淺部煤層開采下滲帶形成機理及計算方法分析

羅江發(fā)

摘要：煤層開采，特別是在含水層下開采的淺部煤層，新生界含水層對該類煤層安全開采影響極大。若下滲帶與導水裂隙帶連通，含水層會通過開采后形成的導水裂隙帶與在上部含水成水頭壓力作用下形成的下滲帶充入工作面，給煤礦安全生產(chǎn)帶來影響，本文通過分析下滲帶帶的形成機理及計算方法，為淺部煤層開采防止新生界含水層充入工作面合理留設防水煤柱提供一點個人認識。

關鍵詞：煤層開采；下滲帶；承壓含水層；水壓；

中圖分類號：TD82文獻標識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00283-02一、下滲帶形成機理

煤系地層屬于沉積巖層，其中性質較為脆硬的砂巖層主要分布有成巖裂隙水，且多以層狀出現(xiàn)，當淺部砂巖層直接與上覆松散承壓含水層直接接觸的時候，上覆松散承壓含水層水體將向淺部砂巖層滲透補給。研究表明：隨著埋深的增加，深部巖石滲透性能越差，隔水性能則越好。

對潘一礦1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三礦17110(3)、1221(3)等與下含水有關的出水工作面的地質資料進行初步分析后，發(fā)現(xiàn)這些工作面共同具有以下三個特點：

（一）這些工作面位于新生界下含沉積時期古河床中心地區(qū)，該地區(qū)下含砂礫層、砂層發(fā)育，沉積厚，富水性強。

（二）第四系下部砂礫承壓含水層均直接覆蓋在煤系地層之上，構成“天窗”區(qū)，該含水層與煤系地層有一定的水力聯(lián)系。

（三）煤層頂板均以砂巖為主，且裂隙發(fā)育。

通過分析出水工作面的特點，可以斷定在煤層開采前，承壓含水層水體向煤系砂巖層面產(chǎn)生“下滲帶”需要有一定的水文工程地質條件作前提。其次煤系地層上部的砂巖層需與松散層底部直接接觸，其間不存在粘性土等隔水層。在具備上述前提條件的同時，還需做一假定：高承壓松散含水層水體在砂巖中的滲流均是沿著層面進行的。

圖1“下滲帶”形成示意圖

在具備了上述水文工程地質條件的前提下，承壓含水層的水體在高水頭壓力的作用下沿著煤系砂巖層層面緩慢向其下部砂巖層滲透，由于砂巖裂隙含水層在一定深度處，其滲透性方面呈封閉狀態(tài)，導致滲流量降低，根據(jù)達西定律，其滲透速度非常的緩慢，從而出現(xiàn)了快速而完全的壓力傳遞與緩慢的滲流速度并存的現(xiàn)象，即“滲壓不滲流”的現(xiàn)象。承壓水水壓在煤系地層的傳遞使得砂巖層層面在水壓力的作用下產(chǎn)生一定程度的破壞，當在一定深度處，砂巖層層面在地應力和水壓力共同作用下，達到了極限平衡狀態(tài)，即砂巖層層面不再因為有水壓的作用而遭到破壞，在這里把這個深度稱之為“下滲帶”深度，在此深度下的煤系砂巖層中沒有流出口的情況下(如煤層開采前的天然狀態(tài))，便形成了一個無通暢滲流出口的封閉系統(tǒng)，則水不能流出，形成一種研究區(qū)內(nèi)承壓含水層水向下入滲深度不同、大范圍的高承壓、緩流動的承壓滲流現(xiàn)象，這便是研究中提出的煤系地層采前形成“下滲帶”的機理(見圖1煤層開采前)。

在煤層開采之后，煤系上覆巖層遭到破壞，形成以冒落帶、導水裂隙帶為主的覆巖破壞帶，當導水裂隙帶的高度沒有達到或沒有高出“下滲帶”的情況下，此封閉系統(tǒng)未被破壞，在這個無通暢滲流出口的封閉系統(tǒng)中，煤系地層上覆含水層的水體還是不能流向采場工作面中；當導水裂隙帶的高度達到或高出“下滲帶”的情況下，此封閉系統(tǒng)被破壞，煤系地層上覆含水層的水體便通過“下滲帶”和導水裂隙帶、冒落帶為主的覆巖破壞帶流向采場工作面中(見圖1煤層開采后)。

二、下滲帶計算

在淺部煤層開采之前，松散層下部含水層與煤系地層直接接觸時，下含水在高水頭壓力下與煤系地層發(fā)生采前出現(xiàn)“滲壓不滲流”的現(xiàn)象，形成“下滲帶”深度。

由于繁瑣和大量的指標會給工程技術人員增加很多工作上的困難，在計算“下滲帶”深度時，應當在遵循簡單、實用、指標不宜過多且容易獲得的原則下進行，這樣所獲得的計算公式可使煤礦工程技術人員容易掌握和操作，具備推廣應用的價值。

由“下滲帶”的形成機理我們知道：高承壓松散含水層水體向下部煤系砂巖滲透補給到“下滲帶”深度時，承壓含水層的壓強水頭快速而完全的傳遞到該深度處，高承壓松散含水層水體的壓強水頭是形成“下滲帶”的關鍵因素， 因此，我們選擇承壓含水層水體在含水層處的水壓值作為一個計算指標。

煤系地層在形成過程中所呈現(xiàn)的層狀特性決定了其最主要的軟弱面就是層面，對于軟弱面的描述涉及到空間分布、力學性質等各種方面，對于煤層開采這樣一個地下工程，獲得上述描述軟弱面的指標是非常的困難的；層面作為一個沉積結構面，其產(chǎn)狀一般與巖層一致，而巖層產(chǎn)狀尤其是巖層傾角的獲得，相對來說比較容易，因此，我們選擇巖層傾角來描述層面這個軟弱結構面的空間分布特性；層面的抗拉強度作為描述層面這個軟弱結構面的力學性質特征。

煤系地層中原巖地應力是影響煤礦采場工程穩(wěn)定性的重要影響因素，煤層開采前，煤系地層中的層面在原巖地應力的作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，且該層面中任一小單元體的地應力狀態(tài)，一般都可簡化為三個方向大致相互垂直的主應力。因此，我們選擇原巖地應力作為描述層面這個軟弱結構面的力學性質方面的指標。

綜上所述，我們選擇承壓含水層水體所承受的水壓值、原巖地應力值，巖層的傾角和層面的抗拉強度四個指標來計算“下滲帶”深度值。

煤系地層中出現(xiàn)“滲壓不滲流”現(xiàn)象時，水體僅緩慢滲流到“下滲帶”深度處，該深度處砂巖層層面在地應力和水壓力共同作用下，處于平衡狀態(tài)。由此，我們可以利用這個平衡狀態(tài)，建立關系式求得“下滲帶”深度，下面對具體推導過程做一簡要闡述。

從圖1煤層開采前圖中“下滲帶”深度處的砂巖層面中取一微小單元體，分析該單元體的受力情況(見圖2)。

根據(jù)彈性力學中對任意斜面法向應力的計算公式，經(jīng)過三角運算整理可以求得層面上的法向應力為：

在“下滲帶”深度處層面中受到的水壓力為：

通過分析，可以得到淮南煤田潘集礦區(qū)地應力值隨深度變化的計算公式：

由于該層面在水壓和原巖地應力的共同作用下處于平衡狀態(tài)，所以下式成立：

以上各式中：σ1、σ3——分別為最大最小主應力；

α——層面的傾角；

H——砂巖層層面微元體的埋深；

γ——水的重度(這里取0.01MN/m3)；

P水壓——承壓含水層的水頭壓力；

h——承壓水頭埋深(結合現(xiàn)有實測資料可取10m)；

σT——巖體弱面的抗拉強度(如無實測值的情況下，可根據(jù)礦區(qū)經(jīng)驗取值)。

綜合以上各式，并設松散層厚度為 ，從而求得“下滲帶”深度的數(shù)值：

三、下滲帶理論應用于出水工作面實例計算分析

對潘一礦1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三礦17110(3)等與下含水有關的出水工作面的調(diào)查資料進行匯總，并使用“下滲帶”深度理論計算公式，計算求得這些工作面的“下滲帶”深度的理論計算值(見表1)。

由表1可以看出，出水工作面上覆承壓含水層的水頭壓力值在2.76～3.21MPa之間變化，高承壓松散含水層水體在高水頭壓力的作用下，向煤系地層滲流，并產(chǎn)生快速而完全的“滲壓不滲流”與緩慢的滲流速度并存的現(xiàn)象，從而形成了數(shù)值在23.90m～29.42m變化的“下滲帶”深度，在這個深度之內(nèi)下含水與煤系地層的砂巖裂隙水產(chǎn)生了一定的水力聯(lián)系，工作面在回采過程中均不同程度的出現(xiàn)了出水現(xiàn)象。

四、結束語

在淺部煤層開采中，特別是在Ⅰ類水體下采煤，若工作面開采的導水裂隙帶發(fā)育高度與新生界下部含水層的下滲帶發(fā)育不互相溝通，工作面開采一般不會出現(xiàn)新生界水充入工作面現(xiàn)象，從而能夠為合理留設安全防水煤柱提供依據(jù)。

參考文獻：

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