàn)含水層下保水開采的目標(biāo)。

含水層；固體充填開采；保水開采；導(dǎo)水裂隙帶；充實(shí)率

煤層開采過程中，在礦山壓力作用下工作面上覆巖層會產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動，導(dǎo)致覆巖垮落和斷裂而產(chǎn)生裂隙[1-3]，當(dāng)裂隙相互溝通后將會形成導(dǎo)水通道，即導(dǎo)水裂隙帶[4-6]，一旦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至含水層，含水層中的水體將會進(jìn)入采場，引起礦井發(fā)生潰水災(zāi)害，同時(shí)，含水層中的水體疏干嚴(yán)重，含水層結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致地下水資源枯竭并誘發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境問題。近年來，中國已發(fā)生數(shù)十起在含水層下采煤引起的潰水災(zāi)害，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[7-10]。目前，為了保護(hù)地下水資源和地質(zhì)環(huán)境，張東升等[11]選用短壁綜采工藝實(shí)現(xiàn)了特厚堅(jiān)硬巖層組下的保水采煤；范立民等[12]總結(jié)了西部生態(tài)脆弱礦區(qū)不同階段保水采煤研究的最新進(jìn)展和存在的科學(xué)問題；馬力強(qiáng)等[13]為了解決保水與采煤這一矛盾，提出了以工作面快速推進(jìn)為核心的長壁工作面保水開采技術(shù)；寧建國等[14]構(gòu)建了淺埋砂質(zhì)泥巖頂板煤層保水開采評價(jià)模型，獲得淺埋煤層保水開采的2個基本條件，并提出保水開采評價(jià)方法；王曉振等[15]針對部分礦區(qū)采動導(dǎo)水裂隙異常發(fā)育的問題，采用模擬實(shí)驗(yàn)和工程探測的方法，就主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對頂板導(dǎo)水裂隙演化和含水層水位的影響進(jìn)行了深入研究。以上研究成果極大地促進(jìn)了保水采煤技術(shù)與理論的發(fā)展。同時(shí)，堵水截留、限厚開采等方法被提出來，但并未從根本上實(shí)現(xiàn)煤炭資源高回收率、含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)雙贏的綠色礦區(qū)建設(shè)目標(biāo)。

隨著充填采煤技術(shù)的發(fā)展，我國自主研發(fā)了新型的固體充填開采技術(shù)[16-18]，將矸石等固體廢棄物直接充填入采空區(qū)，作為永久的承載體支撐上覆巖層，有效地控制了上覆巖層移動[19-20]，降低了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，成為含水層下煤層開采較為有效的一種方法。國內(nèi)外學(xué)者對垮落法開采中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育進(jìn)行了研究[21-24]，采用數(shù)值模擬方法得到了煤層開采中覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，并在大量現(xiàn)場實(shí)測的基礎(chǔ)上，提出了導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)公式，為含水層下保水開采提供了理論依據(jù)。但由于固體充填開采將充填材料充填入采空區(qū)，其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律與垮落法不同，因此，本文以固體充填開采基本原理為基礎(chǔ)，分析固體充填開采導(dǎo)水裂隙演化特征，基于固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式，建立含水層下固體充填開采臨界充實(shí)率計(jì)算模型，并對五溝煤礦CT101充填工作面應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以期為含水層下煤層開采提供一種新途徑。

1 工程地質(zhì)條件

五溝煤礦受含水層影響區(qū)域位于礦區(qū)東北部，走向長度為2.51 km，傾向長度為0.93 km，區(qū)域面積為2.35 km2，區(qū)域新生界松散層底部第四系含水層直接覆于基巖地層之上，下方無隔水層，煤層開采受“四含”影響嚴(yán)重。

(1)含水層分布特征

區(qū)域“四含”厚度為6.23～32.7 m，厚度變化較大?！八暮背练e厚度總體呈現(xiàn)“西南厚東北薄”的趨勢。區(qū)域西側(cè)與南側(cè)厚度較大，起伏也較大，厚度在18.0～32.7 m；區(qū)域中部厚度較小，東北部厚度最小，并且較平坦，厚度在6.23～14.0 m。區(qū)域富水性由北向南、由東向西逐漸增強(qiáng)。含水層厚度分布特征如圖1所示。

圖1 含水層厚度分布

(2)基巖分布特征

區(qū)域基巖厚度變化范圍為0～125.52 m，厚度變化較大，并呈現(xiàn)“西厚東薄”的變化趨勢。區(qū)域西側(cè)基巖厚度較大，在80.0～125.52 m的范圍內(nèi)變化，東側(cè)基巖厚度較小，部分區(qū)域基巖厚度為0，煤層直接賦存于含水層之下。區(qū)域內(nèi)基巖厚度還存在一定的起伏，具體基巖厚度分布特征如圖2所示。

圖2 基巖厚度分布

(3)煤層賦存情況

主采煤層為10煤，厚度為0.93～7.50 m。區(qū)域煤層厚度總體呈現(xiàn)“中部厚四周薄”的變化趨勢。區(qū)域東部煤層厚度最小，中部呈小山狀突起，厚度達(dá)到最大值。除中部突起以外，其他區(qū)域厚度變化較小，趨勢相對平緩，煤層厚度主要集中在3.5 m左右。煤層厚度分布特征如圖3所示。

圖3 煤層厚度分布

2 固體充填保水開采方法

2.1 基本原理

固體充填開采屬于充填開采技術(shù)的一種，其是在綜合機(jī)械化采煤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可實(shí)現(xiàn)在充填支架掩護(hù)下同時(shí)進(jìn)行采煤和充填。與傳統(tǒng)綜采相比，采煤系統(tǒng)與傳統(tǒng)綜采相同，不同的是固體充填開采增加了一套將地面充填材料安全高效地輸送至工作面采空區(qū)的垂直投料系統(tǒng)，以及位于充填支架后部的夯實(shí)系統(tǒng)，如圖4所示。通過將矸石、建筑垃圾、粉煤灰和露天礦渣等固體廢棄物作為充填材料密實(shí)充填入采空區(qū)，控制上覆巖層移動，降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，從而達(dá)到保水開采的目的。

圖4 固體充填開采基本原理

具體基本原理是將充填材料通過垂直投料系統(tǒng)輸送至井下儲料倉，然后儲料倉里的充填材料通過井下運(yùn)輸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的充填輸送機(jī)上，再由充填輸送機(jī)的卸料孔將充填材料充填入采空區(qū)，最后夯實(shí)機(jī)對充填材料進(jìn)行夯實(shí)，使原本松散堆積的充填材料達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，從而有效地控制上覆巖層移動和裂隙發(fā)育。

2.2 導(dǎo)水裂隙演化特征

在傳統(tǒng)垮落法開采中，隨著工作面的推進(jìn)，直接頂失去了下部煤層的支撐作用，在巖層自重和上覆巖層壓力作用下發(fā)生垮落，形成垮落帶；而基本頂則以梁或板的形式向下方移動、彎曲，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生斷裂，并不斷向上覆巖層發(fā)展，形成裂隙帶；垮落帶與裂隙帶合稱為“導(dǎo)水裂隙帶”，一旦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至含水層，水體將會經(jīng)貫通后的采動裂隙流向工作面，造成工作面發(fā)生潰水災(zāi)害，如圖5(a)[25]所示。

圖5 覆巖導(dǎo)水裂隙演化特征

在固體充填開采中，由于采用充填材料充填工作面采空區(qū)，煤層開采后留下的空間被充實(shí)，并且充填材料在夯實(shí)機(jī)的作用下充分接頂，作為主要的支撐體承載上覆巖層的載荷，有效地限制了頂板的下沉，使上覆巖層以彎曲下沉為主，只有局部出現(xiàn)裂隙，而不產(chǎn)生垮落帶，有效地降低了由采動造成的導(dǎo)水裂隙帶高度，保證了含水層下煤層的安全開采，如圖5(b)[26]所示。

在傳統(tǒng)垮落法開采中，采高是影響上覆巖層移動變形破壞程度的主要因素，而對于固體充填開采，充填材料充填了上覆巖層垮落的空間，相當(dāng)于降低了采高，因此，可有效地降低覆巖移動變形破壞程度。為了評價(jià)固體充填采煤的充填效果，等價(jià)采高理論和充實(shí)率概念被相關(guān)學(xué)者提出，并且兩者滿足一定的關(guān)系[19-20]：

其中，Me為等價(jià)采高；M為采高；φ為充實(shí)率。由式(1)分析可知，當(dāng)采高一定時(shí)，充實(shí)率越高，等價(jià)采高越小，充實(shí)率和等價(jià)采高呈反比例關(guān)系。

為了研究固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，文獻(xiàn)[7,27]采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件回歸得到了采高和充實(shí)率與固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)系

其中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度。根據(jù)式(2)，繪制得到了采高和充實(shí)率與固體充填采煤導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)水裂隙帶高度與采高和充實(shí)率的關(guān)系

由圖6分析可知，采高越小，充實(shí)率越大，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度就越低，因此，對于具體的煤層賦存情況，充實(shí)率是固體充填采煤控制覆巖移動變形破壞的關(guān)鍵因素。

3 含水層下固體充填開采充實(shí)率設(shè)計(jì)

3.1 充實(shí)率分區(qū)設(shè)計(jì)

固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通含水層，主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度和開采煤層至含水層之間距離。

含水層下煤層開采所留設(shè)的防水煤巖柱不僅要預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，還要考慮保護(hù)層厚度，即基巖厚度應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶高度加上保護(hù)層厚度，因此，含水層下采煤允許的臨界基巖厚度為

式中，H為臨界基巖厚度；Hb為保護(hù)層厚度。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[28]中對保護(hù)層厚度的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合五溝煤礦巖層基本力學(xué)性質(zhì)，選取保護(hù)層厚度為3倍的等價(jià)采高，聯(lián)立式(1)可得

將式(2)和式(4)代入式(3)，推導(dǎo)得到固體充填開采臨界基巖厚度：

對式(5)進(jìn)行反算，得到不同采高和基巖厚度條件下固體充填開采臨界充實(shí)率的計(jì)算模型：

根據(jù)所建立的臨界充實(shí)率計(jì)算模型，結(jié)合五溝煤礦受含水層影響區(qū)域的煤層和基巖厚度分布特征，設(shè)計(jì)得到該區(qū)域的充實(shí)率分區(qū)劃分情況，如圖7所示。

圖7 充實(shí)率分區(qū)劃分

由圖7分析可知，五溝煤礦受含水層影響區(qū)域的充實(shí)率劃分總體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增大的趨勢。西北區(qū)域充實(shí)率小于0，表明西北區(qū)域不需要進(jìn)行充填，采用傳統(tǒng)垮落法開采即可實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的安全開采；東南區(qū)域充實(shí)率大于1，表明該區(qū)域即使采用固體充填開采技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)煤層的安全開采，應(yīng)留作防水煤柱。

3.2 充填工作面布置

根據(jù)五溝煤礦受含水層影響區(qū)域充實(shí)率分區(qū)劃分情況，在該區(qū)域布置了7個固體充填開采工作面，具體布置如圖8所示。

圖8 充填工作面布置

4 應(yīng)用效果分析

針對CT101固體充填首采工作面，現(xiàn)場監(jiān)測工作面充填效果和導(dǎo)水裂隙帶高度，從而對應(yīng)用效果進(jìn)行分析與評價(jià)。由圖8分析可知，CT101工作面所處區(qū)域無需充填即可保證安全開采，但CT101作為首個試采工作面，為了掌握固體充填開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，設(shè)計(jì)工作面充實(shí)率為80%，并采用矸石作為采空區(qū)的充填材料。

4.1 充填效果實(shí)測分析

充采質(zhì)量比表示充入采空區(qū)的充填材料質(zhì)量與采出的煤炭質(zhì)量之比，充采質(zhì)量比越大表明充填效果越好，反之則表明充填效果越差，因此，選取充采質(zhì)量比作為衡量充填效果的指標(biāo)。通過對充填矸石壓實(shí)特性進(jìn)行測試，確定充實(shí)率為80%時(shí)需滿足充采質(zhì)量比達(dá)到1.28。

在CT101充填工作面開采期間，對充填矸石量與采煤量進(jìn)行了132 d的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到了充采質(zhì)量比的分布曲線，如圖9所示。

圖9 充采質(zhì)量比分布曲線

由圖9分析可知，實(shí)測充采質(zhì)量比平均值為1.32，大于理論設(shè)計(jì)值1.28，表明工作面充填效果較好，最終充實(shí)率大于設(shè)計(jì)值80%。

4.2 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測分析

采用鉆孔沖洗液法對CT101充填工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行監(jiān)測。在CT101工作面上方布置2個觀測鉆孔，2個鉆孔均位于工作面中央，第1鉆孔距離開切眼30 m，第2鉆孔距離開切眼80 m。2個鉆孔深度均為295 m，終孔層位為煤層底板巖層，通過對鉆孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量進(jìn)行分析，得到了CT101充填工作面導(dǎo)水裂隙帶高度，見表1。

表1 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測

Table 1 Measured height of water-conducting fracture zone

參數(shù)CT101充填工作面鉆孔1鉆孔2垮落法開采裂隙帶頂點(diǎn)/m280.45～290.03280.72～291.31導(dǎo)水裂隙帶高度/m9.5810.5921.35～42.70裂采比2.733.026.1～12.2

由表1分析可知，CT101充填工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為10.0 m左右，根據(jù)相鄰已開采工作面實(shí)測結(jié)果，采用垮落法開采時(shí)裂采比為6.1～12.2，而固體充填開采裂采比(裂隙帶高度與采高之比)僅為3.0左右。因此，固體充填開采可有效地降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，防止導(dǎo)水裂隙帶波及含水層，使含水層結(jié)構(gòu)免遭破壞，從而實(shí)現(xiàn)含水層下保水開采的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1)基于含水層下煤層的工程地質(zhì)條件，提出了固體充填保水開采方法，并闡述了該方法的基本原理，分析了固體充填開采導(dǎo)水裂隙演化特征，得到了固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度與采高和充實(shí)率的關(guān)系。

(2)根據(jù)固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，建立了不同采高和基巖厚度條件下固體充填開采臨界充實(shí)率計(jì)算模型，分區(qū)設(shè)計(jì)了受含水層影響區(qū)域的充實(shí)率，并對該區(qū)域的充填工作面進(jìn)行了布置。

(3)CT101充填工作面充填效果和導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測結(jié)果表明：實(shí)測充采質(zhì)量比平均值為1.32，大于理論設(shè)計(jì)值1.28，工作面充填效果較好，并且導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度僅為10.0 m左右。

(4)固體充填保水開采技術(shù)采用充填材料充填采空區(qū)，使煤層開采后留下的空間被充實(shí)，充填材料作為主要的支撐體承載上覆巖層的載荷，有效地降低了由采動造成的導(dǎo)水裂隙帶高度，可實(shí)現(xiàn)含水層下保水開采的目標(biāo)。

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Method of water protection based on solid backfill mining under water bearing strata and its application

LI Meng1,2,ZHANG Ji-xiong1,2,DENG Xue-jie1,2,ZHOU Nan1,2,ZHANG Qiang1,2

(1.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China；2.SchoolofMines,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In order to solve the water inrush problems induced by mining under water bearing strata,this paper proposes the method of water protection based on solid backfill mining.Meanwhile,the fundamental principle of this method is introduced and the evolution characteristics of water-conducting fracture in solid backfill mining are analyzed.Moreover,the calculation model of critical compression ratio is established according to the predicting formula of the height of water-conducting fracture zone in solid backfill mining and the coal mining regulations and coal pillar design affected by buildings,water bodies,railways and main roadway.Then,the compression ratio of coal seam induced by mining under water bearing strata is designed,which is used for the layout of solid backfill mining panel.The engineering application results in CT101 backfill mining panel show that the average measured value of mass ratio is 1.32,which is bigger than theoretical design value and the height of water-conducting fracture zone is about 10.0 meters,indicating that this method effectively reduces the height of water-conducting fracture zone and can achieve the goal of safe mining under water bearing strata.

water bearing strata;solid backfill mining;water-preserved mining;water-conducting fracture zone;compression ratio

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5039

2016-10-09

2016-11-02責(zé)任編輯:許書閣

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目(51421003)；江蘇省特聘教授資助項(xiàng)目(蘇教師(2015)29號)

李 猛(1989—)，男，山東棗莊人，博士研究生。E-mail：limeng1989@cumt.edu.cn。通訊作者：張吉雄(1974—)，男，寧夏中衛(wèi)人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：zjxiong@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0127-07

李猛，張吉雄，鄧雪杰，等.含水層下固體充填保水開采方法與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):127-133.

Li Meng,Zhang Jixiong,Deng Xuejie,et al.Method of water protection based on solid backfill mining under water bearing strata and its application[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):127-133.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5039