• 内容提要

• 著者名单

• 目次

• 1 绪论

• 1.1 研究背景及意义

• 1.2 国内外研究现状

• 1.3 总体思路

• 1.4 完成的主要研究工作

• 2 地质及水文地质条件

• 2.1 地质条件

• 2.2 水文地质条件

• 3 承压水体上采煤底板破坏演化规律研究

• 3.1 煤层底板突水影响因素

• 3.2 澄合矿区典型工作面的确定

• 3.3 煤层底板破坏演化规律理论分析

• 3.4 煤层底板破坏演化规律数值模拟

• 3.5 煤层底板破坏演化规律现场测试

• 3.6 澄合矿区煤层底板破坏演化规律综合分析

• 4 煤层底板地质条件探查技术及工程实践

• 4.1 煤层底板地质条件探查技术与原理

• 4.2 澄合矿区煤层底板地质条件探查方法适用性

• 4.3 澄合矿区煤层底板地质条件探查工程实践

• 4.4 澄合矿区煤层底板地质条件探查效果检查

• 5 承压水体上采煤的底板注浆加固改造技术

• 5.1 煤层底板注浆改造技术原理

• 5.2 煤层底板注浆材料配比试验

• 5.3 煤层底板注浆层位选择

• 5.4 煤层底板注浆工艺

• 6 承压水体上采煤地面注浆站的建立与注浆系统的应用

• 6.1 地面注浆站构成

• 6.2 注浆系统应用及效果检验

• 7 结论

• 7.1 主要结论

• 7.2 社会、经济及生态效益

• 7.3 推广应用

本书针对澄合矿区承压水体上安全采煤的水害防控、承压水含水层保护问题，采用理论分析、数值模拟及现场实测等手段得到不同工作面斜长与底板岩性组合条件下的底板破坏深度，提供了煤层底板注浆目的层位。借助物探、钻探探查5号煤层底板地质条件，研发了以黄土为主要材料的注浆液，提出了澄合矿区底板注浆加固改造工艺。以董家河煤矿为试点，建立了安全可靠，具有自动计量、实时监控、连续作业功能的地面注浆系统，并建立了地面注浆站，实现了承压水体上安全采煤和含水层保护 。

(1)水体下采煤的条件要求。水体下采煤的条件要求是：开采后受影响的采区和矿井涌水量不超过其排水能力，不影响正常生产。因此，当开采煤层上覆水体时，必须留设安全煤岩柱，确定允许的开采上限标高。安全煤岩柱应按煤层上覆水体的类型不同，按下述要求留设。

①当开采煤层上方地表直接为湖泊、江河等水体，不允许导水裂缝带波及水体，必须留设防水安全煤岩柱。

②当开采煤层上方地表为松散弱含水层或是已疏降的松散强含水层时，允许导水裂带波及这类水体，但不允许冒落带接近它。这时，可留设防砂安全煤岩柱。其高度应大于或等于冒落带高度加上保护层厚度。

③开采煤层上方地表为松散弱含水层或是疏干的松散含水层，当允许冒落带接近松散层底部时，可留设防塌煤岩柱，其高度应近似等于冒落带高度。

(2)水体下采煤的主要开采技术。

①当开采倾角小于55。并只留设了防砂安全煤岩柱(或防塌煤岩柱)的厚煤层时，应采用倾斜分层长壁式采煤方法，并尽可能减少第一、二分层的采高，增加分层之间开采的间歇时间。

②当开采倾角为55。～90。的煤层时，应采用分小阶段间歇回采措施，同时加大回采工作面的走向长度。第～、二小阶段的垂高一般应不大于20m。回采时严禁超限开采。如煤层顶底板岩层坚硬不易冒落时，宜采取强制分段切断顶底板的措施，以防抽冒、切冒。

③在地表面水体、石灰岩岩溶水体或强含水层下采煤时，应在开采水平、采区之间留设隔离煤柱或建立可靠的防水闸门(墙)，适当地加大排水能力和容量。

④在水体下采煤时，应对受水威胁的工作面和采空区的水情加强监测，对水量、水质和水位动态等进行系统观测及时分析；对采区周围井巷、采空区及地表的积水区范围和可能发生的突水通道作出预计，采取相应的措施，正确选择安全避灾路线。

⑤在采空区积水和基岩含水层下采煤，或可能遇到充水断层破碎带时，应采用巷道、钻孔或巷道与孔结合的方法先探放、疏降水后开采。

本项目针对我国华东、华北矿区部分煤矿在松散承压含水层下采煤顶板突水灾害问题，应用岩层控制的关键层理论，首次就松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断机制及其对工作面顶板突水灾害的影响规律开展研究，揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断的发生条件和影响因素，建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断的理论判别方法；揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断时顶板导水裂隙演化规律及其对顶板突水的影响；建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断引发的突水灾害防治对策和相应的开采设计原则。本项目的研究将进一步完善和发展松散承压含水层下采煤突水灾害防治理论与技术，具有重要的理论意义与实践价值。

我国华东、华北等矿区许多煤矿的厚表土层底部存在着一层以非胶结砂、砾为骨架组成的松散承压含水层，它直接赋存在煤系基岩顶部，对煤矿安全开采造成严重威胁。近年来，我国一些矿区在松散承压含水层下采煤时，出现了严重的压架突水灾害问题，造成了重大的经济损失，严重威胁煤矿安全生产。目前邻近松散承压含水层采煤压架突水灾害问题仍然没有得到很好的解决。此类突水事故的原因通常归结为存在断层、原生裂隙发育或松散承压含水层底界面降低等特殊地质因素，沟通了采动顶板导水裂隙与基岩顶部的松散承压含水层而引发突水灾害。事实上，此类顶板突水灾害与工作面压架灾害都是伴生的，即工作面突水前都会出现矿山压力显现异常增大甚至压架现象，并随工作面推进周期性的发生，说明此类压架突水灾害与采动顶板破断运动特征紧密相关，反映了邻近松散承压含水层采煤覆岩破坏规律的特殊性，而传统理论难以合理解释此类压架突水灾害的发生机理。 项目经过系统深入的研究发现：由于松散承压含水层的流动性和侧向补给作用，煤层开挖过程中作用于基岩顶界面的上覆载荷不像通常条件下随煤层开挖显著降低而是基本保持恒定，松散承压含水层起到了载荷传递的作用。邻近松散承压含水层开采时，由于松散承压含水层的载荷传递作用，导致一定覆岩条件下松散承压含水层下部基岩的整体破断和关键层结构失稳，使得顶板导水裂隙带高度发育至松散承压含水层下，这是引发部分矿井在邻近松散承压含水层采煤时发生异常压架突水灾害的根本原因。基于松散承压含水层下采煤压架突水机理，研究揭示了松散承压含水层特性和覆岩关键层结构特征等因素对压架突水灾害的影响规律，基本掌握了松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生条件，提出了压架突水危险区域预测方法，发明了基于含水层长观孔水位降速的压架突水灾害预警方法，提出了松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治对策。上述研究成果填补了我国煤矿采场矿压和顶板突水防治理论的一项空白，对我国松散承压含水层下煤炭资源的安全高效开采具有重要意义，已在皖北矿区祁东煤矿得到了验证和应用，取得了显著的经济效益。项目已出版著作1部，发表论文26篇，其中被Ei收录18篇，获得国家发明专利1项、实用新型专利1项，获得省部级科技进步奖励1项。 2100433B