淺埋煤層保水開采巖層控制研究

黃 慶 享

(西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

淺埋煤層保水開采巖層控制研究

黃 慶 享

(西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

我國西部淺埋煤層保水開采的核心理念是保護(hù)生態(tài)水位，保水開采巖層控制的理論基礎(chǔ)是隔水層的穩(wěn)定性?；陉儽睖\埋煤層煤水賦存條件，通過物理模擬和地裂縫實(shí)測分析，揭示了淺埋煤層隔水巖組的“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了“上行裂隙”和“下行裂隙”的導(dǎo)通性決定著隔水巖組的隔水性。通過理論分析，給出了“上行裂隙帶”發(fā)育高度和“下行裂隙帶”發(fā)育深度的計(jì)算公式，建立了以隔水巖組厚度與采高之比(隔采比)為指標(biāo)的隔水巖組隔水性判據(jù)。據(jù)此，提出了保水開采分類方法，基于神府礦區(qū)條件給出了分類指標(biāo)范圍。

淺埋煤層；隔水巖組；隔水性；采動(dòng)裂隙；保水開采

我國西部毛烏素沙漠邊緣的神府煤田煤炭儲(chǔ)量豐富，僅陜西境內(nèi)的儲(chǔ)量就達(dá)到2.4×1011t，被列為世界七大煤田之一[1-2]。神府礦區(qū)煤層埋深40～580 m，初期開發(fā)的煤層埋深一般在100～200 m以內(nèi)，屬于淺埋煤層。黃慶享在1998年以埋深、覆巖垮落特征和基載比為指標(biāo)，提出了巖層控制意義上的淺埋煤層概念[3]。2002年以關(guān)鍵層為指標(biāo)對淺埋煤層進(jìn)行了科學(xué)定義[4](2003年編入教科書《礦山壓力與巖層控制》[5])：① 煤層埋藏淺，頂板具有單一關(guān)鍵層，覆巖垮落表現(xiàn)為垮落帶和裂隙帶“兩帶”，頂板破斷形成“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的煤層定義為典型的淺埋煤層[6]；② 煤層埋藏較淺，頂板具有兩組關(guān)鍵層，單雙關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致大小周期來壓，大周期來壓具有臺(tái)階下沉特點(diǎn)，覆巖垮落具有“三帶”特征，此類煤層定義為近淺埋煤層[7]。淺埋煤層開采裂隙帶導(dǎo)通含水層或地表水體，引起隔水層失穩(wěn)，導(dǎo)致大量的地下水流失，對生態(tài)造成了嚴(yán)重破壞[8-10]。目前，神府礦區(qū)正在大規(guī)模開發(fā)，2015年核定生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到3.49×108t/a，采煤與保水并舉成為淺埋煤層巖層控制的重要課題。錢鳴高于2003年提出了綠色開采技術(shù)方向[11]，保水開采是其重要技術(shù)途徑，2007年又提出了科學(xué)采礦思想[12]，強(qiáng)調(diào)了提高采出率和保護(hù)環(huán)境是科學(xué)采礦的重要指標(biāo)。繆協(xié)興等應(yīng)用關(guān)鍵層理論，研究了裂隙帶內(nèi)隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念模型[13]。楊澤元等研究表明，地表植被生長與地下水位埋深密切相關(guān)，地下水位下降是地表生態(tài)惡化的主要原因[14]。據(jù)此，王雙明等提出，陜北神府煤田的保水開采重點(diǎn)是保護(hù)地表生態(tài)水位不下降，關(guān)鍵是確保采動(dòng)過程中隔水層的隔水性不被破壞[15-16]。

神府煤田的煤水地質(zhì)特征是“水在上，煤在下”，煤層覆巖由基巖和黏土層組成，共同構(gòu)成隔水巖組[17]。掌握采動(dòng)頂板裂隙發(fā)育規(guī)律，揭示隔水巖組的穩(wěn)定性是淺埋煤層保水開采巖層控制的核心；根據(jù)隔水巖組的穩(wěn)定性進(jìn)行保水開采分類控制，是實(shí)現(xiàn)神府煤田可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)途徑。

筆者以神府礦區(qū)淺埋煤層地層條件為工程背景，采用應(yīng)力應(yīng)變?nèi)滔嗨坪退硇韵嗨乒桃厚詈夏M技術(shù)[18-19]，揭示了淺埋煤層采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律[20-22]，確定了“上行裂隙”和“下行裂隙”的計(jì)算方法；建立了以“下行裂隙”和“上行裂隙”為主要指標(biāo)的隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，提出了以隔水巖組厚度與采高比(隔采比)為指標(biāo)的保水開采分類方法，系統(tǒng)地形成了淺埋煤層保水開采巖層控制基本理論，為淺埋煤層保水開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤層覆巖隔(含)水巖組分類

神府礦區(qū)可采煤層和局部可采煤層12層，全區(qū)儲(chǔ)量最大的主采煤層是2-2煤層，位于煤系頂部，煤層傾角近水平。根據(jù)煤層覆巖的組合形態(tài)，劃分為3類：

(1) 沙層-土層-風(fēng)化層-基巖層類型，約占全區(qū)的65%，主要分布于榆神礦區(qū)；

(2) 沙層-風(fēng)化層-基巖層類型，占全區(qū)的20%，主要分布于神北礦區(qū)；

(3) 土層-風(fēng)化層-基巖層類型，占全區(qū)的15%，主要分布于新民區(qū)。

其中，沙層包括風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組，厚度一般在10 m以內(nèi)。沙土層含有潛水，水位埋深為0.9～9.27 m，是礦區(qū)主要含水層，該含水層的潛水是地表植被賴以生存和人民生活用水的寶貴水源；土層指離石黃土及三趾馬紅土，厚度一般20～80 m，是良好的隔水層；風(fēng)化層指基巖頂面風(fēng)化帶，一般厚度20～25 m，為弱含水層；基巖層為主采煤層上覆未風(fēng)化基巖，主要由砂巖構(gòu)成，厚度變化較大，一般為30～380 m，與土層共同構(gòu)成隔水巖組。

2 采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律與隔水性

2.1 隔水巖組采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律與隔水性

在考慮黏土隔水層應(yīng)力應(yīng)變?nèi)滔嗨坪退硇韵嗨茥l件下，針對榆神礦區(qū)榆樹灣煤礦、海灣煤礦三號井和大砭窯煤礦的開展了隔水層穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn)。研究表明，上覆巖土體的采動(dòng)導(dǎo)水裂隙主要由“上行裂隙”與“下行裂隙”構(gòu)成?！吧闲辛严丁庇刹蓜?dòng)后頂板自下而上的垮落和離層下沉形成，主要在開采邊界形成較集中的裂隙，裂隙發(fā)育高度較大，呈“馬鞍形”分布，即通常所說的導(dǎo)水裂隙帶。“下行裂隙”則是由隔水巖組下沉作用而產(chǎn)生的，自上而下發(fā)育的張拉裂隙。最大的“下行裂隙”也發(fā)生于開采邊界的上部，與最大上行裂隙位置相對應(yīng)，如圖1所示。

圖1 采動(dòng)覆巖“上行裂隙帶”和“下行裂隙帶”

當(dāng)煤層埋深較大時(shí)，“下行裂隙”的作用不明顯，隔水巖組主要受“上行裂隙”影響。對于淺埋煤層而言，由于隔水巖組較薄，“下行裂隙”的影響比較顯著，分析隔水層穩(wěn)定性時(shí)必須考慮。

“上行裂隙帶”與“下行裂隙帶”在隔水層內(nèi)的導(dǎo)通性決定著隔水巖組的隔水穩(wěn)定性，簡稱隔水性。如果“上行裂隙帶”與“下行裂隙帶”導(dǎo)通，隔水巖組的隔水性喪失，上覆含水層或地表潛水將潰入采空區(qū)，導(dǎo)致礦井水害或地表水流失。反之，則隔水性穩(wěn)定(圖2)。通過采用合理開采方法，控制“上行裂隙帶”發(fā)育高度或降低“下行裂隙帶”發(fā)育深度，使隔水巖組保持隔水性，就可實(shí)現(xiàn)保水開采。

2.2 上行裂隙帶發(fā)育高度

(1) 單一煤層開采。上行裂隙帶發(fā)育高度的確定可以借鑒導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算方法。根據(jù)淺埋煤層隔水層穩(wěn)定性相似模擬實(shí)驗(yàn)，“上行裂隙”發(fā)育最高的區(qū)域是工作面煤壁上方的隔水巖組最大下沉區(qū)，該區(qū)域擁有最大下沉梯度和曲率。這與前蘇聯(lián)學(xué)者格維爾茨曼[23]大量實(shí)測研究的結(jié)論一致，他得出全部跨落法采煤時(shí)導(dǎo)水裂隙帶頂部巖層極限曲率Kt與導(dǎo)水裂隙(上行裂隙)帶高度Hs的關(guān)系為

其中，Kt為導(dǎo)水裂隙帶頂部巖層極限曲率；Hs為上行裂隙帶高度，m；q0為隔水巖組最大下沉系數(shù)；M為采高，m；δ0為巖層移動(dòng)的極限角，(°)；φ3為充分采動(dòng)角，(°)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，q0和cotδ0+cotφ3數(shù)值變化幅度不大，一般可取0.7和1.1，則式(1)可簡化為

由此得出，導(dǎo)水裂隙帶高度與采高成正比，與裂隙帶頂部隔水巖組的極限曲率成反比。上行裂隙帶頂部隔水巖組的極限曲率越大，即隔水巖組的柔性越大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育越小。

我國對裂隙帶高度實(shí)測研究認(rèn)為，緩傾斜煤層開采導(dǎo)水裂隙帶的高度與采高近似呈正比關(guān)系，軟弱頂板時(shí)為8～12倍采高，中硬巖層為12～18倍采高，堅(jiān)硬巖層為18～28倍采高[24]。根據(jù)實(shí)測和模擬研究，神府礦區(qū)部分礦井覆巖“三帶”高度見表1，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般為18～28倍采高。

表1 淺埋煤層覆巖“三帶”高度

Table 1 Height of “three zone” in shallow seam overburden

礦井工作面采高/m基巖厚度/m垮落帶/m裂隙帶/m彎曲下沉帶裂隙帶高度/采高大柳塔12034.0429>42無>10大砭窯礦3.0385>38無>12活雞兔212013.566675無>21海灣3號井3.353570無>21榆樹灣5.01201290有18

(2) 分層開采。根據(jù)柴里、梅河、淮南等礦區(qū)的實(shí)測[24]，在分層重復(fù)采動(dòng)時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度隨采高增加的幅度越來越小。相同厚度的第2,3和4分層開采的導(dǎo)水裂隙帶高度增量分別為1/6,1/12和1/20。第1分層開采導(dǎo)致的導(dǎo)水裂隙帶高度最大。因此，對于厚煤層開采，第1分層采高不宜過大。采用分層限高開采，可以降低導(dǎo)水裂隙帶的總高度，提高隔水巖組的穩(wěn)定性和保水開采的可能性。

2.3 下行裂隙帶發(fā)育深度

(1)“下行裂隙”發(fā)育形態(tài)

工作面開采后，隔水巖組彎曲下沉將導(dǎo)致地表(或隔水巖組的上表面)出現(xiàn)張拉，產(chǎn)生向下發(fā)育的下行裂隙(圖3)。地表最大下行裂隙一般位于采空區(qū)邊界內(nèi)側(cè)，呈“O”形環(huán)繞。隨著工作面的推進(jìn)，環(huán)狀下行裂隙將按照一定的距離周期性出現(xiàn)，并隨著新裂隙的出現(xiàn)而回轉(zhuǎn)閉合。裂隙的寬度和深度與采深、采高、頂板管理方法、土層性質(zhì)及其厚度有關(guān)。采動(dòng)地表的下行裂隙一般為楔形，上口大，越往深處寬度越小，在表土層一定深度處尖滅。

(2)“下行裂隙帶”發(fā)育深度

對于神府礦區(qū)而言，隔水巖組由基巖層、風(fēng)化層、黏土層組成，“下行裂隙帶”的發(fā)育深度與隔水巖組厚度、性質(zhì)、采高等參數(shù)有關(guān)。模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，如果采用放頂煤開采或基巖直接出露地表時(shí)，地表下行裂縫深度可達(dá)數(shù)十米。因此，降低一次采高，有利于隔水層穩(wěn)定。

圖3 采動(dòng)地表裂縫

根據(jù)榆樹灣煤礦厚煤層開采(地層條件見表2)和海灣三號井多煤層開采的物理模擬，采高5 m時(shí)，有土層的地表下行裂隙可達(dá)20 m，去除地表沙土層厚度10 m，深入隔水巖組的裂隙深度達(dá)到10 m，約為2倍采高。榆樹灣煤礦采用5.5 m分層大采高開采，降低了一次開采厚度，保障了隔水巖組的隔水性，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、保水開采。

表2 榆樹灣煤礦地層覆巖特征

Table 2 Overburden properties of Yushuwan Coal Mine

巖層平均厚度/m巖性描述風(fēng)積沙10.0粉-細(xì)沙,粉-中沙黃土25.0亞黏土及亞砂土,隔水紅土75.0黏土、亞黏土,隔水風(fēng)化巖20.0砂巖和泥巖風(fēng)化層,含水基巖100.0泥巖,中砂巖,粉砂巖煤層11.62-2煤層,f=2.44

(3)“下行裂隙”控制參數(shù)

榆樹灣煤礦地表巖移實(shí)測得出，工作面后方存在主要下沉區(qū)，即圖4中煤壁后方80 m范圍內(nèi)的區(qū)間。該區(qū)間約為覆巖厚度的1/2，該區(qū)間內(nèi)下行裂隙最發(fā)育。檸條塔煤礦地表實(shí)測也得到這種規(guī)律。

圖4 實(shí)測工作面地表下沉曲線

將下沉曲線中單位寬度上的下沉量稱為下沉梯度Ts，則有

式中，w為最大下沉量，m；r為曲率半徑，m。

可見，通過控制頂板運(yùn)動(dòng)，增大沉降區(qū)寬度，可以降低下沉梯度，減緩導(dǎo)水裂隙的產(chǎn)生。

(4)“下行裂隙”發(fā)育深度

根據(jù)力學(xué)原理可知，隔水巖梁拉應(yīng)變超過極限拉應(yīng)變?chǔ)舤時(shí)，便發(fā)生破壞并向下發(fā)展。

如圖5所示，在裂隙尖部邊緣取微元，設(shè)間距為dx的兩個(gè)截面在變形后繞中性軸相對旋轉(zhuǎn)了dθ，ρ為隔水巖組中性層曲率半徑，bb應(yīng)變?yōu)?/p>

圖5 下行裂隙底部微元分析

設(shè) “下行裂隙”深度為hx，頂板垮落后隔水巖組厚度為hg=H-hm，下行裂隙底端y=(hg-hx)/2處的應(yīng)變最大，由式(4)和式(5)可得

實(shí)際應(yīng)用中，由于下行裂隙計(jì)算公式中許多參數(shù)難以確定，一般采用物理模擬和數(shù)值計(jì)算確定。

3 隔水性判據(jù)與保水開采分類

3.1 隔水巖組的隔水性判據(jù)

當(dāng)隔水巖組內(nèi)“上行裂隙”和“下行裂隙”未貫通時(shí)，如果還存在一定厚度的有效隔水層，就不會(huì)透水。根據(jù)規(guī)程[25]，采動(dòng)后最小安全隔水巖組厚度達(dá)到3倍采高(黏土隔水巖組)或5倍采高(基巖隔水巖組)時(shí)，可以達(dá)到工程安全。因此，采用有效隔水巖組厚度與采高之比作為隔水性指標(biāo)，稱為隔采比，記Gc。隔水巖組隔水性判據(jù)為

式中，H為隔水巖組厚度，m。

根據(jù)研究，神府礦區(qū)維系地表植被的合理生態(tài)水位為1.5～5.0 m[15]。根據(jù)大柳塔雙溝泉域開采區(qū)的監(jiān)測，自1993年相繼開采1203,1205和1207等長壁工作面后，雙溝泉流量逐年下降，2002年斷流，到2007年(歷經(jīng)10多年)僅恢復(fù)到原流量的20%[26]。根據(jù)陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)保護(hù)生態(tài)水位原則，保水開采必須保持隔水巖組的隔水性。

3.2 保水開采分類

覆巖隔水巖組的厚度、性質(zhì)和采高不同，隔水巖組的穩(wěn)定性不同。根據(jù)隔采比指標(biāo)對保水開采進(jìn)行分類，有利于從宏觀上確立對應(yīng)的開采方法。

(1)自然保水開采類。采用一次采全高長壁開采方法，隔水巖組位于彎曲下沉帶并保持隔水性，稱為自然保水開采類。神府礦區(qū)基巖的導(dǎo)水裂隙帶高度一般為18～28倍采高，取上限28倍；下行裂隙深度取2倍采高，代入式(4)，則神府礦區(qū)自然保水開采的條件為

Gc≥28M+2M+(3～5)M=(33～35)M

即，有效隔水巖組為黏土層(或基巖)時(shí)，隔水巖組總厚度超過33(或35)倍采高才能實(shí)現(xiàn)自然保水開采。對于神府礦區(qū)厚度為10m的厚煤層，如果采用放頂煤開采，則隔水巖組厚度必須大于330～350m才能實(shí)現(xiàn)自然保水開采。顯然，大部分工作面不能滿足自然保水開采條件。

(2) 限高保水開采類。當(dāng)隔水巖組厚度介于18～33倍采高時(shí)，上行裂隙一般不會(huì)導(dǎo)通隔水巖組，隔水巖組的隔水性處于安全～臨界安全狀態(tài)。此類區(qū)域，可以通過限制一次采高的分層開采或協(xié)調(diào)開采等方式，控制裂隙帶發(fā)育高度，實(shí)現(xiàn)保水開采，稱為限高保水開采類。

如果按照采高3m計(jì)算，隔水巖組厚度為54～99m屬于限高保水開采類；采高為5m時(shí)，隔水巖組厚度處于90～165m。神府礦區(qū)的大部分區(qū)域?qū)儆诖祟?。榆樹灣煤礦采用限高5.5m分層開采11m厚的煤層，取得了保水開采的成功。

(3) 特殊保水開采類。如果隔水巖組很薄，采動(dòng)后隔水巖組完全處于垮落帶或裂隙帶，采動(dòng)將導(dǎo)致隔水巖組完全破壞，需要采取充填開采等特殊開采方式實(shí)現(xiàn)保水開采，稱為特殊保水開采類。陜北神府煤田的煤層覆巖一般屬于中硬—堅(jiān)硬頂板，為了工程安全取其上限，按照堅(jiān)硬的板考慮，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度將超過18倍采高。采用長壁全部垮落法開采，采高為3～5m時(shí)，隔水巖組厚度小于54～90m的區(qū)域，屬于特殊保水開采區(qū)。

對于此類區(qū)域，可采用采空區(qū)條帶充填，實(shí)現(xiàn)保水開采。根據(jù)研究，對于神府礦區(qū)特殊保水開采條件，充填20%左右可實(shí)現(xiàn)75%左右的地表減沉效果。關(guān)于條帶充填保水開采的隔水巖組穩(wěn)定性判據(jù)及具體充填參數(shù)確定，見文獻(xiàn)[27-28]。

4 結(jié) 論

(1) 淺埋煤層工作面開采后，頂板隔水巖組的隔水性主要受“上行裂隙”和“下行裂隙”影響。上行裂隙為自下而上發(fā)育的導(dǎo)水裂隙，下行裂隙為隔水巖組上表面產(chǎn)生的自上而下發(fā)育的拉伸裂隙。最大的上行裂隙和下行裂隙都位于開采邊界附近。

(2)“上行裂隙帶”和“下行裂隙帶”在隔水巖組內(nèi)的導(dǎo)通性決定著隔水性，其主要影響因素是采高、隔水巖組的厚度和性質(zhì)。隔水巖組與采高之比，即隔采比，是隔水巖組隔水性的主要指標(biāo)。

(3) 隔水巖組的“上行裂隙”發(fā)育高度和“下行裂隙”發(fā)育深度都與采高成正比，合理限制一次采高可以控制裂隙帶發(fā)育高度，提高隔水巖組穩(wěn)定性。

(4) 基于隔采比建立了隔水巖組隔水性判據(jù)，將保水開采主要分為自然保水開采類、限高保水開采類和特殊保水開采類3種類型。對于神府礦區(qū)，隔采比大于35，屬于自然保水開采類；隔采比小于18，屬于特殊保水開采類；隔采比介于18～35，屬于限高保水開采類。

(5) 采取合理的開采布置和頂板控制措施降低隔水巖組采動(dòng)裂隙發(fā)育程度，充分利用裂隙彌合性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的保水開采。

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Research on roof control of water conservation mining in shallow seam

HUANG Qing-xiang

(KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

The core idea of the shallow buried coal seams in Western China is to protect the ecological water level.The theoretical basis of the strata control in water conservation mining is the stability of the water resisting layer.According to simulation model tests and mining surface cracks observation,it reveals that the cracks of overburden strata induced by mining are mainly composed of “upwards cracks” and “downward cracks”.The water resisting property of overburden aquifer layer depends on the interpenetration of mining cracks band.The calculation formulas of the height of upward crack zone and the developing depth of downward crack zone are set up.Based on the thickness of the water resisting strata to the mining height,so-called resisting-mining thickness ratio,the water resisting criterion is established,and the classification method of water conservation mining is also put forward.Based on the overburden condition of Yushenfu mining area,the classification index range for the water conservation mining in shallow buried coal seam is suggested.

shallow seam；aquifer layer；water resisting property；mining cracks；water-preserved mining

享.淺埋煤層保水開采巖層控制研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):50-55.

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5006

2016-09-01

2016-10-22責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674190，51174156)；陜西省社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(2016SF-421)

黃慶享(1966—)，男，新疆沙灣人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。Tel：029-85583143，E-mail：Huangqx@xust.sn.cn

TD823

A

0253-9993(2017)01-0050-06

Huang Qingxiang.Research on roof control of water conservation mining in shallow seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):50-55.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5006