邹庄煤矿7703工作面采前防治水安全性评价
作者单位：安徽建筑大学
学位级别：硕士
导师姓名：杨本水
授予年度：2024年
学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学]
摘 要：我国薄基岩煤层开采量大且分布广泛,然而频繁发生水-岩耦合突水灾害,这不仅导致巨大的经济损失,还破坏了地下水环境,对社会造成了严重危害。论文以邹庄煤矿87采区的7703工作面为例,该工作面是该采区首个开采近松散含水层的大采高工作面。在该工作面上方,有覆盖厚着约310m的含水松散层,尤其是位于松散层底部、厚度介于0～13.45m之间的第四系砂、砾石含水层（以下简称为“四含）,直接覆盖在煤层露头之上,能够直接向煤系地层渗透补给水,给浅部煤层的安全开采带来了明显的威胁。原设计回采上限标高为-410m,并留设了125m以上的防水煤岩柱,造成了72煤压煤超86.5万t,煤炭资源严重损失。这种资源损失引发了人们对技术经济合理性的质疑。需要指出的是,损失的这些煤炭资源具有勘探程度高、埋藏深度浅、生产系统齐全、开采技术条件良好等显著特点。因此,所留煤柱是否合理?7703工作面开展煤柱缩小后是否能够安全开采?工作面形成后,需要采取超前治理措施成为急需解决的难题之一。因此,对于精准绿色开采7703工作面而言,进行采前防治水安全性评价是十分必要的。 论文以邹庄煤矿7703工作面缩小防水煤柱留设防砂煤岩柱安全高效开采为背景。通过对国内外水体下安全采煤和煤层顶底板水害研究现状的调查,结合“两带高度预测研究、覆岩破坏规律研究以及水害安全性评价等先进技术,设计并施工了地面2019四含观1孔、2021太灰验1孔及7703-1、7703-2、7703-3等瓦斯抽采孔;对“四含进行了抽水试验,切眼附近进行了岩样取芯,在安徽建筑大学现代岩土工程测试中心开展了岩石微观成分分析与物理力学性能测试,在获取岩样弹性模量、抗拉强度等力学参数的基础上,构建了采动过程中覆岩层演化规律的基本特征模型。在井下风、机巷施工了9个“四含层位及富水性验证钻孔,探查成果表明工作面提高开采上限区“四含富水性弱,连通性差,并且“四含初始出水量为0m3/h,具备良好的提高上限开采条件;并且在工作面形成后设计并施工了井下瞬变电磁与槽波物探实验,精准分析了煤层顶板的富水性强弱与是否存在构造异常区。通过FLAC3D数值模拟软件模拟了实际开采过程中上覆岩层的破坏规律和垮落带形成范围、进行了“三下开采的理论计算获取了煤岩柱留设高度、通过工程类比推算出所需留设的安全煤岩柱高度,开展了“四含及基岩风化带临界水力坡度与“四含实际水力坡度的计算并进行了突水溃砂的安全评价,对涌水量进行了估算,设计了排水系统,主要研究内容与成果如下: （1）邹庄煤矿7703工作面风巷设计长度约2190m,机巷设计长度约2430m,切眼设计长度约200m,煤厚2.42～9.65m,平均5.12m,倾角3～22°,平均13°,煤层倾角平缓,基岩面控制程度高,基岩面标高为-284.07m（2018-6孔）,原设计开采上限标高为-410m,现实际开采上限标高为-345m（巷顶）,现设计留设的最小煤岩柱高度为60.93m,采用综合机械化开采,全部垮落法管理顶板。 （2）依据7703工作面内及其周边9个钻孔揭露资料,上覆“四含厚度为0～13.45m,平均4.43m,根据工作面附近2019四含观1孔和2010四含观1孔抽水资料显示,7703工作面单位涌水量为q=0.00015～0.0098L/s.m,渗透系数为k=0.059～0.181m/d,属富水性弱的含水层,依据“三下开采规范,7703工作面水体采动等级为Ⅱ类,可留设防砂煤岩柱开采。 （3）通过瞬变电磁和槽波物探探测进行精准探查分析7703工作面煤层及顶板100m范围内砂岩含水层且未发现明显的低阻富水异常区域,表明顶板100m范围内砂岩裂隙水和“四含水整体富水性弱,勘探区内煤层中未发现长轴直径大于20m的陷落柱,槽波反演结果中勘探区内未发现其他地质异常。设计并施工的9个井下验证钻孔表明该面内“四含不发育,基岩面控制准确,层位可靠,并且富水性弱连通性差,对工作面回采安全威胁较小,具备提高开采上限条件。 （4）在工作面切眼附近进行了覆岩取芯并在安徽建筑大学现代岩土工程测试中心进行了XRD、XRF、核磁共振与光学显微镜微观分析、物理力学性能等实验,分析出覆岩微观组成成分及其含量、孔隙率以及弹性模量、抗压强度等物理参数。覆岩组成中粘土含量较高,表明其吸水能力较强且隔水性能较好;岩样孔隙较小且结构简单,多被泥质填充,隔水性能好,导水能力较差;岩样抗压强度为12～39.8MPa,覆岩类型属于软弱～中硬型。 （5）通过FLAC3D数值模拟软件,构建了开采过程中覆岩破坏演变规律的基本模型,预估了垮落带最大破坏高度为19.69m,预测了煤岩柱安全高度36.49m,进行了理论推导计算得出了垮落带高度为14.6m,需留设煤岩柱安全高度为31.4m,并且结合相邻工作面进行了工程类
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