[01355213]含水层下薄基岩浅部煤层控水开采关键技术研究与推广应用

①课题来源与背景： 由于安徽省薄基岩浅部煤层分布面积大、采矿地质条件复杂,开采方法多样;水岩耦合致灾机理、薄基岩风化岩体的渗流特征和突水溃砂失稳条件等一系列共性技术缺乏深入细致的研究,相应的理论与设计方法又严重落后于工程实践,因而,导致近几年来部分矿井,相继发生多起因开采所留煤柱不当发生突水溃砂淹井、埋架埋人等重大灾害事故,如2002年皖北煤电祁东矿首采3222面采动裂隙沟通风化裂隙导致底部含水层突水淹井;2003年淮北矿业桃园矿缩小防水煤柱1022面造成“底含”突水溃砂埋人埋面,造成5名矿工遇难;2011年淮南矿业集团顾北矿1202（3）压架出水,综采支架等大量设备被埋。因此,如何实现含水层下薄基岩浅部煤层的安全高效开采,成为急待解决的重大技术难题之一。 为此,自2007年1月,该项目先后在安徽省经济和信息化委员会水害防治安全专项基金（97-926）、国家自然科学基金（51074002、51274007）的共同资助下,安徽建筑工业学院与皖北煤电集团和淮北矿业集团紧密合作,以百善、任楼、界沟等矿为工程背景,历时5年之久,全面完成了该项目研究。 ②技术原理及性能指标： 综合运用岩石力学、断裂力学和采动岩体结构理论、岩层控制的关键层理论及工程探测与模拟方法,系统研究含水层下浅部煤层采动岩体裂隙时空演化及控水关键层的形成条件,揭示了煤层开采顺序、工作面空间尺度等人为因素优化对采动裂隙岩体渗流突变的响应规律;覆岩采动裂隙生成、贯通与导水溃砂通道形成闭合规律,获得自然因素和人为因素与灾变机理之间的内在普适性规律;提出整体优化的控水开采创新方法;实现受水困煤层资源安全开采和资源回收最大化。 ③技术的创造性与先进性： （1）首次研制并使用了含水层下水害预警技术,在预警距离和时间方面,首次实现了超前工作面60m（水害预警）的预警指标;并实现了异地远程监测 矿井水文地质保障系统虽有很多水文地质技术人员提出过,但实际应用很少。在突水预警方面,本项目应用控水开采机理解决了突水预警的理论问题和数学模型问题,利用该机理给定的判别格式解决了突水判断问题。利用不同深度传感器接收到异常信号的时间差异,通过模拟开采实现了超前60m的预警。 （2）建立试验研究矿井“底含”分区的细化分级标准和富水性特征评价新方法 在对大量典型底含岩样物理与水理性质试验,以及矿物成份与微观结构分析基础上,运用分形理论,提出将“底含”沉积物几何分维特征和含泥量作为“底含”分区的细化分级标准;综合该细化分级标准和主要水文地质参数,建立了“底含”富水性特征评价新方法。 （3）揭示了薄基岩煤层控水开采机理 揭示薄基岩煤层水岩耦合作用下采动岩体渗流演化规律;开采顺序、工作面空间尺度、煤岩柱留设模式、采场支护参数等人为可控因素与采动岩体渗流响应之间的内在普适性规律;分析控水关键层的形成、作用和修复改造机理,建立了薄基岩煤层开采控水关键层的判别方法。从开采源头出发,变被动治水为主动控水,建立控制薄基岩煤层开采水害事故的控水开采创新技术方法。 （4）创新优化了薄基岩浅部煤层控水开采设计方法与工艺 基于控水关键层的阻隔水特性与薄基岩风化软弱覆岩顶板破坏移动演化规律,提出了含水层下实行上行式开采,采用采动裂隙疏放,降低底含孔隙率和拖曳力控水技术路径,改革巷道布置方式,将风巷布置在下、机巷在上,优化开采程序、工作面空间尺度和煤岩柱留设模式,实施采空区滞后控水、煤水分流,创新了薄基岩浅部煤层控水开采设计方法与工艺。 （5）建立采动岩体破裂结构运动与裂隙演化间的关系,掌握采动岩体裂隙贯通的动态演化规律,揭示采动岩体流-固耦合系统失稳及突变成灾机理 （6）制定了《安徽省含水层下开采若干规定》 基于该项目理论与工程实践阶段成果,结合安徽省两淮矿区薄基岩煤层采矿、水文地质、工程地质特征,在安徽省行业主管部门的支持下,制定了《安徽省含水层下开采若干规定》,在该规定指导下,项目研究成果得到广泛推广应用,取得显著社会与经济效益。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性： 项目在持续5年多时间内,在控水开采方法和含水层分析评价、采动裂隙演化规律,矿山压力显现方面,进行了大量的试验、探测和研究,取得了一系列技术数据、资料和丰富的技术经验,为试验研究矿区及我国其他条件类似矿区实现水体下控水安全合理开采,提供了科学依据。项目成果推广应用的薄基岩控水试采中,66个工作面均实现了煤炭安全回采,无水灾、顶板等事故的发生。 ⑤应用情况： 项目成功地应用到皖北煤电集团公司和淮北矿业集团多个煤矿松散含水层下薄基岩煤层控水开采实践中,防水煤岩柱高度综采由50m以上普遍缩小到20m以下,最小达11.6m,综放工作面由60m以上缩小到15.1m,已回收防水煤柱压煤1500万吨,创直接经济效益90.0亿元,大幅度提高了矿井生产能力和经济效益,成果具有很好的推广前景。 ⑥历年获奖情况： 本项目于2011年获淮北市人民政府科技进步二等奖。