厚土層淺埋煤層保水開采技術(shù)研究

張改親

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

引 言

淺埋煤層保水開采技術(shù)歷來是我國(guó)煤礦開采的重要研究方向之一。尤其是對(duì)于地處我國(guó)西部區(qū)域的煤礦來說，由于西部本身缺水較為嚴(yán)重，加之煤炭資源的大規(guī)模開采，煤炭開采后形成采空區(qū)，導(dǎo)致含水層被破壞，水資源隨著開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶流失，不僅嚴(yán)重威脅井下開采安全，而且造成了大量的水資源浪費(fèi)，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來了難以恢復(fù)的破壞［1］。因此，厚土層下淺埋煤層保水開采技術(shù)的研究具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。

1 淺埋煤層保水開采機(jī)理

保水開采的實(shí)質(zhì)就是通過選擇合理的采煤方法和技術(shù)手段，使煤層采空后頂板含水層不被破壞或者盡量少被破壞，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)水資源和保障井下防治水的要求［2］。淺埋煤層的開采極易引起礦區(qū)水環(huán)境及整改生態(tài)環(huán)境的失衡，因此，要實(shí)現(xiàn)保水開采，應(yīng)從其開采理論和方法本身入手。傳統(tǒng)的保水開采方法包括留設(shè)防水煤巖柱、煤層限采、條帶開采、房柱式開采、預(yù)先疏排水、充填開采等。有的方法在較高成本投入的前提下實(shí)現(xiàn)了保水開采：如，充填式開采；有的方法以犧牲煤炭資源回收率實(shí)現(xiàn)了保水開采，如，留設(shè)防水煤巖柱、煤層限采等。

根據(jù)覆巖關(guān)鍵層理論和“三帶”理論，煤層開采后，直接頂垮落，老頂斷裂，表土層等緩慢下沉，在采空區(qū)上方形成自上而下逐漸發(fā)育的張拉裂隙，并形成垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶及彎曲下沉帶。如果自上而下發(fā)育的張拉裂隙和自下而上發(fā)育的導(dǎo)水裂隙之間的隔水層厚度能夠達(dá)到隔水要求，就可以實(shí)現(xiàn)厚土層淺埋煤層的保水開采［3］。

煤層開挖后，實(shí)現(xiàn)保水開采的關(guān)鍵就在于使采場(chǎng)覆巖關(guān)鍵層破斷后能夠整齊排列，實(shí)現(xiàn)隔水作用。當(dāng)關(guān)鍵層斷裂后，其附近的隔水層如果厚度較大，則能夠抵消部分采動(dòng)引起的變形，隔水層中的裂隙發(fā)展范圍和程度均會(huì)減小，導(dǎo)致裂隙發(fā)展達(dá)不到上覆含水層，實(shí)現(xiàn)保水開采；而如果隔水層的厚度較小，則關(guān)鍵層的破斷會(huì)引起隔水層內(nèi)的裂隙高度發(fā)育，很快形成導(dǎo)通上覆含水層的導(dǎo)水通道，就不容易實(shí)現(xiàn)保水開采［4］。加之，淺埋煤層基巖較薄，關(guān)鍵層單一，關(guān)鍵層的隔水機(jī)理也較為簡(jiǎn)單，因此，淺埋煤層開采應(yīng)該更加注重發(fā)揮關(guān)鍵隔水層的作用。

2 保水開采技術(shù)分類體系

導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育狀況對(duì)工作面水患及保水開采的成功與否影響極大，所以，要研究工作面的保水開采，就應(yīng)首先對(duì)工作面的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

2.1 覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度分析計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)導(dǎo)水裂縫帶高度的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、模擬計(jì)算法、變形分析法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法以及深井物探法等［5］。本文擬采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)我國(guó)西部某礦1001工作面導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行計(jì)算。其中，9號(hào)煤層平均厚度3.2m，上覆最近含水層距煤層距離為58m。導(dǎo)水裂縫帶高度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式見表1。

表1 導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

故工作面回采后導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)測(cè)高度為17.4m～25.4m，達(dá)不到上覆含水層的高度，預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)保水開采。

2.2 保水開采技術(shù)分類體系

根據(jù)工作面回采后形成的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而分析長(zhǎng)壁工作面和柱式工作面在不同基巖條件下的開采特征，可得到淺埋煤層保水開采分類體系［6］，如表2所示。

3 保水開采的模擬計(jì)算

根據(jù)1001工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件建立UDEC數(shù)值計(jì)算模型。本工作面煤層為近水平煤層，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化開采，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬模型為水平模型，盡量規(guī)避無關(guān)因素的影響，以期模擬得到回采后頂板裂隙的發(fā)展效果。所建模型大小為300m×70m，本文模型及回采空間圖如圖1。本文的模擬計(jì)算中，煤巖體和節(jié)理的物理、幾何參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)的原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的。

模擬結(jié)果分析如下：圖2為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育圖，圖3為覆巖鉛垂位移圖。根據(jù)圖2所示的頂板破壞圖可知，上層煤回采后，工作面頂板垮落，覆巖自下而上發(fā)生移動(dòng)破壞，形成一定高度的導(dǎo)水裂縫帶，裂縫帶高度為27.0m～28.3m，均比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得高度上限值大。根據(jù)圖3所示的鉛垂位移值，也可大致判別出導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)展高度。在此高度下，導(dǎo)水裂隙帶與含水層不形成溝通，為含水層下的回采提供了安全保障，也能夠?qū)崿F(xiàn)西部缺水地區(qū)的保水開采。

表2 淺埋煤層保水開采分類體系

圖1 數(shù)值模型及回采空間圖

圖2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育圖

圖3 覆巖鉛垂位移圖

4 結(jié)語

根據(jù)淺埋煤層保水開采機(jī)理的理論分析，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用理論計(jì)算方法得出某礦1001工作面回采后導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)測(cè)高度為17.4m～25.4m，達(dá)不到上覆含水層的高度。同時(shí)，利用UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬得出裂縫帶高度為27.0m～28.3m，均遠(yuǎn)未達(dá)到地質(zhì)條件中給出的煤層至含水層的距離。預(yù)計(jì)在此高度下，導(dǎo)水裂隙帶與含水層不形成溝通，能夠?qū)崿F(xiàn)本工作面的保水開采。并且，在工作面推采過程中，應(yīng)盡量加快工作面推進(jìn)速度，減少對(duì)覆巖的擾動(dòng)，更好地確保實(shí)現(xiàn)保水開采。

［1］ 劉愛蘭.淺埋資源綠色開采關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2009，18（7）：62-66.

［2］ 王悅平，胡永凱，李曉輝.淺埋煤層保水開采簡(jiǎn)述［J］.山東煤炭科技，2009（6）：74-75.

［3］ 師本強(qiáng).陜北淺埋煤層砂土基型礦區(qū)保水開采方法研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（4）：548-552.

［4］ 馬立強(qiáng)，張東升，劉玉德，等.薄基巖淺埋煤層保水開采技術(shù)研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，23（1）：1-5.

［5］ 劉英鋒，王世東，王曉蕾.深埋特厚煤層綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（10）：1970-1976.

［6］ 劉玉德.沙基型淺埋煤層保水開采技術(shù)及適用條件分類［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.