分層開采對覆巖及含水層影響的相似模擬試驗(yàn)研究

耿逸鵬,張永波

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030024)

分層開采對覆巖及含水層影響的相似模擬試驗(yàn)研究

耿逸鵬,張永波

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030024)

以山西省長治市屯留縣常村煤礦地質(zhì)條件為原型,運(yùn)用相似理論進(jìn)行試驗(yàn),對煤層開采引起的上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律以及對上覆含水層影響進(jìn)行研究。相似試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著煤層開采厚度的增加,覆巖整體發(fā)生下沉,且下沉量逐漸增大；覆巖裂隙的發(fā)育與開采工作面推進(jìn)距離呈現(xiàn)一定的規(guī)律性；裂隙隨分層開采逐漸發(fā)育,雖未導(dǎo)通隔水層,但造成了含水層的疏干。

采空區(qū)；覆巖移動(dòng)規(guī)律；含水層；相似模擬試驗(yàn)

0 引 言

山西省作為厚黃土覆蓋區(qū),是全國水資源匱乏的省份之一。厚黃土地區(qū)往往含有富水性好、厚度大的含水層,是當(dāng)?shù)氐闹饕┧?但煤礦開采會(huì)對含水層造成破壞。山西作為能源大省,以煤炭資源為經(jīng)濟(jì)主體,煤炭的開采會(huì)形成冒落帶、裂隙帶和彎沉帶[1],使與之關(guān)系密切的含水層受到影響。裂隙帶會(huì)導(dǎo)通上覆含水層形成地下水向下滲透的主要通道,致使上層含水層被疏干,水量減少,破壞動(dòng)態(tài)平衡,引發(fā)地下水位下降、泉水?dāng)嗔?、含水層疏干等生態(tài)環(huán)境破壞問題。

本文運(yùn)用相似模擬試驗(yàn),研究山西省長治市屯留縣常村厚黃土層煤礦不同埋深條件下的覆巖移動(dòng)、裂隙發(fā)育和含水層底板破壞規(guī)律,對保護(hù)礦區(qū)地下水資源具有積極意義。

1 研究區(qū)的地質(zhì)概況

常村煤礦位于高原盆地內(nèi)的河谷平原,為厚黃土覆蓋區(qū),地層由上而下依次為第四系、二疊系、石炭系和奧陶系。此次模擬只列出開采煤層之上的地層,由老到新依次為：

(1)下二疊統(tǒng)山西組(P1S)。主要含煤地層,厚48.33 m。巖性為灰白色、灰色中細(xì)粒石英砂巖,灰色、灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,夾1～4層煤。其中,下部的3號煤層為主要可采煤層,厚6.09 m?？紤]試驗(yàn)需要,將本次的開采層厚度改變?yōu)? m。3號煤上部多為灰色中細(xì)粒砂巖,厚數(shù)米至十米,為3號煤老頂,與下伏太原組地層呈整合接觸。

(2)下二疊統(tǒng)下石盒子組(P1X)。厚61.97 m，連續(xù)沉積在山西組地層之上,頂部為紫紅、紫灰等雜色含鮞粒的厚層狀鋁質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖,俗稱桃花泥巖；中下部為灰色泥巖,砂質(zhì)泥巖,灰色、灰白色石英砂巖；底部以灰白色厚層狀細(xì)、中、粗粒石英砂巖與山西組分界。

(3)上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2s)。厚91.74 m。巖性為紫紅、紫灰等雜色泥巖或砂質(zhì)泥巖,灰色、灰白色、黃綠色細(xì)、中、粗粒石英砂巖。底部以砂巖與下石盒子組分界

(4)第四系(Q4)。研究區(qū)的主要覆蓋層,厚108.1 m。巖性為棕黃色、淺黃色亞粘土,含砂質(zhì)粘土,夾姜石、砂礫層；頂部為耕植土,與下伏地層呈角度不整合接觸。基巖面自北向南緩傾斜。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)以常村煤礦S6-9采區(qū)為原型,煤層平均厚度為6.09 m,實(shí)際傾角6°,模型按水平煤層考慮,工作面沿走向長度為885 m。煤層的直接頂板為灰黑色粉砂巖和泥巖,厚1.9 m,老頂為灰白色厚層狀細(xì)粒粗砂巖,厚7.8 m,基巖主要由不同粒徑的砂巖組成,頂板裂隙較發(fā)育。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_采采用分層開采,開采跨度270 cm,總厚度7 cm,先采上部3 cm,再采4 cm,開采速度為10 cm/h[4]。試驗(yàn)裝置見圖1。在模型的表面設(shè)置9排位移監(jiān)測點(diǎn),每排21個(gè),同排觀測點(diǎn)等距布設(shè),間距為20 cm。試驗(yàn)過程中,應(yīng)用DM-101AC全站儀對煤層開采過程中覆巖移動(dòng)變化情況進(jìn)行監(jiān)測[5]。

表1 模型相似材料主要參數(shù)

圖1 模擬試驗(yàn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 裂隙變化規(guī)律

本次試驗(yàn)分別統(tǒng)計(jì)2層煤層開采過程中面裂隙率的變化規(guī)律來研究對覆巖的影響。運(yùn)用MapGIS K9軟件對開采過程中拍攝的圖片進(jìn)行描繪,用軟件中屬性匯總功能統(tǒng)計(jì)裂隙的面積,比較分析多煤層開采條件下的覆巖變化規(guī)律。第1、2層開采過程裂隙發(fā)育分別見表2、3。采后覆巖裂隙見圖2。采后裂隙長度、面積與推進(jìn)距離的擬合曲線見圖3。裂隙長度與裂隙面積擬合曲線見圖4[6]。

表2 第1層開采過程裂隙發(fā)育

表3 第2層開采過程裂隙發(fā)育

圖2 采后覆巖裂隙

圖4 裂隙長度與裂隙面積擬合曲線

從以上分析可知,在開采煤層過程中,裂隙長度、裂隙面積與工作面推進(jìn)距離呈線性相關(guān),裂隙面積與裂隙長度呈三次多項(xiàng)式關(guān)系。擬合方程擬合度R2分別為0.96、0.95、0.88、0.81和0.98,方程為

L1=9.8565X-809.17
S1=3.9694X-77.157
L2=-0.000 5X3+0.171 6X2-9.537 9X+187 4.4
S2=-0.000 4L3+0.165 4L2-16.13L+155 1
S總=2×10-8L3-6×10-5L2+0.496L+222.32

式中,L為裂隙長度；S為裂隙面積；X為工作面推進(jìn)距離。

從擬合曲線以及方程來看,第1層開采過程中,裂隙長度與裂隙面積均隨著推進(jìn)距離呈線性增長,表示裂隙在開采過程中一直向上發(fā)育；第2層開采過程中,裂隙長度與面積發(fā)育趨勢緩慢,說明開采過程中,裂隙的發(fā)育速度降低,并且有部分裂隙閉合,使裂隙總長度的減小。裂隙面積隨裂隙長度增大而增大,符合實(shí)際情況[7]。

3.2 覆巖移動(dòng)規(guī)律

3.2.1 第1層煤層開采過程

觀測線位移與推進(jìn)距離關(guān)系見圖5。圖5a中可以看出,開采第1層過程中H1觀測線上最大位移量約為350 m,在距離開切眼180 m處。煤層頂板覆巖隨著工作面的推進(jìn)逐漸開始垮落,垮落距離小于工作面的推進(jìn)距離,說明覆巖的垮落過程是滯后于推進(jìn)面。圖5a中位移變化曲線呈現(xiàn)出向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢,垂直位移量沒有較大的變化,隨著工作面的推進(jìn),出現(xiàn)位移變化的觀測點(diǎn)的個(gè)數(shù)增多,并且位移量基本保持在同一水平。圖5b中觀測點(diǎn)的變化包括水平上和垂直上的變化,水平的變化表示頂板隨采隨落,垂直方向變化說明覆巖垮落有滯后性。此外,圖5a中曲線表現(xiàn)出對稱性,在每個(gè)推進(jìn)距離階段有各自的對稱軸。圖5b中各個(gè)推進(jìn)階段曲線具有相似性,說明裂隙的發(fā)育方式相同。

圖5 觀測線位移與推進(jìn)距離關(guān)系

3.2.2 煤層采后覆巖變化規(guī)律

煤層采后覆巖位移變化見圖6。從圖6可知,覆巖沉降量變化較大,圖6a覆巖最大下沉量由350 cm增大到710 cm,圖6b由230 cm增大至630 cm；碎漲系數(shù)分別從1.016和1.009上升到1.13和1.049。說明在多層煤層開采的條件下,覆巖沉降變形較大[7],表現(xiàn)在位移量的變大以及發(fā)生大位移量變化的監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量增多。此外,兩條曲線都表現(xiàn)出極大的對稱性及相似性,說明第2層煤層開采對覆巖的影響主要表現(xiàn)在覆巖沉降位移量的變化,以及采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)的破碎化；第1層煤層采后的覆巖結(jié)構(gòu)基本保持不變,這與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果基本一致[8]。

圖6 煤層采后覆巖位移變化

3.3 隔水層防水性能

開采前,通過監(jiān)測水箱中水位的變化計(jì)算隔水層的下滲速度。水位隨時(shí)間變化見圖7。經(jīng)計(jì)算,不考慮其他因素的影響,隔水層的平均下滲速度為0.031 3 cm/h。開采過程中下滲速度的變化見圖8。從圖8可知,第1層開采過程中,前期隔水層下滲速度無明顯變化,基本維持不變,隨著工作面推進(jìn)到180 m后,下滲速度有所變大,說明含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到了影響；開采第2層的過程中,前期下滲速度穩(wěn)定在0.1 cm/h左右,當(dāng)?shù)?層開采到120～140 m左右時(shí),下滲速度急劇突變,由0.1 cm/h上升至0.389 cm/h,說明含水層的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)受到了采動(dòng)的影響,致使下滲速度發(fā)生突變,此時(shí)含水層水量持續(xù)減少,最終被疏干。這與開過程中,隔水層有較大沉降量、水箱水位快速下降的試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合,說明了數(shù)據(jù)的正確性。

圖7 未開采時(shí)水位與時(shí)間的關(guān)系

圖8 開采過程中下滲速度

4 結(jié) 語

本文應(yīng)用相似模擬方法研究采動(dòng)對覆巖及含水層影響可知,煤層分層開采對覆巖裂隙的發(fā)育影響較復(fù)雜,第1層采動(dòng)過程中,裂隙長度、面積和推進(jìn)距離呈正相關(guān),第2層采動(dòng)過程中呈三次多項(xiàng)式關(guān)系[9]；隨著開采工作面的推進(jìn),煤層頂板逐漸垮落,垮落速度滯后于開采速度；覆巖沉降曲線具有對稱性與相似性；覆巖沉降量的變化隨著開采厚度的變大而增大,隨高度的升高而減小。

此次模擬試驗(yàn)未進(jìn)行覆巖裂隙高度變化規(guī)律的分析,在下一步工作中,可運(yùn)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究[10]。

[1]劉秀英, 張永波. 采空區(qū)覆巖移動(dòng)規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 35(1)： 29- 31, 35

[2]張志祥, 張永波. 多煤層開采覆巖移動(dòng)規(guī)律及地表變形規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2011, 38(4)： 130- 134．

[3]李樹剛, 王琳華. 采煤覆巖“三帶”演化特性的相似模擬試驗(yàn)及分析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2013, 40(3)： 17- 20．

[4]神克強(qiáng). 巨厚松散層下開采覆移動(dòng)規(guī)律研究及應(yīng)用[D]. 合肥： 安徽理工大學(xué), 2009．

[5]黃慶享. 淺埋煤層開采隔水層位移規(guī)律相似模擬研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2006, 34(5)： 34- 37．

[6]肖鵬. 基于物理相似模擬試驗(yàn)的覆巖采動(dòng)裂隙演化規(guī)律研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2014, 10(4)： 18- 23．

[7]林海飛, 李樹剛. 覆巖采動(dòng)裂隙演化形態(tài)的相似材料模擬試驗(yàn)[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(5)： 507- 512．

[8]苗磊剛, 石必明. 大采高采動(dòng)覆巖變形的相似模擬試驗(yàn)研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 26(1)： 116- 121．

[9]劉洪濤, 馬念本, 李季. 頂板淺部裂隙通道演化規(guī)律與分布特征[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2012, 37(9)： 1451- 1455．

[10]李向陽, 李俊平, 周創(chuàng)平. 采空場覆巖變形數(shù)值模擬與相似模擬比較研究[J]. 巖石力學(xué), 2005, 26(12)： 1907- 1912．

(責(zé)任編輯楊 健)

SimilarSimulationExperimentalResearchontheEffectofSliceMiningonOverlyingRockandAquifer

GENG Yipeng, ZHANG Yongbo
(Collage of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, Chian)

Taking the geological conditions of Changcun Coal Mine in Tongliu County, Changzhi, Shanxi as a prototype, the similarity theory is applied to research the behavior of overlying rock movement and the effect on overlying aquifer caused by coal mining. The results of similarity experiment show that: (a) with the increase of coal mining thickness, the strata occur sink as a whole and the subsidence increases gradually; (b) the development of fractures in overlying rock and the extension distance are regular; and (c) the fractures are gradually developed with slice mining, and although not break over aquifer, but causes the unwatering of aquifer．

gob; moving regulation of overlying rock; aquifer; similarity simulation

2017- 03- 14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572221)

耿逸鵬(1990—),男,河北衡水人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗乃Y源；張永波(通訊作者)．

TD325(225)

：A

：0559- 9342(2017)06- 0110- 05