煤炭綠色保水開(kāi)采

Serial No. 470EXPRESS INFORMATION總第470期June. 2008OF MINING INDUSTRY2008年6月第6期煤炭綠色保水開(kāi)采徐睿謝亞濤周坤鵬(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)摘要:論述了隨著(zhù)我國煤炭開(kāi)采規模越來(lái)越大,引起的水資源破壞問(wèn)題越來(lái)越突出,極大的阻礙了環(huán)境與社會(huì )經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展。指出煤炭綠色保水開(kāi)采將會(huì )在不影響區域水文地質(zhì)條件情況下采煤,可以很好地預防礦井突水等地質(zhì)災害,從而帶來(lái)巨大的社會(huì )效益和潛在經(jīng)濟價(jià)值。依靠關(guān)鍵層理論、離層理論、裂隙發(fā)育規律、滲流規律、巷道礦壓顯現規律等基礎理論支撐,進(jìn)行了討論。.關(guān)鍵詞:綠色保水開(kāi)采;地下水;關(guān)鍵層;裂隙中圖分類(lèi)號:TD821文獻標識碼:A 文章 編號:1009-5683 (2008 )06-0020-03Green Water-preserved Mining of CoalXu Rui Xie Yatao Zhou Kunpeng( School of Mining Engineering, China University of Mining and Technology)Abstract: With the increasing scale of China s coal mining, the problem of water resources destruc-tion caused by the mining is more and more obvious and it greatly hinders the coordinated development ofenvironment and social economy. W ater-preserved mining of coal will be conducted under the conditionthat it does not afet regional hydrogeologic conditions. It can prevent well mine from water bursting andother geological disasters. This brings about significant social benefits and potential economic value. Thediscussion is carried out by key statum theory, separation theory of rock layer, growth law of crack,transfusion rule and the appearance of the tunnel ore presses.Keywords :Green water-preserved mining; Ground water; Key stratum; Crack1概述而影響區域植被生長(cháng),甚至土地沙漠化。我國每年長(cháng)期以來(lái),我國煤炭開(kāi)采一直是以犧牲礦區環(huán)采煤破壞地下水22億m'。而同期南水北調工程的境為代價(jià),在煤炭開(kāi)采后,造成農田以及建筑物破調水量為448億m2、總投資約5 000億,此外,不少壞、村莊遷徙、矸石堆積如山,河川逕流量減少,部分礦井發(fā)生突水事故,造成經(jīng)濟損失?？梢?jiàn)保水開(kāi)采地區地下水水源干枯、土地沙漠化等礦區生態(tài)環(huán)境的經(jīng)濟效益、社會(huì )效益、生態(tài)效益是巨大的。嚴重破壞的問(wèn)題。隨著(zhù)我國煤炭產(chǎn)量的不斷增加，2綠色保水開(kāi) 采的影響因素煤炭開(kāi)采所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題愈加突出,其中水資源(1)自然因素。包括水體的分布埋藏條件,含的破壞問(wèn)題最為明顯,也最為敏感,因為我國大部分水層力學(xué)性質(zhì)、空隙性質(zhì)以及水體物理化學(xué)成分;區礦區分布在中西部干旱半干旱地區。域煤層的地質(zhì)構造,分布情況;區域巖層的構造性.煤礦開(kāi)采過(guò)程中破壞了地下含水層的原始逕質(zhì),裂隙的發(fā)育程度,各項力學(xué)性能參數,關(guān)鍵層的流,大量排出地下水;采空區上方導水裂隙帶與地下分布,隔水層的厚度等。水體貫通,形成大規模地下水降落漏斗,造成區域含(2)人為因素。包括人員素質(zhì)、開(kāi)采規模、采煤水層水位下降,直接影響到區域水文地質(zhì)條件。采方法、開(kāi)拓方式.工作面尺寸、采空區的處理及機械動(dòng)影響穩定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體中國煤化工(河流、湖泊、井泉等)的原來(lái)形態(tài),造成部分溝泉水量減少甚至干涸;影響當地居民正常的生產(chǎn)生活,進(jìn)MHCNMHG.1 水體時(shí)分類(lèi)根據水體與煤體賦存的相對位置可將水體分為徐睿(1986-).男,河南許昌人,221008江蘇省徐州市。三類(lèi):采區上方水體;采區平面水體;采區下方水體。20徐睿謝亞濤等:煤炭綠色保水開(kāi)采2008年6月第6期其中根據水體運動(dòng)狀態(tài)又可將三類(lèi)水體劃分為靜態(tài)劇烈發(fā)育,發(fā)育速度隨關(guān)鍵層周期性破斷而呈現跳水體和動(dòng)態(tài)水體。躍性變化,而隔水層的位移受開(kāi)采引起的結構關(guān)鍵3.2開(kāi)采原則層位移規律的影響,進(jìn)而影響隔水關(guān)鍵層的穩定性研究開(kāi)采后巖層運動(dòng)對巖體內形成空隙的影與完整性。因而,控制主關(guān)鍵層活動(dòng)就是控制采動(dòng)響,巖體中液體的滲流規律,為保水開(kāi)采的發(fā)展提供裂隙發(fā)育,抑制主關(guān)鍵層離層的形成和發(fā)育。理論基礎。煤層開(kāi)采后引起的巖層變形-破斷移動(dòng)是造成主關(guān)鍵層最大撓度為:Y. =384EJ-(yh, +q,)L,一系列環(huán)境問(wèn)題的根源。因此保水開(kāi)采最根本在于EhyLi控制巖層移動(dòng),使巖層移動(dòng)與水體分布規律相協(xié)調。主關(guān)鍵層下方巖層的最大撓度:(Ym.).=384EJ，在操作過(guò)程中要遵循“減沉與保水”同步設計、同步式中,q為加于主關(guān)鍵層上的載荷;yh,為主關(guān)鍵層實(shí)施、同步管理的原則。自身單位長(cháng)度的載荷;Sh為主關(guān)鍵層下方巖層厚3.3 綠色保水開(kāi)采的理論依據度;h為主關(guān)鍵層厚度;E、Ez為主關(guān)鍵層彈性模①關(guān)鍵層理論;②開(kāi)采對巖層移動(dòng)的影響以及數、主關(guān)鍵層下方巖層的平均彈性模數;J小J為主離層規律;③開(kāi)采后底板巖體應力場(chǎng)分布規律及底關(guān)鍵層斷面慣矩、關(guān)鍵層下方巖層的平均斷面慣矩。板巖層控制技術(shù);④開(kāi)采后巖層內的節理裂隙分布顯然,主關(guān)鍵層與關(guān)鍵層下方巖層之間不形成發(fā)育規律;⑤水在裂隙巖體中的滲流規律;⑥巷道礦離層的條件為:壓顯現規律。3.3.1關(guān)鍵層理論384E,J(yh1 +qn)4i>384E2J2 .“關(guān)鍵層”是指對采場(chǎng)上覆巖層局部或直至地若令q1 =yhs,且hs =ah, ,J ==bh',表的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層。關(guān)鍵層在巖層活動(dòng)中起主要承載作用,并控制采動(dòng)巖體破斷后J=zb(Sh)3 ,則上式可改寫(xiě)為:”Eh E,(Sh)2的結構形態(tài)針對保水開(kāi)采的情況,起主要作用的是隔水關(guān)鍵層,它可以在采區上方也可位于采區下方。.層、1+a假設采區上方水體在結構關(guān)鍵層的上方,或采區下方水體在結構關(guān)鍵層的下方,如果關(guān)鍵層采動(dòng)后不相反,則主關(guān)鍵層與關(guān)鍵層下方巖層互相分離，破斷,同時(shí)關(guān)鍵層有隔水作用,則就是隔水關(guān)鍵層;此時(shí)若下方?jīng)]有足夠的支撐力,則關(guān)鍵層下方巖層如果結構關(guān)鍵層采動(dòng)后發(fā)生破斷,但破斷裂隙被軟在采空區上呈離層狀態(tài),極不穩定,很容易形成推跨弱巖層或流沙所充填,最終重新壓實(shí),不形成滲流或型事故,也促進(jìn)了裂隙的發(fā)育,甚至直接導致隔水關(guān)者突水通道,則結構關(guān)鍵層與軟弱巖層組合形成復鍵層的斷裂,造成水體的破壞。合隔水關(guān)鍵層。復合關(guān)鍵層形成的條件是最上層或.為了防止離層對水體的破壞,形成“條帶煤柱者最下層必須是堅硬巖層。因此,隔水關(guān)鍵層有兩.或充填體-.上覆巖層-主關(guān)鍵層采動(dòng)裂隙(含離層)-種形式:隔水結構關(guān)鍵層,復合隔水關(guān)鍵層。其中，復合隔水關(guān)鍵層"結構體系,使巖層控制與保水同多數情況為復合隔水關(guān)鍵層。步?？刂平Y構關(guān)鍵層的破壞和位移,通過(guò)控制結構3.3.2開(kāi)采對巖層移動(dòng)的影響以及離層規律關(guān)鍵層的位移來(lái)維持隔水關(guān)鍵層的穩定性與完整性煤層開(kāi)采后必然引起煤體上方巖體向采空區內是可行的途徑,有以下幾種方法。移動(dòng)。巖層移動(dòng)將形成三帶三區,其中垮落帶裂隙(1)“采注采”三步法開(kāi)采。充分利用覆巖結帶統稱(chēng)為導水裂縫帶,一旦與上方水體貫通,就會(huì )形構對巖層移動(dòng)的控制作用,應用荷載置換原理,進(jìn)行成大規模降水漏斗,因此要采取合理的開(kāi)采布置,使小條帶開(kāi)采注漿充填固結采空區-剩余條帶開(kāi)采的隔水關(guān)鍵層位于彎曲下沉帶以上,如果是淺埋煤層三步法開(kāi)采,有效地對巖層移動(dòng)控制。開(kāi)采,就要在裂隙發(fā)育期及時(shí)進(jìn)行充填,這樣,采區中國煤化工充填量和充填范上方水體就會(huì )基本完整的保留下來(lái)。圍僅R空區的局部或離其中,采區下方突水的情況巖層一般不會(huì )離層，0THCNMHG層區馬目格wm1元壩，非後石大鍵層結構、充填體因此離層是導致采區上方水體流失的重要因素它及部分煤柱共同支撐覆巖控制巖層移動(dòng)。按部分充影響關(guān)鍵層的穩定性,關(guān)鍵層的破斷將導致裂隙的填的位置和時(shí)間不同,有采空區膏體條帶充填.條帶21總第470期礦業(yè)快報2008年6月第6期開(kāi)采冒落區注漿充填等方法。采區下方水體保水開(kāi)采,對含水層實(shí)行跨采。3.3.3頂板 破斷后潛水流動(dòng)規律煤層開(kāi)采引起周?chē)鷰r層應力重新分布,不僅在回采煤層開(kāi)采后,隨著(zhù)上覆巖層中關(guān)鍵層的破斷,裂空間周?chē)后w上造成應力集中,還向底板深部傳遞，隙會(huì )進(jìn)一步發(fā)育,發(fā)展到隔水層后,潛水會(huì )首先在該在底板巖層--定范圍內重新分布應力,成為影響底裂縫處向井下滲漏,并形成依此為中心的下降漏斗板含水層形態(tài)的重要因素。區域。隨著(zhù)工作面的不斷推進(jìn),貫通裂隙的位置不底板巖層內任-一點(diǎn)的應力主要取決于.上部煤柱斷向著(zhù)工作面的推進(jìn)方向發(fā)展，已產(chǎn)生的裂隙可能的載荷,該點(diǎn)與煤柱的垂直距離及該點(diǎn)與煤柱邊緣隨著(zhù)塌陷區域的不斷擴大而有所閉合。地下水位能或中心線(xiàn)的水平距離,具有以下規律性。否恢復,主要取決于隨著(zhù)工作面的推進(jìn),上覆巖層中(1)- 側采空煤體及兩側采空.寬度較大的煤有無(wú)軟弱巖層經(jīng)重新壓實(shí)導致裂隙閉合而形成隔水柱,作用于煤層上的支承壓力影響深度約為1.5~帶。若有隔水帶,則隨著(zhù)雨水的再次補給,下降漏斗2B;兩側采空、寬度較小的煤柱,作用于煤柱上的支將隨之消失,地下水位也隨之恢復。而它對地面生承壓力的影響深度約為3 ~4B(B為煤柱寬度)。態(tài)的影響則決定于漏斗形成與消失的時(shí)間間隔。(2)兩側采空寬度較小的煤柱,底板巖層內同在工作面的推進(jìn)過(guò)程中，采區上方地下水主要- -水 平面上以煤柱中心線(xiàn)處最大。一側采空煤體，有以下兩個(gè)流失途徑。底板巖層內同-水平面上最大值在煤體下方,距采(1)含水巖層初次斷裂,潛水會(huì )沿著(zhù)貫通裂隙空區邊緣數米處，兩側已采寬度較大的煤柱下,底板滲漏到工作面。如我國西北部分地區(山西大同)巖層內同一水平面上以煤柱中心線(xiàn)處較小,靠近煤頂板為厚層堅硬巖層,表土層薄。煤層開(kāi)采后頂板柱邊緣出現峰值。破斷裂縫從井下采空區貫穿地表,原有頂板含水層(3)無(wú)論在何種煤層載荷形式作用下,底板巖的水全部通過(guò)巖層裂縫漏失,造成區域地下水枯竭。層內應力分布都呈擴展狀態(tài)。(2)隨著(zhù)工作面的不斷推進(jìn),新的貫通裂隙不煤柱下方底板巖層一定范圍內形成應力增高區斷生成,在此貫通裂隙閉合以前,潛水也在不斷的向外,位于煤柱附近的采空區下方底板巖層一-定范圍工作面或采空區滲漏。在采空區內部的貫通裂隙隨內形成應力降低區,采空區下方底板形成了拉伸破著(zhù)工作面的不斷前移在不同程度上有所閉合,滲漏裂區、剪切滑移區,在卸壓區中拉伸破裂區、剪切滑裂隙的區域應該集中在其整個(gè)“貫通裂隙群”的最移區以下區域是保護水體的理想區域。外側。在此稱(chēng)之為潛水滲漏的“關(guān)鍵區域”。要想因此，對底板巖層中存在水體的情況實(shí)施跨采,防治潛水的滲漏,必然要首先控制其“關(guān)鍵區域”，可使水體在 短時(shí)間處在壓力升高區,而后長(cháng)期處于即要首先考慮處理該區域的措施。壓力降低區,從而達到保護水體的目的。在工作面影響保水防潰采煤?jiǎn)?wèn)題的主要因素包括:采煤推進(jìn)到水體附近時(shí),要預先對水體周?chē)装鍘r層進(jìn)方法.工作面尺寸、覆巖結構(塑性巖沉積位置.塑.行裂隙探測 ,必要時(shí)可以進(jìn)行注漿密封,以增強底板性巖厚度、脆性巖厚度)、覆巖厚度及其力學(xué)性質(zhì)和抗壓強度。工作面推過(guò)后,水體就處于安全狀態(tài),這上覆含水層富水性等。所以,防止采區上方地下水就實(shí)現了底板下方存在水體的保水開(kāi)采。流失從以下幾個(gè)方面著(zhù)手:①改變長(cháng)壁開(kāi)采的采煤3.3.5采區 平面水體保水開(kāi)采方法,采用房柱式采煤法或改變工作面的尺寸,或對在這種情況下,主要措施是設計防水煤巖柱。該采煤法進(jìn)行局部的調整,如改變其推進(jìn)方向或工巷間巖柱的穩定性理論是設計巷間防水煤巖柱距離作面的布置方式;②采用充填采空區的辦法,防止隔的理論依據,巷間巖柱的穩定性主要取決于巖柱的水層的破斷;③對潛水滲漏的“關(guān)鍵區域”采取相關(guān)載荷和巖柱強度。當巖柱所承受的載荷超過(guò)其承載的措施如進(jìn)行注漿充填,使其滲漏能力降低。我國能力時(shí),巖柱是不穩定的。反之,則是穩定的。計算西北部分地區(山西大同)頂板為厚層堅硬巖層,表巖柱載荷的理論有壓力拱理論,有限區域理論和土層薄,由于貫通地表的破斷裂縫難以閉合,地表降Wi中國煤化工組成巖性的巖體強雨通過(guò)裂縫滲人井下采空區,原有頂板含水層無(wú)法.度JHCNMHG特征決定。已為大恢復。只有對巖層裂縫進(jìn)行人工注漿封閉、阻斷地量現吻員件/獨證的紅獨公瓦有Obert-Dwvall/ wang表雨水滲漏,逐步恢復原有含水層。(1967)公式:(下轉第32頁(yè))3.3.4采動(dòng)引起的底 板巖層應力分布2總第470期礦業(yè)快報2008年6月第6期尾礦,可以得到含鎢42. 10%的白鎢精礦,鎢的回收高。生產(chǎn)中加強脫泥作業(yè),對于暢通流程,優(yōu)化作業(yè)率可達61.92%。條件,取得好的選別指標十分重要。表4鎢粗精礦重選精選試驗結果給礦藥劑用話(huà): 8/t 甌曠產(chǎn)品產(chǎn)率鎢品位鎢回收率O群礦-0. 071um占61.5%精選條件/% 7% /%.2°油20硫精礦25.40 0.073 8.9鎢精礦0.16 42.80 33.13丁黃402°油20中18.49 0.78 32.04播床沖程:8mm中26.24 0.267.8NaCO, 2000沖次:340min”I水玻璃20000中30.75 0.45 . 1.63731:汕酸10:10再磨80.0% -0.074mm硫精礦中4 0.89 0.80 3.46水玻聃1000浮尾58.07 0.046 12.92731:汕酸50: 50給礦100.00 0.21 100.00尼表5鎢粗精礦精選閉路試驗結果(%)振床相選產(chǎn)品產(chǎn)率鎢品位鎢回收率再映25.620.0597.41-0.071m(占80. 0%鎢精礦0.3042. 1061.92|提床浮尾58.360.05616.02重尾15.7214.64搖床精選重民100.000.203結語(yǔ)(1)該鉛鋅尾礦經(jīng)過(guò)多年的堆存及風(fēng)化、氧化、圖4閉路試驗流程鈍化作用,性質(zhì)變得十分復雜,使該尾礦中的二次資參考文獻:源回收困難。(2)該尾礦鎢資源通過(guò)浮選粗選富集,精選在[1] 程瓊,徐曉萍,曾慶軍等.江西某白鎢粗精礦加溫精逸試驗研究[J].礦產(chǎn)綜合利用,2007(4):3 ~6.采用浮選效果差的情況下改用搖床選別分離,可以2] 廖德華,李曉波.從浮選尾礦中綜合回收鉬和白鎢的試驗研究得到WO,品位為42.10% ,鎢的回收率為61. 92%[J].礦業(yè)快報,007(7):25 -26. .的較好的選別指標。(收稿日期2008-02-26)(3)長(cháng)年的風(fēng)化、氧化,致使該鉛鋅尾礦含泥很整個(gè)綠色開(kāi)采體系中極為重要的部分。通過(guò)綠色開(kāi)(.上接第22頁(yè))R=R.0.78+0.222B)，采理論指導煤炭生產(chǎn),合理處理經(jīng)濟與環(huán)境的關(guān)系,式中,R為巖柱強度,MPa;R.為巖柱臨界單軸抗壓使煤礦得到綠色協(xié)調健康發(fā)展,有著(zhù)極大的使用價(jià)強度,MPa;h為巖柱高度,m。值,可以創(chuàng )造出顯著(zhù)的社會(huì )效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效Bieniawski( 1968)公式:益,特別適合于水資源相對短缺的中西部礦區。R=R(0.778 +0.222號)，式中,R.,為臨界尺寸巖柱的強度,MPa。[1] 錢(qián)鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大試驗結果表明,當巖柱的寬高比B/h大于5學(xué)出版社,2003.時(shí),巖柱強度將隨B/h的增加而明顯增大;當B/h[2] 繆協(xié)興,劉衛群,陳占清.采動(dòng)巖體滲漉理論[M].北京:科學(xué)出版社2004.大于10時(shí),一般情況下不易破壞。因此,防水煤巖[3] 錢(qián)嗚高,許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J].中國礦業(yè)大柱的B/h>10,再用安全系數加以修正(安全系數根學(xué)學(xué)報,2003 ,32(4):343 ~347.據各個(gè)礦區的巖柱參數進(jìn)行確定)。4結語(yǔ)中國煤化工煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì )引起地下水資源的大量流sijY出C N M H GM].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版杜,2000.失,嚴重地影響了礦區的生態(tài)發(fā)展。綠色保水開(kāi)采(收稿日期2008-01-23)是解決煤炭生產(chǎn)中水資源破壞問(wèn)題的根本方法,是32