含水层下固体充填保水开采方法与应用

李 猛，张吉雄，邓雪杰，周 楠，张 强

(1.中国矿业大学 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 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

含水层下固体充填保水开采方法与应用

李 猛1,2，张吉雄1,2，邓雪杰1,2，周 楠1,2，张 强1,2

(1.中国矿业大学 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 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

为解决含水层下煤层开采所导致的溃水灾害问题，提出了基于固体充填采煤的保水开采方法，阐述了该方法的基本原理，分析了固体充填开采覆岩导水裂隙演化特征，并基于固体充填开采导水裂隙带高度预计公式，结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，建立了含水层下固体充填开采临界充实率计算模型，分区设计了受含水层影响煤层的充实率，进而对煤层进行了充填工作面设计布置。五沟煤矿CT101充填工作面应用结果表明：实测充采质量比平均值为1.32，大于理论设计值1.28，充填效果较好，且导水裂隙带高度仅为10.0 m左右，该方法有效地降低了覆岩导水裂隙带高度，可实现含水层下保水开采的目标。

含水层；固体充填开采；保水开采；导水裂隙带；充实率

煤层开采过程中，在矿山压力作用下工作面上覆岩层会产生剧烈的运动，导致覆岩垮落和断裂而产生裂隙[1-3]，当裂隙相互沟通后将会形成导水通道，即导水裂隙带[4-6]，一旦导水裂隙带发育至含水层，含水层中的水体将会进入采场，引起矿井发生溃水灾害，同时，含水层中的水体疏干严重，含水层结构遭到破坏，进一步导致地下水资源枯竭并诱发一系列地质环境问题。近年来，中国已发生数十起在含水层下采煤引起的溃水灾害，造成了重大的经济损失，严重威胁着煤矿的安全生产[7-10]。目前，为了保护地下水资源和地质环境，张东升等[11]选用短壁综采工艺实现了特厚坚硬岩层组下的保水采煤；范立民等[12]总结了西部生态脆弱矿区不同阶段保水采煤研究的最新进展和存在的科学问题；马力强等[13]为了解决保水与采煤这一矛盾，提出了以工作面快速推进为核心的长壁工作面保水开采技术；宁建国等[14]构建了浅埋砂质泥岩顶板煤层保水开采评价模型，获得浅埋煤层保水开采的2个基本条件，并提出保水开采评价方法；王晓振等[15]针对部分矿区采动导水裂隙异常发育的问题，采用模拟实验和工程探测的方法，就主关键层结构稳定性对顶板导水裂隙演化和含水层水位的影响进行了深入研究。以上研究成果极大地促进了保水采煤技术与理论的发展。同时，堵水截留、限厚开采等方法被提出来，但并未从根本上实现煤炭资源高回收率、含水层结构保护双赢的绿色矿区建设目标。

随着充填采煤技术的发展，我国自主研发了新型的固体充填开采技术[16-18]，将矸石等固体废弃物直接充填入采空区，作为永久的承载体支撑上覆岩层，有效地控制了上覆岩层移动[19-20]，降低了导水裂隙带发育高度，成为含水层下煤层开采较为有效的一种方法。国内外学者对垮落法开采中导水裂隙带发育进行了研究[21-24]，采用数值模拟方法得到了煤层开采中覆岩导水裂隙带发育规律，并在大量现场实测的基础上，提出了导水裂隙带预计公式，为含水层下保水开采提供了理论依据。但由于固体充填开采将充填材料充填入采空区，其导水裂隙带发育规律与垮落法不同，因此，本文以固体充填开采基本原理为基础，分析固体充填开采导水裂隙演化特征，基于固体充填开采导水裂隙带高度预计公式，建立含水层下固体充填开采临界充实率计算模型，并对五沟煤矿CT101充填工作面应用效果进行分析，以期为含水层下煤层开采提供一种新途径。

1 工程地质条件

五沟煤矿受含水层影响区域位于矿区东北部，走向长度为2.51 km，倾向长度为0.93 km，区域面积为2.35 km2，区域新生界松散层底部第四系含水层直接覆于基岩地层之上，下方无隔水层，煤层开采受“四含”影响严重。

(1)含水层分布特征

区域“四含”厚度为6.23～32.7 m，厚度变化较大。“四含”沉积厚度总体呈现“西南厚东北薄”的趋势。区域西侧与南侧厚度较大，起伏也较大，厚度在18.0～32.7 m；区域中部厚度较小，东北部厚度最小，并且较平坦，厚度在6.23～14.0 m。区域富水性由北向南、由东向西逐渐增强。含水层厚度分布特征如图1所示。

图1 含水层厚度分布

(2)基岩分布特征

区域基岩厚度变化范围为0～125.52 m，厚度变化较大，并呈现“西厚东薄”的变化趋势。区域西侧基岩厚度较大，在80.0～125.52 m的范围内变化，东侧基岩厚度较小，部分区域基岩厚度为0，煤层直接赋存于含水层之下。区域内基岩厚度还存在一定的起伏，具体基岩厚度分布特征如图2所示。

图2 基岩厚度分布

(3)煤层赋存情况

主采煤层为10煤，厚度为0.93～7.50 m。区域煤层厚度总体呈现“中部厚四周薄”的变化趋势。区域东部煤层厚度最小，中部呈小山状突起，厚度达到最大值。除中部突起以外，其他区域厚度变化较小，趋势相对平缓，煤层厚度主要集中在3.5 m左右。煤层厚度分布特征如图3所示。

图3 煤层厚度分布

2 固体充填保水开采方法

2.1 基本原理

固体充填开采属于充填开采技术的一种，其是在综合机械化采煤的基础上发展起来的，可实现在充填支架掩护下同时进行采煤和充填。与传统综采相比，采煤系统与传统综采相同，不同的是固体充填开采增加了一套将地面充填材料安全高效地输送至工作面采空区的垂直投料系统，以及位于充填支架后部的夯实系统，如图4所示。通过将矸石、建筑垃圾、粉煤灰和露天矿渣等固体废弃物作为充填材料密实充填入采空区，控制上覆岩层移动，降低覆岩导水裂隙带发育高度，从而达到保水开采的目的。

图4 固体充填开采基本原理

具体基本原理是将充填材料通过垂直投料系统输送至井下储料仓，然后储料仓里的充填材料通过井下运输系统输送至悬挂在充填支架后顶梁的充填输送机上，再由充填输送机的卸料孔将充填材料充填入采空区，最后夯实机对充填材料进行夯实，使原本松散堆积的充填材料达到密实状态，从而有效地控制上覆岩层移动和裂隙发育。

2.2 导水裂隙演化特征

在传统垮落法开采中，随着工作面的推进，直接顶失去了下部煤层的支撑作用，在岩层自重和上覆岩层压力作用下发生垮落，形成垮落带；而基本顶则以梁或板的形式向下方移动、弯曲，当内部应力达到岩石的极限强度时，产生断裂，并不断向上覆岩层发展，形成裂隙带；垮落带与裂隙带合称为“导水裂隙带”，一旦导水裂隙带发育至含水层，水体将会经贯通后的采动裂隙流向工作面，造成工作面发生溃水灾害，如图5(a)[25]所示。

图5 覆岩导水裂隙演化特征

在固体充填开采中，由于采用充填材料充填工作面采空区，煤层开采后留下的空间被充实，并且充填材料在夯实机的作用下充分接顶，作为主要的支撑体承载上覆岩层的载荷，有效地限制了顶板的下沉，使上覆岩层以弯曲下沉为主，只有局部出现裂隙，而不产生垮落带，有效地降低了由采动造成的导水裂隙带高度，保证了含水层下煤层的安全开采，如图5(b)[26]所示。

在传统垮落法开采中，采高是影响上覆岩层移动变形破坏程度的主要因素，而对于固体充填开采，充填材料充填了上覆岩层垮落的空间，相当于降低了采高，因此，可有效地降低覆岩移动变形破坏程度。为了评价固体充填采煤的充填效果，等价采高理论和充实率概念被相关学者提出，并且两者满足一定的关系[19-20]：

其中，Me为等价采高；M为采高；φ为充实率。由式(1)分析可知，当采高一定时，充实率越高，等价采高越小，充实率和等价采高呈反比例关系。

为了研究固体充填开采覆岩导水裂隙带发育规律，文献[7,27]采用SPSS统计分析软件回归得到了采高和充实率与固体充填开采覆岩导水裂隙带高度的关系

其中，Hli为导水裂隙带高度。根据式(2)，绘制得到了采高和充实率与固体充填采煤导水裂隙带高度的关系，如图6所示。

图6 导水裂隙带高度与采高和充实率的关系

由图6分析可知，采高越小，充实率越大，覆岩导水裂隙带高度就越低，因此，对于具体的煤层赋存情况，充实率是固体充填采煤控制覆岩移动变形破坏的关键因素。

3 含水层下固体充填开采充实率设计

3.1 充实率分区设计

固体充填开采覆岩导水裂隙带是否导通含水层，主要取决于导水裂隙带高度和开采煤层至含水层之间距离。

含水层下煤层开采所留设的防水煤岩柱不仅要预计导水裂隙带发育高度，还要考虑保护层厚度，即基岩厚度应大于或等于导水裂缝带高度加上保护层厚度，因此，含水层下采煤允许的临界基岩厚度为

式中，H为临界基岩厚度；Hb为保护层厚度。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[28]中对保护层厚度的相关规定，结合五沟煤矿岩层基本力学性质，选取保护层厚度为3倍的等价采高，联立式(1)可得

将式(2)和式(4)代入式(3)，推导得到固体充填开采临界基岩厚度：

对式(5)进行反算，得到不同采高和基岩厚度条件下固体充填开采临界充实率的计算模型：

根据所建立的临界充实率计算模型，结合五沟煤矿受含水层影响区域的煤层和基岩厚度分布特征，设计得到该区域的充实率分区划分情况，如图7所示。

图7 充实率分区划分

由图7分析可知，五沟煤矿受含水层影响区域的充实率划分总体呈现由西北向东南逐渐增大的趋势。西北区域充实率小于0，表明西北区域不需要进行充填，采用传统垮落法开采即可实现该区域的安全开采；东南区域充实率大于1，表明该区域即使采用固体充填开采技术也无法实现煤层的安全开采，应留作防水煤柱。

3.2 充填工作面布置

根据五沟煤矿受含水层影响区域充实率分区划分情况，在该区域布置了7个固体充填开采工作面，具体布置如图8所示。

图8 充填工作面布置

4 应用效果分析

针对CT101固体充填首采工作面，现场监测工作面充填效果和导水裂隙带高度，从而对应用效果进行分析与评价。由图8分析可知，CT101工作面所处区域无需充填即可保证安全开采，但CT101作为首个试采工作面，为了掌握固体充填开采覆岩裂隙发育规律，设计工作面充实率为80%，并采用矸石作为采空区的充填材料。

4.1 充填效果实测分析

充采质量比表示充入采空区的充填材料质量与采出的煤炭质量之比，充采质量比越大表明充填效果越好，反之则表明充填效果越差，因此，选取充采质量比作为衡量充填效果的指标。通过对充填矸石压实特性进行测试，确定充实率为80%时需满足充采质量比达到1.28。

在CT101充填工作面开采期间，对充填矸石量与采煤量进行了132 d的统计，计算得到了充采质量比的分布曲线，如图9所示。

图9 充采质量比分布曲线

由图9分析可知，实测充采质量比平均值为1.32，大于理论设计值1.28，表明工作面充填效果较好，最终充实率大于设计值80%。

4.2 导水裂隙带高度实测分析

采用钻孔冲洗液法对CT101充填工作面的导水裂隙带高度进行监测。在CT101工作面上方布置2个观测钻孔，2个钻孔均位于工作面中央，第1钻孔距离开切眼30 m，第2钻孔距离开切眼80 m。2个钻孔深度均为295 m，终孔层位为煤层底板岩层，通过对钻孔钻进过程中冲洗液漏失量进行分析，得到了CT101充填工作面导水裂隙带高度，见表1。

表1 导水裂隙带高度实测

Table 1 Measured height of water-conducting fracture zone

参数CT101充填工作面钻孔1钻孔2垮落法开采裂隙带顶点/m280.45～290.03280.72～291.31导水裂隙带高度/m9.5810.5921.35～42.70裂采比2.733.026.1～12.2

由表1分析可知，CT101充填工作面导水裂隙带高度为10.0 m左右，根据相邻已开采工作面实测结果，采用垮落法开采时裂采比为6.1～12.2，而固体充填开采裂采比(裂隙带高度与采高之比)仅为3.0左右。因此，固体充填开采可有效地降低覆岩导水裂隙带发育高度，防止导水裂隙带波及含水层，使含水层结构免遭破坏，从而实现含水层下保水开采的目标。

5 结 论

(1)基于含水层下煤层的工程地质条件，提出了固体充填保水开采方法，并阐述了该方法的基本原理，分析了固体充填开采导水裂隙演化特征，得到了固体充填开采导水裂隙带高度与采高和充实率的关系。

(2)根据固体充填开采导水裂隙带高度预计公式，结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，建立了不同采高和基岩厚度条件下固体充填开采临界充实率计算模型，分区设计了受含水层影响区域的充实率，并对该区域的充填工作面进行了布置。

(3)CT101充填工作面充填效果和导水裂隙带高度实测结果表明：实测充采质量比平均值为1.32，大于理论设计值1.28，工作面充填效果较好，并且导水裂隙带发育高度仅为10.0 m左右。

(4)固体充填保水开采技术采用充填材料充填采空区，使煤层开采后留下的空间被充实，充填材料作为主要的支撑体承载上覆岩层的载荷，有效地降低了由采动造成的导水裂隙带高度，可实现含水层下保水开采的目标。

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Method of water protection based on solid backfill mining under water bearing strata and its application

LI Meng1,2,ZHANG Ji-xiong1,2,DENG Xue-jie1,2,ZHOU Nan1,2,ZHANG Qiang1,2

(1.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China；2.SchoolofMines,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In order to solve the water inrush problems induced by mining under water bearing strata,this paper proposes the method of water protection based on solid backfill mining.Meanwhile,the fundamental principle of this method is introduced and the evolution characteristics of water-conducting fracture in solid backfill mining are analyzed.Moreover,the calculation model of critical compression ratio is established according to the predicting formula of the height of water-conducting fracture zone in solid backfill mining and the coal mining regulations and coal pillar design affected by buildings,water bodies,railways and main roadway.Then,the compression ratio of coal seam induced by mining under water bearing strata is designed,which is used for the layout of solid backfill mining panel.The engineering application results in CT101 backfill mining panel show that the average measured value of mass ratio is 1.32,which is bigger than theoretical design value and the height of water-conducting fracture zone is about 10.0 meters,indicating that this method effectively reduces the height of water-conducting fracture zone and can achieve the goal of safe mining under water bearing strata.

water bearing strata;solid backfill mining;water-preserved mining;water-conducting fracture zone;compression ratio

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5039

2016-10-09

2016-11-02责任编辑:许书阁

国家自然科学基金创新研究群体资助项目(51421003)；江苏省特聘教授资助项目(苏教师(2015)29号)

李 猛(1989—)，男，山东枣庄人，博士研究生。E-mail：limeng1989@cumt.edu.cn。通讯作者：张吉雄(1974—)，男，宁夏中卫人，教授，博士生导师。E-mail：zjxiong@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0127-07

李猛，张吉雄，邓雪杰，等.含水层下固体充填保水开采方法与应用[J].煤炭学报,2017,42(1):127-133.

Li Meng,Zhang Jixiong,Deng Xuejie,et al.Method of water protection based on solid backfill mining under water bearing strata and its application[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):127-133.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5039