研發(fā)起止時(shí)間:2017年10月~2020年12月
完成單位:晉能控股煤業(yè)集團(tuán)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
獲獎(jiǎng)及評(píng)價(jià):國(guó)際先進(jìn)
針對(duì)大同礦區(qū)雙系煤層中侏羅紀(jì)已經(jīng)開(kāi)采、開(kāi)采破壞帶連接不同含水層甚至地表河流的現(xiàn)狀提出了復(fù)合水體概念,通過(guò)各煤層導(dǎo)高分析、同位素測(cè)試等方法,分析地表水、含水層水、老空水的水力聯(lián)系,研究了復(fù)合水體特征,綜合采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段揭示了雙系煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律,構(gòu)建了復(fù)合水體影響區(qū)綜放工作面開(kāi)采的安全性評(píng)價(jià)方法和防治措施。
主要研究?jī)?nèi)容如下:
(1)通過(guò)研究得出了河流老空復(fù)合水體的特征,圈定了河床影響區(qū),分析了多層老空水與地表水的聯(lián)系
通過(guò)河流調(diào)查工作確定了馬脊梁溝的平面特征、河床坡度、河床寬度等參數(shù)。圈定了馬脊梁溝的河床影響區(qū)范圍,如圖1。據(jù)物探、鉆探和開(kāi)采資料,各層煤都存在一定范圍的老空區(qū),對(duì)多層老空水與河流水復(fù)合性關(guān)系進(jìn)行分析。
圖1 河床影響區(qū)
(2)通過(guò)研究得出了雙系煤層開(kāi)采條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律
根據(jù)工作面附近14個(gè)鉆孔資料,對(duì)煤層覆巖巖性組成進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)馬脊梁礦鉆孔取得的巖芯進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),3號(hào)煤層覆巖各類巖石抗壓強(qiáng)度范圍為34.8 MPa~55.2 MPa。以8117工作面開(kāi)采為研究對(duì)象,通過(guò)材料模擬導(dǎo)水裂隙隨工作面開(kāi)采的發(fā)育過(guò)程,設(shè)置3種開(kāi)采方案進(jìn)行數(shù)值模擬,得出了不同開(kāi)采情況下覆巖裂隙發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系,如圖2。通過(guò)數(shù)值模擬、材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔電視觀測(cè)、注水試驗(yàn)方法,得到了導(dǎo)水裂隙帶的高度。分別為:材料模擬為110 m~130 m;數(shù)值模擬為120~140m;鉆孔電視觀測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為145 m~150 m,注水試驗(yàn)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為140 m。綜合確定以注水?dāng)?shù)據(jù)為最終依據(jù),計(jì)算裂采比為24.27;
圖2 覆巖裂隙高度與推進(jìn)距離關(guān)系曲線
(3)通過(guò)研究評(píng)價(jià)了復(fù)合水體影響區(qū)開(kāi)采安全性
石炭系3煤層開(kāi)采雖然對(duì)河流有一定影響,但沒(méi)有災(zāi)難性和破壞性影響;石炭系3煤開(kāi)采對(duì)侏羅系已有采空區(qū)的滲透性影響不大;以較為可靠的裂采比法計(jì)算,石炭系3煤到侏羅系14煤老空間的防水安全巖柱厚度計(jì)算值局部大于實(shí)際防水安全巖柱厚度,局部防水煤柱不符合規(guī)范要求,要進(jìn)行限采高開(kāi)采;石炭系3煤層開(kāi)采時(shí),其直接充水水源為石炭系太原組含水層和二疊系山西組含水層,由于石炭系3煤至侏羅系14間主要發(fā)砂巖為主,同時(shí)有采動(dòng)影響,侏羅系14煤老空水緩慢滲入石炭系3煤工作面,成為涌水量的一部分。
(4)通過(guò)研究提出了復(fù)合水體影響區(qū)開(kāi)采的安全技術(shù)措施
根據(jù)以上復(fù)合水體的特點(diǎn)和其威脅程度,確定以下水害防治的總體思路(圖3):①建立兩道防線:第一道防線的防范對(duì)象為地表水,第二道防線防范對(duì)象為侏羅系老空水;②進(jìn)行兩層次疏排工作:第一層次疏排為對(duì)侏羅系14煤老空區(qū)積水進(jìn)行疏放;第二次疏排為對(duì)工作面頂板砂巖水進(jìn)行必要的疏放;③兩方面監(jiān)測(cè)工作:一方面監(jiān)測(cè)復(fù)合水體在開(kāi)采影響下的變化情況和滲流規(guī)律;另一方面,對(duì)工作面出水點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)水量監(jiān)測(cè),及時(shí)采用相應(yīng)防治措施。
圖3 防治水總體思路圖
(1)通過(guò)各煤層導(dǎo)高分析、同位素測(cè)試等方法研究了河流與老空水及含水層水的水力聯(lián)系,分析了河流老空復(fù)合水體的特征,提出了復(fù)合水體影響區(qū)水害防范體系;
(2)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、材料模擬研究雙系煤層上部煤層采空區(qū)的空間位置對(duì)下部煤層導(dǎo)水裂隙帶高度的影響;
(3)采用地下水滲流理論計(jì)算注水試驗(yàn)巖體滲透系數(shù),根據(jù)鉆孔電視觀測(cè)到的孔壁破壞情況,以總裂隙面積為主要依據(jù),綜合確定導(dǎo)水裂縫帶上限。
項(xiàng)目研究成果在馬脊梁煤礦8117工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),成功地指導(dǎo)了工作面安全生產(chǎn),沒(méi)有出現(xiàn)水害事故,采取的防范措施合理有效,提高了回采效率(推進(jìn)度整體恢復(fù)至出水階段的10倍左右)和礦井生產(chǎn)效益。該技術(shù)在主動(dòng)治理復(fù)合水害方面具有良好的推廣前景。
本項(xiàng)目于2021年4月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定,獲國(guó)際先進(jìn)水平。