1、神东矿区浅埋采场溃沙分析及控制机理研究摘要：西部浅埋煤层采场的涌水溃沙灾害成为影响安全生产和正常生产的关键问题之一。本文分析了神东矿区浅埋煤层在薄基岩厚松散层条件下的矿压显现规律；以泥沙运动力学中的泥沙起动理论为基础，通过建立溃沙颗粒伪结构力学模型，探讨溃沙发生时泥沙颗粒的受力情况，并建立了溃沙发生的临界条件，即含水层高度的判定依据；分析了关键块破断后回转和滑落两个过程中涌水溃沙发生的机理，并建立了溃沙通道形成的临界开采厚度和端角接触面高度；比较了含水层高度、裂缝宽度对溃沙量的影响程度，得出了含水层高度是涌水溃沙发生的主导因素；在确定了涌水溃沙发生控制因素的基础上，结合煤矿具体生产实践，分析提
2、出了通过工作面直接排水和采空区排水的涌水溃沙灾害发生控制措施；结合神东矿区浅埋采场顶板破断特性，提出了控制顶板全厚切落时的基岩回转改变裂缝宽度来减少溃沙量的措施。关键词：浅埋，溃沙，控制机理1 绪论1.1问题的提出与研究意义我国以煤炭为主的能源结构在短期内难以得到根本改变，一次性能源消费结构中，煤炭仍然占70%左右。随着我国西部大开发国策的不断实施，我国煤炭资源的开发重点已经开始向西部转移，并形成以内蒙古为代表的西北和以贵州为代表的西南两大发展方向。西部煤田主要特点有：一是普遍赋存浅埋煤层（埋深小于200m）；二是地形地貌多样，地表起伏大，西北内蒙古、陕西多为古冲沟发育区。以我国西北部浅埋煤田
3、为例，主要有神府东胜大煤田（以下简称神东煤田）、陕北榆林煤田、宁夏的灵武煤田、新疆的吐哈煤田等，此外，彬长、黄陵、华亭等煤田中的相当一部分在开发初期也主要开采浅部煤层。其中神府东胜煤田地处内蒙古南部和陕西北部，已探明储量达2236亿t，约占全国已探明储量的1/3，属世界八大煤田之一，且因可采煤层多、煤层厚、煤质优良而为世人瞩目，不仅在我国能源发展战略中具有重要地位，而且已成为西部大开发乃至全国经济发展的能源基地。不同的矿区及煤层赋存条件和开采方式引发的矿区安全环境问题表现出不同的特征，尤其是由于东西部煤层赋存条件的差异，导致东西部矿井开采引发出不同的安全环境问题。神东煤田地处干旱、半干旱的毛乌
4、素沙漠与黄土高原接壤地区，水资源贫乏，植被稀疏，生态环境脆弱，社会发展水平较低，自然状态下环境质量呈下降趋势。 该区地面组成物质比较复杂，结构疏松，极易风化，抗侵蚀性差。出露的主要地层包括基岩、沙、黄土、风成沙。基岩地层约占本区总面积的 18.45%，主要为一些砂页岩互层，结构疏松，且节理发育，是河流粗泥沙的主要来源。随着人类活动的进一步加剧（特别是采煤作业），人和地质环境的相互作用使得原有的平衡体系被打破，矿井涌水溃沙及煤田自燃、水资源破坏、水质污染、水土流失和沙漠化加剧。这里主要讨论由采煤引起的地表变形（地面沉降、地裂缝、地表塌陷）及矿井涌水溃沙问题。矿井涌水溃沙是指薄基岩厚松散含水层条件
5、下采掘时含沙量较高的水沙混合流体溃入井下工作面并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害1。溃沙产生的机理与影响因素与一般意义上的矿井水害不同，应作为一种独立的矿井地质灾害种类来对待。瓷窑湾煤矿、大柳塔煤矿、哈拉沟煤矿等均发生了不同程度的涌水溃沙事故，造成地面沉降、地裂缝、地表塌陷等多种地质灾害。矿井涌水溃沙不仅仅是造成地面沉降、地裂缝、地表塌陷等地质灾害，还由于水沙俱下，大量地下水渗漏致使地下水水位大幅度下降，同时水沙一起涌入工作面、井巷也直接危及井下作业工人和设施的安全，再是由于工作面和巷道充满泥沙，工作人员无法操作，机器无法运转造成工作面停产，经济损失不可估量。就全国范围而言，西部地区矿
6、业所造成的安全和环境问题明显高于我国东部地区，其中涌水溃沙问题是环境破坏和安全生产急待解决的主要问题之一。神东矿区由于开采深度大都在距地表 100m 以内，开采煤层上方的基岩较薄，煤层厚，地表为厚松散沙层覆盖，沙漠覆盖层下的亚粘土隔水层上蕴藏着丰富的地表潜水，煤层的开采势必会直接影响到地表，引起地表沙漠覆盖层的大范围塌陷运动和干旱的陕北北部水资源流失，也往往会使上覆潜水携带泥沙溃入工作面造成灾害。初期开采的实践也证明，顶板破断后的涌水溃沙灾害成为影响安全生产和正常生产的关键问题之一，也从根本上影响着资源的回收率、产量和效益，并且地表塌陷形成地堑和裂缝，造成水土流失，加剧了地表荒漠化。1.2国内
7、外研究现状及存在问题1.2.1国内对于浅埋煤层开采的研究国内方面，20世纪90年代初，各个高校及研究院所的科研工作者和工程技术人员开始了对浅埋煤层长壁开采顶板控制的研究工作，并取得了较为丰富的研究成果。主要体现在以下两个方面：一是浅埋煤层长壁开采矿压显现规律的观测及顶板破断运动机理的定性分析。1995年，西安科技大学侯忠杰教授通过对石屹台煤矿两个高产长壁工作面的二维一相固态相似材料模拟实验和矿压观测，得出了浅埋煤层矿压显现的基本规律，认为防止工作面架前切落应具备两个条件，其一是基岩厚度应大到在工作面上方形成某种结构，并且能够承担松散层自重载荷；其二是工作面支架应有足够大的支护阻力（包括初撑力）
8、。在采高一定的条件下，工作面基岩厚度，松散层厚度以及工作面支架额定工作阻力是决定浅埋深、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现特点最主要的三个因素。石平五教授、侯忠杰教授等通过对大柳塔煤矿1203工作面的观测，得出薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式，并根据相似材料模拟实验将基岩厚度与采高的比值作为顶板破断形式及其形成结构的判断依据。1999年，侯忠杰教授在“关键层”理论的基础上，根据工作面矿压观测结果与浅埋煤层的特点又提出了“组合关键层”理论，认为对于一般浅埋煤层，煤层顶板某一岩层成为关键层不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件；地面松散层厚度对浅埋煤层关键层的层位
9、有很大的影响，在上覆基岩相同条件下，地面松散层厚度不同，则其关键层的层位也不同；一般浅埋煤层，最下一层坚硬岩层可能是主关键层，也可能是亚关键层；但地表厚松散层浅埋煤层，两层坚硬岩层都是主关键层，这是地表厚松散层浅埋煤层的独有特点；地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应，形成组合关键层。赵宏珠教授对印度辛格南尼煤炭公司浅埋煤层长壁开采矿压规律进行的研究表明：基本顶沿工作面倾向分段断裂垮落，来压时煤壁前方顶底板移近速度增大，地表缓慢下沉并周期性的产生裂缝，地表裂缝间距与周期来压步距一致。并根据支架与围岩相互作用原理和印度辛格南尼PV矿具体条件，初步建立了液压支架受载力学模型，指出随着支架
10、额定工作阻力的提高，工作面矿压显现的程度逐渐减弱。煤炭科学研究总院唐山分院的张世凯等以大柳塔首采面矿压实测为基础，对厚松散层薄基岩近水平煤层顶板来压机理、形式和上覆基岩垮落规律进行了分析，提出了顶板“全厚切落式”来压的概念。2000 年 9 月以黄庆享教授所著 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 为标志，建立了以顶板结构及其稳定性为核心的浅埋煤层顶板控制理论框架。该书包括了近十年来的现场实测资料和大量的物理相似模拟实验及数值分析计算，分析了浅埋煤层矿压特征，对浅埋煤层定义作了阐述，系统地介绍了浅埋煤层顶板破断机理和规律，确定了岩块结构定量分析参数，提出了初次来压和周期来压的顶板结构理论，建
11、立了浅埋煤层顶板控制和定量分析的基本框架，形成了一套比较完善的浅埋煤层顶板控制分析理论和顶板支护对策计算方法。二是基于浅埋长壁工作面矿压显现规律的顶板破断运动机理及控制的定量化研究和工程实践。2000年以来，西安科技大学黄庆享教授在浅埋煤层工作面实测和模拟的基础上，提出了初次来压基本顶关键层的非对称三铰拱结构，认为基本顶初次来压时关键层破断一般表现为非对称破断，推进侧岩块长，开切侧岩块短，两岩块的长度比约为1.5，并提出了周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构，提出这两种结构的水平力都随块度的增大而下降，顶板结构都易出现滑落失稳，这是浅埋煤层工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因之一。并
12、以浅埋煤层顶板结构及其稳定性控制为核心，确定了岩块结构定量分析参数，提出了初次来压和周期来压顶板结构理论，考虑载荷传递效应，建立了浅埋煤层顶板控制的基本框架，为浅埋煤层的顶板支护奠定了基础。此外，中国矿业大学马立强博士从保水开采的角度出发，采用弹性板理论（变分法）建立了浅埋煤层坚硬岩层与上覆软弱岩层之间的变形协调关系，分析了各岩层的应力和弯矩分布情况。1.2.2国外对于浅埋煤层开采的研究大型浅埋煤田在世界上不多，国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田，印度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采（埋深在 100m 以内）。国外在浅埋深煤层开采矿压显现规律的观测方面做了大量工作，但对顶板控制理
13、论的研究还主要集中在简单的支架受载力学模型分析和经验公式的应用方面。前苏联学者M.秦巴列维奇根据对莫斯科近郊浅埋煤层开采实践的观测，提出了台阶下沉学说，认为当煤层埋藏较浅时随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而垮落直至地表，支架上的力应考虑整个上覆岩层的作用。此外，前苏联 B.B.布德雷克1981年对莫斯科近郊煤田矿山压力研究后指出：在埋深100m且存在厚黏土层条件下，放顶时支架出现动载现象，说明浅埋煤层顶板来压迅猛，与普通采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压有明显的区别。80年代初，澳大利亚B.霍勃尔依特博士等对新南威尔士安古斯珀莱斯煤矿浅埋长壁开采的一些矿压现象进行实测，发现：初
14、次垮落步距 10m，随工作面的推进，沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎是垂直断裂，岩层断裂角为 7690，地表最大下沉量为采高的60%，最大下沉量的85%发生于距工作面40m的范围内。说明采区迅速压实，煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动。支架后柱载荷一般大于前柱，在非生产期间前后柱载荷趋于相等。根据印度综采长壁浅埋煤层开采实践，如印度江基拉矿R-VII煤层综采工作面平均开采深度为7.4m，最小开采深度为36m，覆盖层厚度平均为35.87m，基岩厚度平均为10.57m，冲积层厚度平均为16.93m。江基拉矿浅埋综采工作面上覆岩层断裂垮落过程和一般深部开采条件不太一样，浅埋开采工作面上覆岩层垮落带与
15、裂隙带交叉，裂隙带本身比较厚，但裂隙发育，形成周期性断裂，步距较短，具有裂隙较密集的特点。HalliburtonAbass，HH利用模拟试验研究了浅埋煤层水压裂现象，并利用非线性压力模数对裂缝宽度变形进行计算，其计算结果成功的应用于指导现场实践。英、美利用房柱式开采控制浅部开采地表塌陷，并进行了地表岩层移动和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作。以往国内外浅埋煤层开采的研究重点在于基岩结构、顶板破坏、载荷传递等，很少涉及顶板破坏后工作面或巷道涌水溃沙的问题。但是上述浅埋煤层开采灾害事故的发生说明在这种特殊的水文地质条件下，覆岩运动与上覆水沙体形成动态联系，给开采带来很大的潜在影响，有时会
16、发生威胁安全生产的涌水溃沙灾害。在国外虽有浅埋煤层的存在，但是覆岩中的积沙厚度仅为 36m 左右，煤层厚度约 3m 左右，且沙层底部的潜水也少得多，其灾害程度不大，国外并没有进行大量的研究，所以其开采经验和研究成果不足我们所借鉴。1.2.3国内外对于涌水溃沙问题的研究国内外对于涌水溃沙的研究主要是从地质条件及顶板管理角度出发对溃沙过程作了大量的研究，如范立民、魏秉亮等认为解决这一地质灾害目前最为有效的措施是采前疏排基岩顶部含水层中的潜水，使沙失去水载体而无法进入矿井2；王经明对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质效应进行分析，认为采矿造成的地下水位下降是使该地区沙漠化的根本原因，指出了改革采煤方案，改变水文地质边界条件，控制降落漏斗扩展，排灌结合的环保采煤方案3；段中会总结了防治水害的一般技术原则4；杨鹏找出了涌水溃沙灾害产生的机理，并对灾害做出了综合评价5。他们提出了相关的想法，做了初步的工作，甚至应用于实践。但是涌水溃沙的发生过程是一个十分复杂的过程，涉及到涌水溃
