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第 28 卷 第 5 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.5 2009 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009 收稿日期收稿日期2008–11–03；修回日期修回日期2009–02–03 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目50574074；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目教外司留 2008–890 作者简介作者简介黄庆享1966–，男，博士，1987 年毕业于西安矿业学院采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事矿山压力与岩层控制方面的教 学与研究工作。E-mailHuangqx 浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究 黄庆享 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054 摘要摘要隔水层稳定性是保水开采研究的关键。通过对黏土隔水层应力–应变全程曲线测定，建立以残余强度和应 变为关键指标的模拟方法。采用变单因素分析法，考虑材料破坏的峰值强度、峰值应变及残余强度，获得黏土隔 水层应力–应变全程相似的模拟材料和配比规律。以榆树湾煤矿条件为背景，开展保水开采岩层移动规律和隔水 层稳定性的模拟，得出分层开采基岩关键层和隔水层的移动和垮落规律，揭示顶板淋水是基岩风化层裂隙水的机 制，并得到实践验证。实验发现，基岩和隔水层在工作面后部存在主要下沉区，是最易形成导水裂隙带的区域。 主要下沉区的下沉梯度 Ts是隔水层稳定性控制的重要指标， 合理增大下沉区间和减小下沉梯度是隔水层稳定性控 制的有效途径。论证榆树湾煤矿保水开采的可行性，并为浅埋煤层保水开采控制提供借鉴。 关键词关键词采矿工程；浅埋煤层；隔水层；相似配比；下沉梯度；保水开采 中图分类号中图分类号TD 315 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200905–0987–06 SIMULATION OF CLAY AQUIFUGE STABILITY OF WATER CONSERVATION MINING IN SHALLOW-BURIED COAL SEAM HUANG Qingxiang School of Energy and Resource，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，Shaanxi 710054，China AbstractAccording to the complete stress-strain curve test of clay aquifuge，a new simulation is put forward considering the peak strain and strength as well as residual strength and strain. Through series of material proportion tests by use of the single-factor analysis ， the aggregate materials and proper agent for materials are obtained；and the proper material proportions are advanced for the complete stress-strain simulation of clay aquifuge. Through the simulation tests of longwall mining of Yushuwan coalmine，the caving feature and subsidence movement of bedrock roof and clay aquifuge of overburden are presented. It is shown that the roof pouring water of mining face is from weathering layer rather than ground surface，which is proven by mining practice. It is also found that there is a main subsidence area behind mining face；and the clay aquifuge trends to lose stability in this area. The subsidence gradient Ts of this area is the key index for aquifuge stability control； and to decrease the Ts or increase the subsidence span is the effective approach of aquifuge stability control. This simulation shows that the water conservation mining can be realized in Yushuwan coalmine；and this research provides a for water conservation mining in shallow-buried coal seam. Key wordsmining engineering；shallow-buried coal seam；aquifuge；material proportion；subsidence gradient；water conservation mining 988 岩石力学与工程学报 2009年 1 引引 言言 随着全球对环境的关注，煤炭开采也向环保方 向发展，提出了煤矿绿色开采理念，其中保水开采 日益受到重视[1 ～4]。我国陕北普遍赋存浅埋煤层， 采动对地表水系影响严重，给脆弱的地表生态带来 了灾难，浅埋煤层的保水开采问题尤为紧迫[5 ，6]。 由于陕北浅埋煤层地表潜水层下普遍赋存有三趾马 黏土和离石黄土层，是天然的隔水层，这为实施保 水开采技术提供了可能[7]，研究采动黏土隔水层的 稳定性成为保水开采研究的基础和关键[8]。 相似模拟技术在采矿、水利和岩土工程领域得 到广泛应用[9]，然而矿山相似模拟技术主要局限于 对岩层等脆性材料弹性段的模拟[10]。陕北浅埋煤层 隔水层主要由塑性明显的土层组成，传统的脆性材 料模拟技术难以满足要求。对于黏土隔水层，其塑 性变形特性有利于减缓导水裂隙产生，保持为隔水 稳定性。模拟隔水层的变形性质，特别是峰后塑性 变形特性是隔水层稳定性模拟的关键。因此，实现 隔水层应力–应变全程相似的模拟技术就成为保水 开采研究的基础。 作者[11 ，12]曾经采用石蜡作胶结剂、 河砂作骨料 的方法模拟黏土隔水层，但研究发现，石蜡在低温 时脆性较强，温度较高时塑性较强，性能不稳定。 2006 年后，开始了对塑性模拟材料的开发，探索了 应力应变全程相似的模拟材料和配比[13]。本文建立 了隔水层黏土的应力–应变全程相似模拟技术，开 发了隔水层模拟材料及其配比。通过对榆树湾煤矿 的模拟，揭示了隔水层稳定性，并得到了实践验证， 可为保水开采研究与实践提供借鉴。 2 隔水层的应力–应变及其相似条件隔水层的应力–应变及其相似条件 榆树湾煤矿隔水层由红土和黄土层构成，通过 三轴实验获得了土样的应力–应变全程曲线，按 照几何相似比 pm /200 l llα；容重相似比 γ α pm /1γγ≈；强度、弹性模量、黏聚力相似比 R α 200 Eclγ ααα α；作用力相似比 pm / f ffα 6 8 10，应变相似比1 ε α。图1给出了土样模型 的应力–应变曲线。煤、岩层按照常规方法计算， 黏土的强度和应变参数，如表1所示。 图 1 土样模型的应力–应变曲线 Fig.1 Stress-strain curves of clay in model scale 表 1 岩土的物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock and soil 类 别土名 容重 /kN m －3 弹性模 量/MPa 黏聚力 /kPa 内摩擦 角/ 泊松 比 单轴抗压 强度/kPa 峰值应 变/ 残余 强度 /kPa 黄土 17.014.50069.0030.9 0.31 270.000.9249.00 红土 18.021.90086.0030.5 0.35 180.000.8878.00 风化 层 23.2690.000 1 030.0038.9 0.22 2 500.00 基岩 层 24.36 280.000 6 750.0038.5 0.18 20 265.00 原 型 煤层 13.01 262.000 2 400.0039.9 0.24 11 700.00 黄土 17.00.0880.3530.9 0.31 1.350.92 0.25 红土 17.50.0930.4330.5 0.35 0.900.88 0.39 风化 层 17.02.3003.4038.9 0.22 8.30 基岩 层 17.020.90022.5038.5 0.18 67.50 模 型 煤层 13.06.30012.0039.9 0.24 58.50 3 隔水层相似配比实验隔水层相似配比实验 3.1 相似配比实验设计相似配比实验设计 1 模拟材料的选择 隔水层模拟材料选用河砂、黏土、水及机油4 种原材料，其中砂作为骨料，土作为胶结剂，水和 油作为土的黏性及塑性影响剂，进行配比实验。这 些材料价格低廉，方便获取。 2 配比实验设计 为了提高效率，采用“变单因素法”确定合理 砂土比及水或油与土的比例。根据以往研究[13]，首 先选用砂土比1∶1质量比为初值，分别采用水土 比1∶5、水油土比1∶1∶10、油土比1∶5，测定 油和水对材料性能的影响，确定合理的影响剂；然 后，分别按照砂土比河砂黏土2.0∶1，1.2∶1， 1.0∶1和0.8∶1进行实验，确定合理的砂土比；最 后，分别进行油土比1∶5.0，1∶4.5，1∶4.0，1∶3.0 和1∶2.0进行对比实验，确定合理的油土比。 0.0 0.5 1.0 1.5 012 3 4 ε/ σ/kPa 黄土 红土 σ2 σ31 kPa 第 28 卷 第 5 期 黄庆享. 浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究 989 3.2 相似配比的应力–应变变化规律相似配比的应力–应变变化规律 1 水和油影响剂的比较 通过实验，可以得出砂土比为1.0∶1时，不同 水油土比的应力–应变曲线见图2。由此可见， 油作为影响剂能有效降低试件的强度，对材料的弹 性模量、 残余强度和应变等塑性指数也有显著影响， 相似材料的应力–应变曲线与原型曲线比较相似， 因此确定油作为影响剂。 图 2 不同水油土比的应力–应变曲线 Fig.2 Stress-strain curves of different ratios of water to oil and clay 2 砂土比的影响 在油土比为1∶5时，不同砂土比的应力–应变 全程曲线如图3所示。由此可见，当砂土比大于 1.0∶1时，材料强度随砂土比的减小而减小；当砂 土比小于1.0∶1时，其强度又有升高的趋势。当砂 土比为1.0∶1时，材料强度最低，并且其峰值应力 和应变及残余强度都与换算模型值接近，因此确定 选用砂土比为1∶1。 图 3 不同砂土比的应力–应变曲线 Fig.3 Stress-strain curves of different ratios of sand to soil 3 最佳配比的确定 在砂土比为1∶1时，不同油土比的相似材料应 力–应变曲线如图4所示。由此可见，砂土比为 1.0∶1，油土比为1∶3.0时，强度最低；当油土比 小于1∶3.0时，其强度随着油土比的增大而降低； 图 4 砂土比 1∶1 时不同油土比的应力–应变曲线 Fig.4 Stress-strain curves of different ratios of oil to soil 当油土比大于1∶3.0时，其强度又有增大的趋势。 此外，当油土比为1∶4.0时，残余强度最低；在油 土比小于1∶4.0时，残余强度变化不大，但当油土 比大于1∶4.0时，残余强度有显著增大的趋势。 在砂土比为1∶1，油土比为1∶4.0和1∶4.5 时，二者的应力–应变全程曲线与原型换算曲线最 为接近。根据模拟经验，由于模型铺装的密度小于 相似材料试件的密度，加上铺装过程的分层和人工 节理裂隙工艺，实际模型强度要低于试件强度10 倍，所以上述配比是本次模拟的最佳配比。 4 岩层移动和隔水层稳定性模拟岩层移动和隔水层稳定性模拟 4.1 模拟背景和模型设计模拟背景和模型设计 以榆树湾煤矿首采区地质条件为原型，模拟黏 土隔水层稳定性规律，为保水开采提供科学依据。 榆树湾首采区地质特征如表2和图5所示，地层含 水层主要是黄土层之上的地表潜水。在隔水层下的 基岩风化层也含有少量裂隙水，但对工作面威胁不 大。工作面采用倾斜分层长壁综合机械化采煤法。 工作面长250 m，走向长5 810 m，符合平面模型条 件，按照1∶200的几何相似比进行相似模拟实验。 在顶板基岩关键层距煤层56 m、隔水层底部距 煤层120 m及地表分别布置位移测线，观测岩层运 动规律。 表 2 地层覆岩特征 Table 2 Properties of overburden strata 岩层 平均厚度/m 岩性描述 风积砂 10.0 粉–细砂，粉–中砂 黄土 25.0 亚黏土及亚砂土，隔水 红土 75.0 黏土、亚黏土，隔水 风化岩 20.0 砂岩和泥岩风化层，含水 基岩 100.0 泥岩，中砂岩，粉砂岩 煤层 11.6 2–2 煤层 f 2.44 0 50 100 150 200 0 1 2 3 4 56 7 8 910 ε/ σ/kPa 水土比 1∶5 水油土比 1∶1∶10 油土比 1∶5 0 20 40 60 80 100 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.03.5 砂土比 2.0∶1 砂土比 1.2∶1 砂土比 1.0∶1 砂土比 0.8∶1 ε/ σ/kPa 0 5 10 15 20 25 30 01234 5 6 78 油土比 1∶2.0 油土比 1∶3.0 油土比 1∶4.0 油土比 1∶4.5 油土比 1∶5.0 ε/ σ/kPa 990 岩石力学与工程学报 2009年 图 5 煤层覆岩组成 Fig.5 Overburden of coal seam 基岩、风化层采用传统原料砂、石膏、大白粉 铺装，黏土隔水层采用新开发的上述材料及配比铺 装，首次实现隔水层的应力应变全程相似模拟。采 用分层开采方法，首分层采高5 m，二分层采高6 m， 首分层采完后采二分层。 4.2 顶板基岩和隔水层垮落规律顶板基岩和隔水层垮落规律 为了便于理解，将实验数据还原为原型值，得 出的工作面顶板垮落规律如图6所示。 图 6 工作面顶板垮落规律 Fig.6 Roof caving laws of mining face 1 首分层开采 首分层大范围开采后，垮落带高度为90 m，主 要在基岩内，裂隙带高度达到120 m， 波及风化层 见图7。实测首采工作面顶板淋水规律见图8， 证实了此刻为风化层裂隙水，说明模拟结果可靠。 2 二分层开采 二分层多工作面开采后，顶板垮落高度达到 166 m，比首分层开采增大76 m。黏土层的垮落高 度为46 m见图9，接近隔水层厚度的一半，隔水 层稳定，保水开采是安全的。 首分层开采导水裂隙带高度约为采高的20倍， 二分层开采导水裂隙带高度约为总采高的16倍。 图 7 首分层工作面顶板垮落状况 Fig.7 Roof caving of the first slice face 图 8 实测工作面淋水量与支架载荷的关系 Fig.8 Relation of roof water yield vs. roof weighting 图 9 二分层工作面顶板垮落状况 Fig.9 Roof caving of the second slice face 4.3 顶板基岩和隔水层移动规律顶板基岩和隔水层移动规律 模拟实验得出采动顶板56 m层位采动顶板和 隔水层下沉规律如图10所示。 图 10 采动顶板和隔水层下沉规律 Fig.10 Roof and clay aquifuge subsidence laws 含裂隙水风化层 垮落顶部 黏土隔水层 含裂隙水风化层 63 5 000 5 500 6 000 6 500 7 000 2030405060 70 80 90100 工作面推进距离/m 支架载荷/kN架 －1 0 20 40 60 80 100 120 140 淋水量/m3d －1 支架载荷 淋水量 含裂隙水风化层 20122 工作面 二分层开采矿压与保水开采研究 含潜水地表砂土层 煤 基岩 风化层 红土 黄土 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 推进距离/m 高度/m 首分层垮落带 首分层裂隙带 二分层垮落带 140 0 2 4 6 8 10 －40 －2002040 60 80 100 120 相对于工作面距离/m 下沉量/m 首分层隔水层 首分层基岩 二分层隔水层 二分层基岩 第 28 卷 第 5 期 黄庆享. 浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究 991 1 首分层开采 ① 顶板56 m层位基岩的主要下沉发生在工作 面后方60～120 m，下沉量2.6 m，是采高的55。 ② 顶板120 m层位的隔水层底部和地表的下 沉规律基本一致，表现为平缓的连续下沉，说明首 分层开采后，黏土隔水层连续完整。 ③ 首分层开采的基岩和隔水层下沉量如图11 所示，图中所示为2个相邻工作面开采的56 m层 位基岩和隔水层底部测线的下沉曲线。由此可见， 大范围开采后，基岩测线最大下沉量由原来单工作 面的2.5 m，增大为2.6 m。隔水层测线下沉表现为 连续平缓下沉。 图 11 首分层开采的基岩和隔水层下沉量 Fig.11 Subsidence section of the first slice of bedrock and aquifuge 2 二分层开采 ① 由于首分层采动导致顶板破碎，采后基岩移 动比较及时， 主要下沉位移发生于工作面后方10～ 60，120 m后基本稳定，最大下沉量为9.2 m，为采 厚的82。 ② 隔水层下沉滞后于基岩约50 m，主要下沉 位生于工作面后方60～100 m，最大下沉量为7 m， 为采厚的63。 ③ 二分层开采的基岩和隔水层下沉量如图12 所示，56 m层位的基岩测线和隔水层底部测线下沉 图 12 二分层开采的基岩和隔水层下沉量 Fig.12 Subsidence of the second slice of bedrock and aquifuge 明显大于首分层开采。二分层采动地表下沉曲线平 缓连续，说明上部隔水层完整，可以保护地表潜水。 4.4 隔水层稳定性及控制途径隔水层稳定性及控制途径 通过2个分层开采的模拟，发现隔水层稳定性 有如下影响因素 1 基岩对隔水层稳定性的影响 2个分层的开采过程中，隔水层的主要位移发生 于工作面后方60～120 m，基本上是基岩厚度的 0.5～1.0倍，隔水层运动总是滞后于基岩的运动， 说明隔水层的稳定性受基岩运动的明显影响，通过 控制基岩关键层的运动可望改善隔水的层稳定性。 2 下沉梯度控制指标 采动地层移动过程，在工作面后方存在主要下 沉区，该区的采动裂隙明显发育，可能成为导水通 道。将下沉曲线中单位宽度上的下沉量称为下沉梯 度 Ts，则有 s /Tsl ∆∆ 1 式中s∆为单位宽度上的下沉量m，l∆为单位宽 度m。 在下沉量不变的条件下，如果通过控制基岩顶 板的运动，增大主要沉降区的宽度，就等于降低了 下沉梯度，减缓了导水裂隙的产生。因此，下沉梯 度也可以作为隔水层稳定性判定和控制指标。 如榆树湾首分层开采，56 m层位基岩的主要下 沉区位移工作面后60～80 m，宽度20 m，对应下 沉量2 m，下沉梯度为0.100，其导水裂隙发育， 导致淋水。隔水层下沉区间为60～140 m，宽度 80 m，相对下沉量仅0.4 m，下沉梯度为0.050，无 导水裂隙，隔水层稳定。二分层开采，隔水层底部 在工作面后60～100 m内下沉量6 m，下沉梯度为 0.150，该层位土层失稳。但是，隔水层上部土层的 下沉梯度仅为0.000 5，隔水层稳定。 5 结结 论论 通过模拟研究，结合首分层矿压实测验证，得 出如下认识 1 黏土隔水层的塑性变形是其稳定性的重要 指标，黏土隔水层稳定性模拟必须实现应力–应变 全程相似。本文给出了能够实现应力–应变全程相 似的合理相似材料及其配比，发展了物理相似模拟 技术，为保水开采研究提供了新手段。 2 模拟实验揭示了榆树湾煤矿2–2煤层开采 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 100 200 300400 500 600700 沿工作面倾向位置/m 下沉量/m 基岩 隔水层 0 2 4 6 8 10 12 0100200300400500600700 沿工作面倾向位置/m 下沉量/m 首分层基岩 二分层基岩 二分层隔水层 二分层地表 992 岩石力学与工程学报 2009年 的基岩关键层、黏土隔水层和地表的下沉运动规律。 首分层开采基岩垮落带高度90 m，裂隙带波及隔水 层底部，隔水层保持稳定。实测证实了开采顶板淋 水与来压有对应关系，没有持续性涌水，说明顶板 淋水主要是基岩裂隙水，没有波及地表潜水，验证 了模拟的可靠性。 3 模拟预计二分层开采垮落高度波及黏土隔 水层内46 m，但裂隙带没有波及地表。地表下沉曲 线平缓，隔水层总体稳定，保水开采可行。 4 实验发现，基岩和隔水层的下沉运动在工 作面后部存在主要下沉区，该区裂隙最发育，是最 易形成导水裂隙带的区域。主要下沉区的下沉梯度 Ts可以作为控制隔水层稳定性的重要指标。 5 基岩运动对隔水层运动和稳定性有明显影 响，通过控制基岩关键层的运动可望成为隔水层稳 定性的有效控制途径。 参考文献参考文献References [1] 钱鸣高，许家林，缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学 报， 2003， 324 343–348.QIAN Minggao， XU Jialin， MIAO Xiexing. Green mining technique in coal mine[J]. Journal of China University of Mining and Technology，2003，324343–348.in Chinese [2] 许家林，钱鸣高. 绿色开采的理念与技术框架[J]. 科技导报，2007， 25761–65.XU Jialin，QIAN Minggao. Concept of green mining and its technical framework[J]. Science and Technology Review， 2007，25761–65.in Chinese [3] 马立强，张东升，刘玉德，等. 薄基岩浅埋煤层保水开采技术 研究[J]. 湖南科技大学学报自然科学版，2008，2311–5.MA Liqiang，ZHANG Dongsheng，LIU Yude，et al. Aquifer-protective mining technology in shallow coal seam with thin bedrock[J]. Journal of Hunan University of Science and TechnologyNatural Science， 2008，2311–5.in Chinese [4] 宣以琼. 薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究[J]. 岩土力 学，2008，292512–516.XUAN Yiqiong. Research on movement and evolution law of breaking of overlying strata in shallow coal seam with a thin bedrock[J]. Rock and Soil Mechanics，2008，292 512–516.in Chinese [5] 李文平，叶贵钧，张 莱，等. 陕北榆神府矿区保水采煤工程地质 条件研究[J]. 煤炭学报，2000，255449–454.LI Wenping，YE Guijun，ZHANG Lai，et al. Study on the engineering geological conditions of protected water resources during coal mining action in Yushenfu mine area in the North Shaanxi Province[J]. Journal of China Coal Society，2000，255449–454.in Chinese [6] 范立民，蒋泽泉，许开仓. 榆神矿区强松散含水层下采煤隔水岩组 特性的研究[J]. 中国煤田地质，2003，15425–30.FAN Limin， JIANG Zequan，XU Kaicang. Research on coal mining under competent loose aquifer and properties of aquifuge in Yushen mining area[J]. Coal Geology of China，2003，15425–30.in Chinese [7] 黄庆享. 浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究[M]. 徐州 中国矿业大学出版社，2000.HUANG Qingxiang. Roof structure and roof control theory of longwall mining in shallow seam[M]. Xuzhou China University of Mining Technology Press，2000.in Chinese [8] HUANG Q X. Study on water resisting property of subsurface aquifuge in shallow coal seam mining[J]. Journal of Coal Science and Engineering，2008，143369–372. [9] 顾大钊. 相似材料和相似模型[M]. 徐州中国矿业大学出版社， 199557–60.GU Dazhao. Equivalent material and similar models[M]. XuzhouChina University of Mining and Technology Press，1995 57–60.in Chinese [10] 马立强，张东升，乔京利，等. 浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特 征试验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报自然科学版， 2008， 275 649–652.MA Liqiang，ZHANG Dongsheng，QIAO Jingli，et al. Physical simulation of water crack distribution characteristics in overlying strata under coal mining conditions[J]. Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science，2008，275649–652.in Chinese [11] 黄庆享，刘腾飞. 浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究[J]. 煤 田地质与勘探，2006，34534–37.HUANG Qingxiang，LIU Tengfei. Simulating test on the subsidence law of subsurface water resisting layer upon shallow coalbed mining[J]. Coal Geology and Exploration，2006，34534–37.in Chinese [12] HUANG Q X. Experimental research of overburden movement and subsurface water seeping in shallow seam mining[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，146483– 489. [13] 黄庆享，侯志成，张文忠，等. 黏土隔水层相似材料胶结剂的正交 实验分析[J]. 采矿与安全工程学报， 2007， 241 42–46.HUANG Qingxiang，HOU Zhicheng，ZHANG Wenzhong，et al. Orthogonal tests on cementing agents of similar of clay aquifuge[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2007，24142–46.in Chinese