马立强(浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析(采矿与安全工程学报2014-2)
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本区 2-2 煤上覆含水层自上而下可分为 3 层， 上层为第四系(Q)松散孔隙潜水含水层，中层为侏罗 系直罗组(J2Z)裂隙潜水含水层，下层为侏罗系延安 组第五段(J1-2y5)裂隙承压含水层。其中第四系(Q)松 散潜水含水层为工作面主要含水层，该层下部以砂
砾为主，砂砾层涌水量为 0.001 9~1.260 0 L/s，渗透 系数为 1.046 m/d，上部为中细粒风积沙。工作面强 富水区域地层岩性见表 1。
表 1 岩层综合柱状 Table 1 Comprehensive strata column
名称 松散层 砂质泥岩 中细粒砂岩 细砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 砂质泥岩 2-2 煤
Байду номын сангаас
层厚/m 43.2 11.6 12 21 8.7 10 6.55 6.5
岩性描述
备注
中细粒砂，松散未胶结，含砾石 第四系(Q)
项目(201310290002)
作者简介：马立强(1979-)，男，宁夏回族自治区吴忠市人，博士，教授，博士生导师，从事开采方法与岩层控制方面的研究。
E-mail：horsema175@163.com
Tel：13645201296
第2期
马立强等：浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析
233
by the variation of water level and the main plant species of the surface can grow normally. The industrial test shows that aquifer-protective mining technology which features fast forwarding in the long wall coalface can be successfully applied in suitable geological conditions. What’s more, the research can provide reference for ecological environment construction and increases coal recovery rate for the shallow seam of mines with our country. Key words shallow seam; longwall coalface; aquifer-protective mining; fast advancing
1 采矿地质条件及水文地质特征
1.1 采矿地质条件 补连塔煤矿 32202 长壁工作面位于该矿二盘区
西部，西邻 32201 工作面，东为 32203 工作面，北 邻井田北界，南接二盘区辅运大巷。工作面走向长 度为 3 610 m，倾斜长度为 240 m，煤层厚度为 5.99~7.00 m。 1.2 水文地质特征
收稿日期：2012-09-25
基金项目：国家自然科学基金项目(50904063)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0957)；江苏省高校“青蓝工程”项目；江苏
高校优势学科建设工程项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0946)；“本科教学工程”国家级大学生创新训练
MA Liqiang1，SUN Hai1，WANG Fei1，LI Jiaming1，JIN Zhiyuan1，ZHANG Wei1,2
(1．School of Mines，Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China， China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2．IoT Perception Mine
第 31 卷 第 2 期 2014 年 03 月
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
文章编号：1673-3363-(2014)02-0232-041
Vol.31 No.2 Mar. 2014
浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析
马立强 1，孙海 1，王飞 1，李嘉明 1，金志远 1，张炜 1,2
水可能流失。
图 1 32202 工作面强富水区位置 Fig.1 Rich water-bearing area of 32202 coalface
2 保水开采机理
保水开采就是在采动影响下，含水层的含水结 构没有破坏；或虽有一定的损坏，造成部分水资源 流失，但一定时间后仍可恢复，流失量应保证最低 含水位不影响地表植物的生长，并保证水质没有被 污染，从而选择合理采煤方法和工艺的开采技术[7]。
(1．中国矿业大学矿业工程学院，深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116； 2．中国矿业大学物联网研究中心，江苏 徐州 221116)
摘要 为了解决保水与采煤这一矛盾，在论证了保水开采机理及其可行性后，神东矿区补连塔煤
矿 32202 长壁工作面在正常回采过程中，根据浅埋煤层保水开采适用条件的初步分类研究成果，
234
采矿与安全工程学报
第 31 卷
对于覆岩具有 2 层关键层的煤层，亚关键层破 断时，主关键层及其载荷层仍处于相对稳定状态， 仍具有阻水作用。主关键层破断后运移空间较少， 回转角不可能过大，因而在正常情况下可以形成稳 定的砌体梁，加之其下沉幅度小，对上覆岩层造成 的破坏程度较小，其本身因逆向回转形成开张性裂 隙的可能性不大；由于主关键层运移距小，在正常 情况下即使形成波及松散层的裂隙，其裂隙开张程 度也较小。上部岩层因运移距小且移动速度相对较 小，其原始结构的完整程度相对较高，上部松散层(第 四系含水层)水难以涌入工作面。当主关键层破断时， 破断位置离采煤工作面已比较远，下部亚关键层张 开裂隙也已回转并基本挤压闭合，入水通道中的软 弱岩体在破断过程中形成大量细碎颗粒，上部含水 层在进入工作面的过程中，由于受到细碎颗粒对裂 隙空间的充填作用的影响，入水通道很难通畅，甚 至被堵死，松散层水难以短时大量突入工作面[8-10]。
随着神东矿区煤炭资源的逐步开发，煤炭开采 所带来的环境问题愈加突出。煤矿开采过程中破坏 了地下含水层的原始径流，导致地下水大量流失。 采空区上方导水裂隙带与地下水体贯通，形成大规 模地下水降落漏斗，造成区域含水层水位下降，导 致可利用土地资源损失，严重影响了该区经济的可 持续发展和人民生活，使本来就脆弱的生态环境雪 上加霜[1-3]。因此，对神东矿区的保水采煤研究已到 了刻不容缓的地步。
为最大限度地提高煤炭资源回收率，综合考虑 经济效益以及安全与环保的要求，在神东矿区要尽 可能形成浅埋煤层长壁工作面保水开采技术，使煤 炭开采对矿区环境的扰动量小于区域环境容量，实 现矿区资源开发利用最优化、经济效益最大化和生 态环境影响最小化。神东矿区在多年生产实践的基 础上，现已初步形成了一套以工作面快速推进(不小 于 15 m/d)和支架合理选型为核心的长壁工作面保 水开采技术[4-6]。补连塔煤矿在 32202 大采高长壁综 采工作面进行了保水开采工业性试验，现场工程实 践和地面水位观测表明浅埋煤层长壁工作面保水 开采技术在适宜地质条件下能够取得成功，为我国 西部浅埋煤层矿区的生态环境建设和提高煤炭资 源回收率提供了借鉴。
散含水层影响较小，地表主要植被能够正常生长。工业性试验表明，以工作面快速推进为核心的
长壁工作面保水开采技术在适宜地质条件下能够取得成功，为我国西部浅埋煤层矿区的生态环境
建设和提高煤炭资源回收率提供了借鉴。
关键词 浅埋煤层；长壁工作面；保水开采；快速推进
中图分类号 TD 82
文献标志码 A
Analysis of the ground water level change of aquifer-protective mining in longwall coalface for shallow seam
加快工作面推进速度，相对来说就等于延缓了 主关键层的破断，延长了其稳定阻水的时间，可有 效预防主关键层与亚关键层的破断导水通道沟通, 保水开采在机理上是可行的。
现有研究也表明覆岩的整体性下沉与回采工 作面的推进速度近似成比例，回采工作面推进速度 越快，下沉盆地越平缓。覆岩活动的最大动态变形 值小于静态变形值，并且最大动态变形值将会随工 作面推进速度的增大而减小[7]。
Research Center，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)
Abstract In order to solve the contradiction between the protection of water resources and mining, according to the classified research result of aquifer-protective mining (APM) conditions in shallow coal seam during normal mining process of 32202 longwall coalface of Bulianta mine in Shendong mining area, the mining height is determined to be below 5.3 m and large power of hydraulic support and large power and high reliability equipment are selected to ensure that advance rate of coalface is greater than 15 m/d after demonstrating APM mechanism and feasibility. After coalface mined, the water level observation of ground well shows that the water level of No.10 observation well located in the middle of the coalface stabilizes gradually after about 25 days and relatively increases 0.66 m compared to the ground while the water level of No.18 observation well near the tail entry stabilizes after about a month and relatively reduces 0.87 m compared to the ground. The Quaternary loosened aquifer is less affected
确定采高为 5.3 m 以下，并选用高强度液压支架和大功率高可靠性配套设备，保证工作面推进速
度大于 15 m/d。工作面回采后，地面水井水位观测显示，工作面中部 10 号水井水位，在采后 25 d
左右就渐趋稳定；靠近回风平巷的 18 号水井水位，在近 1 个月后才能够稳定。工作面回采稳定
后，10 号水井水位相对于地面升高 0.66 m，18 号水井水位相对于地面下降 0.87 m，对第四系松
主关键层 中间夹 2 层 1.3~2.2 m 厚的煤层
亚关键层 底部夹 0.6 m 左右厚的细砂岩
补连沟距主切眼 1 750~2 174 m，横穿工作面地 表，为 U 型沟谷，沟内河水流量丰水期达 260 m3/h。 2-2 煤上覆基岩厚度为 58~90 m，松散含水层厚度为 0~15 m。此外，有一条隐伏古冲沟距主切眼 2 015~ 2 415 m，上覆基岩最薄为 55 m，含水层最厚为 15 m，大气降水补给面积很大，属强富水区域。工作 面保水开采难度较大，富水区域如图 1 所示，如不 采取措施，回采时地表水和第四系松散潜水含水层
砾为主，砂砾层涌水量为 0.001 9~1.260 0 L/s，渗透 系数为 1.046 m/d，上部为中细粒风积沙。工作面强 富水区域地层岩性见表 1。
表 1 岩层综合柱状 Table 1 Comprehensive strata column
名称 松散层 砂质泥岩 中细粒砂岩 细砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 砂质泥岩 2-2 煤
Байду номын сангаас
层厚/m 43.2 11.6 12 21 8.7 10 6.55 6.5
岩性描述
备注
中细粒砂，松散未胶结，含砾石 第四系(Q)
项目(201310290002)
作者简介：马立强(1979-)，男，宁夏回族自治区吴忠市人，博士，教授，博士生导师，从事开采方法与岩层控制方面的研究。
E-mail：horsema175@163.com
Tel：13645201296
第2期
马立强等：浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析
233
by the variation of water level and the main plant species of the surface can grow normally. The industrial test shows that aquifer-protective mining technology which features fast forwarding in the long wall coalface can be successfully applied in suitable geological conditions. What’s more, the research can provide reference for ecological environment construction and increases coal recovery rate for the shallow seam of mines with our country. Key words shallow seam; longwall coalface; aquifer-protective mining; fast advancing
1 采矿地质条件及水文地质特征
1.1 采矿地质条件 补连塔煤矿 32202 长壁工作面位于该矿二盘区
西部，西邻 32201 工作面，东为 32203 工作面，北 邻井田北界，南接二盘区辅运大巷。工作面走向长 度为 3 610 m，倾斜长度为 240 m，煤层厚度为 5.99~7.00 m。 1.2 水文地质特征
收稿日期：2012-09-25
基金项目：国家自然科学基金项目(50904063)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0957)；江苏省高校“青蓝工程”项目；江苏
高校优势学科建设工程项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0946)；“本科教学工程”国家级大学生创新训练
MA Liqiang1，SUN Hai1，WANG Fei1，LI Jiaming1，JIN Zhiyuan1，ZHANG Wei1,2
(1．School of Mines，Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China， China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2．IoT Perception Mine
第 31 卷 第 2 期 2014 年 03 月
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
文章编号：1673-3363-(2014)02-0232-041
Vol.31 No.2 Mar. 2014
浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析
马立强 1，孙海 1，王飞 1，李嘉明 1，金志远 1，张炜 1,2
水可能流失。
图 1 32202 工作面强富水区位置 Fig.1 Rich water-bearing area of 32202 coalface
2 保水开采机理
保水开采就是在采动影响下，含水层的含水结 构没有破坏；或虽有一定的损坏，造成部分水资源 流失，但一定时间后仍可恢复，流失量应保证最低 含水位不影响地表植物的生长，并保证水质没有被 污染，从而选择合理采煤方法和工艺的开采技术[7]。
(1．中国矿业大学矿业工程学院，深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116； 2．中国矿业大学物联网研究中心，江苏 徐州 221116)
摘要 为了解决保水与采煤这一矛盾，在论证了保水开采机理及其可行性后，神东矿区补连塔煤
矿 32202 长壁工作面在正常回采过程中，根据浅埋煤层保水开采适用条件的初步分类研究成果，
234
采矿与安全工程学报
第 31 卷
对于覆岩具有 2 层关键层的煤层，亚关键层破 断时，主关键层及其载荷层仍处于相对稳定状态， 仍具有阻水作用。主关键层破断后运移空间较少， 回转角不可能过大，因而在正常情况下可以形成稳 定的砌体梁，加之其下沉幅度小，对上覆岩层造成 的破坏程度较小，其本身因逆向回转形成开张性裂 隙的可能性不大；由于主关键层运移距小，在正常 情况下即使形成波及松散层的裂隙，其裂隙开张程 度也较小。上部岩层因运移距小且移动速度相对较 小，其原始结构的完整程度相对较高，上部松散层(第 四系含水层)水难以涌入工作面。当主关键层破断时， 破断位置离采煤工作面已比较远，下部亚关键层张 开裂隙也已回转并基本挤压闭合，入水通道中的软 弱岩体在破断过程中形成大量细碎颗粒，上部含水 层在进入工作面的过程中，由于受到细碎颗粒对裂 隙空间的充填作用的影响，入水通道很难通畅，甚 至被堵死，松散层水难以短时大量突入工作面[8-10]。
随着神东矿区煤炭资源的逐步开发，煤炭开采 所带来的环境问题愈加突出。煤矿开采过程中破坏 了地下含水层的原始径流，导致地下水大量流失。 采空区上方导水裂隙带与地下水体贯通，形成大规 模地下水降落漏斗，造成区域含水层水位下降，导 致可利用土地资源损失，严重影响了该区经济的可 持续发展和人民生活，使本来就脆弱的生态环境雪 上加霜[1-3]。因此，对神东矿区的保水采煤研究已到 了刻不容缓的地步。
为最大限度地提高煤炭资源回收率，综合考虑 经济效益以及安全与环保的要求，在神东矿区要尽 可能形成浅埋煤层长壁工作面保水开采技术，使煤 炭开采对矿区环境的扰动量小于区域环境容量，实 现矿区资源开发利用最优化、经济效益最大化和生 态环境影响最小化。神东矿区在多年生产实践的基 础上，现已初步形成了一套以工作面快速推进(不小 于 15 m/d)和支架合理选型为核心的长壁工作面保 水开采技术[4-6]。补连塔煤矿在 32202 大采高长壁综 采工作面进行了保水开采工业性试验，现场工程实 践和地面水位观测表明浅埋煤层长壁工作面保水 开采技术在适宜地质条件下能够取得成功，为我国 西部浅埋煤层矿区的生态环境建设和提高煤炭资 源回收率提供了借鉴。
散含水层影响较小，地表主要植被能够正常生长。工业性试验表明，以工作面快速推进为核心的
长壁工作面保水开采技术在适宜地质条件下能够取得成功，为我国西部浅埋煤层矿区的生态环境
建设和提高煤炭资源回收率提供了借鉴。
关键词 浅埋煤层；长壁工作面；保水开采；快速推进
中图分类号 TD 82
文献标志码 A
Analysis of the ground water level change of aquifer-protective mining in longwall coalface for shallow seam
加快工作面推进速度，相对来说就等于延缓了 主关键层的破断，延长了其稳定阻水的时间，可有 效预防主关键层与亚关键层的破断导水通道沟通, 保水开采在机理上是可行的。
现有研究也表明覆岩的整体性下沉与回采工 作面的推进速度近似成比例，回采工作面推进速度 越快，下沉盆地越平缓。覆岩活动的最大动态变形 值小于静态变形值，并且最大动态变形值将会随工 作面推进速度的增大而减小[7]。
Research Center，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)
Abstract In order to solve the contradiction between the protection of water resources and mining, according to the classified research result of aquifer-protective mining (APM) conditions in shallow coal seam during normal mining process of 32202 longwall coalface of Bulianta mine in Shendong mining area, the mining height is determined to be below 5.3 m and large power of hydraulic support and large power and high reliability equipment are selected to ensure that advance rate of coalface is greater than 15 m/d after demonstrating APM mechanism and feasibility. After coalface mined, the water level observation of ground well shows that the water level of No.10 observation well located in the middle of the coalface stabilizes gradually after about 25 days and relatively increases 0.66 m compared to the ground while the water level of No.18 observation well near the tail entry stabilizes after about a month and relatively reduces 0.87 m compared to the ground. The Quaternary loosened aquifer is less affected
确定采高为 5.3 m 以下，并选用高强度液压支架和大功率高可靠性配套设备，保证工作面推进速
度大于 15 m/d。工作面回采后，地面水井水位观测显示，工作面中部 10 号水井水位，在采后 25 d
左右就渐趋稳定；靠近回风平巷的 18 号水井水位，在近 1 个月后才能够稳定。工作面回采稳定
后，10 号水井水位相对于地面升高 0.66 m，18 号水井水位相对于地面下降 0.87 m，对第四系松
主关键层 中间夹 2 层 1.3~2.2 m 厚的煤层
亚关键层 底部夹 0.6 m 左右厚的细砂岩
补连沟距主切眼 1 750~2 174 m，横穿工作面地 表，为 U 型沟谷，沟内河水流量丰水期达 260 m3/h。 2-2 煤上覆基岩厚度为 58~90 m，松散含水层厚度为 0~15 m。此外，有一条隐伏古冲沟距主切眼 2 015~ 2 415 m，上覆基岩最薄为 55 m，含水层最厚为 15 m，大气降水补给面积很大，属强富水区域。工作 面保水开采难度较大，富水区域如图 1 所示，如不 采取措施，回采时地表水和第四系松散潜水含水层