浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类.pdf

第 29 卷 增 2 岩石力学与工程学报 Vol.29 Supp.2 2010 年 9 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.， 2010 收稿日期收稿日期2009–12–31；修回日期修回日期2010–04–05 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 号；榆林市产学研合作项目；陕 西省重点实验室科研项目 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 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 黄庆享 西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054 摘要摘要通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测，揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构 成，采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式，模拟测定下行 裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系，提出以隔采比为指标的隔水性判据，由此 将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采 3 类，为浅埋煤层保水开采提供科学依据。 关键词关键词采矿工程；浅埋煤层；覆岩；隔水性；保水开采 中图分类号中图分类号TD 32 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152010增 2–3622–06 IMPERMEABILITY OF OVERBURDEN ROCK IN SHALLOW BURIED COAL SEAM AND CLASSIFICATION OF WATER CONSERVATION MINING HUANG Qingxiang Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，Shaanxi 710054，China AbstractAccording to simulation model tests and water conservation of overburden rock in shallow-buried coal seam，it is revealed that the cracks of overburden rock induced by mining are mainly composed of upward cracks and downward cracks；the impermeability of overburden impermeable layer depends on the interpenetration of mining crack zone. The calculation ula of the developing height of upward crack zone is analyzed；and the developing depth of downward crack zone is also measured by simulation. Based on the relationship among developing degree of mining crack，mining height and impermeable layer，the impermeability criterion is put forward by the ratio of impermeable layer thickness to mining height. The water conservation mining is divided into 3 types，i. e. nature water conservation mining，controllable water conservation mining and special water conservation mining，which provide scientific basis for shallow buried coal seam mining. Key wordsmining engineering；shallow buried coal seam；overburden rock；impermeability；water conversation mining 1 引引 言言 我国西部毛乌苏沙漠边缘地下煤层储量丰富， 仅陕西境内的榆神府煤田含煤面积约 2.7104 km2， 总储量约 2.41011 t，被列为世界七大煤田之一[1]。 目前，该矿区正在大规模开发，2008 年区内原煤产 量 1.55108 t，并且以每年 2.0107 t 的速度递增。 第 29 卷 增 2 黄庆享. 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 3623 煤层埋深 40～580 m，初期开发的煤层埋深一般在 100～200 m 以内，属于浅埋煤层。开采实践表明， 采动覆岩移动引起隔水层失稳，导致大量的地下水 的流失，对生态造成了严重破坏[2 ，3]。我国学者， 对此进行了不懈的努力。钱鸣高等[4 ，5]于 2003 年提 出了绿色开采，为浅埋煤层可持续开采指明了方向， 其中保水开采是其重要途径之一，2007 年又提出了 科学采矿，强调了提高回收率和保护环境是科学采 矿的重要指标。缪协兴等[6]应用关键层理论，研究 了上行裂隙带内隔水关键层结构稳定性的概念模 型。杨泽元等[7]对榆神府矿区的地表生态研究表明， 地表植被生长与地下水位埋深密切相关，采动引起 地下水位下降是导致地表生态恶化的主要原因。据 此，王双明等[8]提出，陕北榆神府煤田的保水开采 重点是保护地表生态水位不下降，关键是确保采动 过程中隔水层的隔水性。 榆神府煤田的煤层覆岩由基岩和黏土层组成， 共同构成隔水岩组[9]。掌握采动顶板裂隙发育规律， 研究隔水岩组的稳定性，根据隔水岩组的稳定性进 行保水开采分类控制，是实现榆神府煤田可持续发 展的科学途径。本文以榆神府矿区浅埋煤层地层条 件为工程背景，采用应力–应变全程相似和水理性 相似技术，通过固液耦合模拟揭示浅埋煤层采动覆 岩裂隙发育规律，确定了上行裂隙和下行裂隙的计 算方法，提出了以下行裂隙和上行裂隙为主要指标 的隔水层稳定性判据，建立了榆神府矿区浅埋煤层 保水开采的分类方法，为浅埋煤层保水开采提供了 科学依据。 2 榆神府矿区煤层赋存特征榆神府矿区煤层赋存特征 榆神府矿区的可采煤层和局部可采煤层有 12 层，全区储量最大的主采煤层是 2–2 煤层，位于 煤系顶部，煤层倾角近水平。根据组合形态，将煤 层覆岩划分为 3 类[8] 1 沙层–土层–风化层–基岩层，占全区的 65，主要分布于榆神矿区； 2 沙层–风化层–基岩层，占全区的 20， 主要分布于神北矿区； 3 土层–风化层–基岩层，占全区的 15， 主要分布于新民区。 其中，沙层包括风积沙及萨拉乌苏组，厚度一般 在 10 m 以内，含有潜水，水位埋深为 0.90～9.27 m， 是矿区主要含水层，该含水层的潜水是地表植被赖 以生存和人民生活用水的宝贵水源；土层指离石黄 土及三趾马红土，厚度一般为 20～80 m，是良好的 隔水层；风化层指基岩顶面风化带，厚度一般为 20～25 m，为弱含水层；基岩层为主采煤层上覆未 风化基岩，主要由砂岩构成，厚度变化较大，一般 为 30～380 m，与土层共同构成隔水岩组。 3 采动覆岩裂隙发育规律与隔水性采动覆岩裂隙发育规律与隔水性 3.1 采动覆岩裂隙与隔水性 采动覆岩裂隙与隔水性 在考虑黏土隔水层应力应变全程相似和水理性 相似条件下[10]，针对榆神矿区榆树湾煤矿[11]、海湾 煤矿 3井和大砭窑煤矿的煤层开采开展了模拟试 验。试验研究表明，上覆岩土体的采动裂隙主要由 上行裂隙与下行裂隙构成。上行裂隙由采动后顶板 自下而上的垮落和离层下沉形成，该裂隙带就是通 常所说的导水裂隙带见图 1a。下行裂隙则是由 于地层下沉运动在地层表面产生张拉作用而形成的 向下发育的张拉裂隙见图 1b。 a 裂隙带未贯通时隔水层稳定 b 裂隙带导通隔水层失稳 图 1 采动覆岩上行裂隙带和下行裂隙带 Fig.1 Upward crack zone and downward crack zone of overburden rocks induced by mining 上行裂隙与下行裂隙在隔水层内的导通性决定 着隔水岩组的稳定性，简称隔水性。如果上行裂隙 含水层下行裂隙带 上行裂隙带 隔水层 煤层 含水层下行裂隙带 隔水层 上行裂隙带 煤层 3624 岩石力学与工程学报 2010年 带与下行裂隙带导通，则隔水性失稳，潜水将流入 采空区。反之，则隔水性稳定见图 2。通过合理的 方法控制上行裂隙带发育高度，或降低下行裂缝带 的发育深度，可以提高隔水层的隔水性。 a 上行裂隙和下行裂隙未导通隔水层 b 上行裂隙和下行裂隙带穿透隔水层 图 2 采动覆岩上行裂隙带和下行裂隙带模型照 Fig.2 Photographs of model of upward crack zone and downward crack zone of overburden rocks induced by mining 3.2 上行裂隙带发育高度 上行裂隙带发育高度 1 单一煤层开采 上行裂隙带发育高度的确定可以借鉴导水裂隙 带的计算方法。由浅埋煤层隔水层位移规律的物理 模拟实验[12]可知，上行裂隙发育最充分的区域对应 于工作面煤壁后部的最大下沉区，该区域拥有最大 下沉梯度和曲率。这与前苏联学者格维尔茨曼[13]根 据大量实例的研究结论一致，他得出全部跨落法采 煤时导水裂隙带顶部岩层的极限曲率KΓ与导水裂 隙带高度 T H的关系为 0 Γ 22 T03 7.25 cotcot q m K Hδϕ 1 式中 0 q为岩层最大下沉系数，m为采高， 0 δ为极 限角， 3 ϕ为充分采动角。 根据实践经验， 0 q和 03 cotcotδϕ数值变化幅 度不大，一般分别取0.7和1.1，则式1可以简化为 T 2 m H KΓ ≈ 2 由此得出，导水裂隙带高度与采高成正比，与 裂隙带顶部岩层的极限曲率成反比。从式2可知， 如果上行裂隙带顶部岩层的极限曲率越大，即岩层 的柔性越大，导水裂隙带发育越小。 我国对裂隙带高度研究认为，缓倾斜煤层开采 导水裂隙带的高度与采高近似呈正比关系，表现 为软弱顶板为 8～12 倍采高，中硬岩层为 12～18 倍采高，坚硬岩层为 18～28 倍采高[14]。根据大量 的模拟研究和实测验证，得出榆神府矿区部分矿井 覆岩冒落带、 裂隙带和弯曲下沉带 3 带高度， 其中， 前 2 带的高度见表 1。表 1 中大柳塔 1203～海湾 3 井无弯曲下沉带，榆树湾有一定高度的弯曲下沉 带，陕北浅埋煤层导水裂隙带发育高度一般为 18～ 28 倍采高。 表 1 浅埋煤层覆岩 2 带高度 Table 2 Heights of two zones of overburden rocks in shallow- buried coal seam 矿井名称 采高/m 基岩 厚度/m 高度/m 裂隙带高度为 采高的倍数 冒落带 裂隙带 大柳塔 1203 4.0 42 9 ＞42 ＞10 大砭窑煤矿 3.0 38 5 ＞38 ＞12 活鸡兔 21201 3.5 66 6 75 ＞21 海湾 3井 3.3 53 5 70 ＞21 榆树湾 5.0 120 12 90 18 2 分层开采 根据柴里、梅河、淮南等矿区的实测[14]，在分 层重复采动时，随采高的增加导水裂隙带高度增加 的幅度却越来越小。等厚度的第 2，3 和 4 分层开采 的导水裂隙带高度增量分别为 1/6，1/12 和 1/20。 第一分层的开采导致的导水裂隙带高度最大，保水 采煤时第一分层采高不宜过大。采用分层限高开采 可以降低导水裂隙带的总高度。 3.3 下行裂隙深度及弥合性下行裂隙深度及弥合性 1 下行裂隙的深度 采动地层弯曲下沉将导致地表下沉岩土层的 上表存在张拉区，产生自上而下的下行裂隙见 图 3。地表最大的下行裂隙缝一般位于采空区边 界内侧，呈 O 形环绕。随着工作面的推进，环状下 行裂隙将按照一定的距离周期性出现，并随着新裂 隙的出现而具有回转闭合的趋势，裂隙的宽度和深 度与采深、采高、顶板管理方法、土层性质及其厚 度有关。根据国内外实测研究[15]，对于塑性大的粉 质黏土，拉伸变形值一般超过 6～10 mm/m 时才产 生裂隙；塑性小的砂质黏土，拉伸变形达到 2～3 mm/m 时就产生裂隙。 第 29 卷 增 2 黄庆享. 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 3625 注图中数字表示时间年月日，底部位于时间右侧的直线表示该日期 工作面煤壁位置 a 哈拉沟 02201 工作面地表环状下行裂缝 b 大柳塔 12609 工作面地表下行裂缝 图 3 采动地表裂缝 Fig.3 Surface cracks induced by mining 采动地表的下行裂隙一般为楔形，上口大，越 往深处宽度越小，在一定深度处尖灭。根据大量的 槽探实测结果表明，地表冲积层较厚时，下行裂隙 深度一般在 10m 以内就会尖灭， 一般情况下裂隙延 伸深度不超过 2 倍的采高。如果采用放顶煤开采或 基岩直接出露地表时，地表下行裂缝深度可达数十 米[15]。因此，降低采高，有利于隔水层稳定。 由模拟试验结果可知，按照榆神矿区常采用的 采高为 5 m 进行开采时，有土层的地表下行裂隙的 发育深度可达 20 m，去除地表沙土层厚度10 m，深 入隔水层的裂隙深度为 10 m，约为 2 倍采高[16]。张 拉裂缝深度可以采用实测、模拟实验和数值计算的 方法进行确定。 2 下行裂隙的弥合性 通过固液耦合相似模拟发现，潜水顺裂隙下渗 过程中，由于黏土遇水软化和膨胀作用，下行裂隙 出现了“裂隙弥合”现象，实测裂隙弥合度约30， 如图 4 所示。 在隔水层失稳前，裂隙内的水向土体渗透，导 致裂隙两侧土体膨胀，当膨胀量大于隙宽时，就出 现裂隙弥合，下行裂隙弥合判据为 a 下行裂隙 b 下行裂隙弥合 30 图 4 模型中下行裂隙遇水弥合 Fig.4 Closure of downward crack in model Te0 Te0 2 2 k tB k tB δ Δ δ ⎧ ⎨ ⎩ ≥ ＜ 3 式中Δ为裂隙膨胀量m， T k 为渗透系数m/d， e δ 为有侧限膨胀率，t 为裂隙遇水弥合的当量时间 d， 0 B 为隙宽m。 根据测试，黄土和红土的渗透系数分别为 0.856， 0.434 m/d， 其膨胀率分别为 16.1和 14.6。 根据对土的渗透性实测和模拟研究[17 ，18]，密实土强 夯 600 Nm的最大渗透深度可达 1.1 m。按此计算 黄土和红土的渗透时间分别为 1.3 和 2.5 d，则得到 黄土和红土的弥合宽度分别为 35 和 32 cm。 4 隔水岩组的采动隔水性与保水开采 分类 隔水岩组的采动隔水性与保水开采 分类 4.1 采动隔水性判据采动隔水性判据 上行裂隙和下行裂隙未贯通时，如果具有一定 的安全隔离厚度，就不会透水。根据相关规程[17]， 采动后最小安全隔水层厚度达到 3 倍采高土层隔 水层或 5 倍采高基岩隔水层时，认为可以达到工 程安全需要。因此，可以用采动后的有效隔水岩组 厚度与采高的比值即隔采比，记为 Gc作为隔水性 指标。 则基于隔采比不同隔水层岩组保持隔水性稳 定的判据为 csx / /3GHMHHM≥ 土层隔水层 4a 20041214 20041216 20041217 20041218 20041219 20041221 20041223 20041225 20050104 20050115 20050116 20050117 20041225 地表裂缝 20041227 地表裂缝 20050117 地表裂缝 20041223 地表裂缝 20041221 地表裂缝 3626 岩石力学与工程学报 2010年 csx / /5GHMHHM≥ 基岩隔水层 4b 式中H为隔水岩组的厚度m； s H， x H分别为上 行裂隙带高度和下行裂隙带深度m；M为采高m。 根据研究，榆神府矿区维系地表植被的合理生 态水位为1.5～5.0 m。如果隔水岩组受到破坏，地 表潜水将渗漏到采空区。根据大柳塔双沟泉域开采 区的监测结果，1993年后相继开采了1203，1205， 1207长壁工作面，采动后双沟泉流量逐年下降， 2002年断流。到2007年，历经10多年也仅恢复到 原来流量的20左右[18]。因此，陕北生态脆弱矿区 的保水开采必须以保护生态水位为原则，其判别的 准则就是确保采动后隔水岩组的隔水性。 4.2 保水开采分类 保水开采分类 覆岩隔水岩组的厚度和组成不同，以及采出煤 层的厚度不同，使得保水开采的难度不同。根据隔 采比指标对保水开采进行分类，有利于从宏观上确 定对应的开采方法。根据煤层的覆存条件，按照不 同的保水开采类型， 对矿区进行保水开采分区规划， 进行保水开采分类分区管理，对促进陕北生态脆弱 矿区保水开采的实施，具有十分重要的理论和实践 意义。 1 自然保水开采类 采用一次采全高长壁开采方法，隔水层位于弯 曲下沉带。隔水层的隔水性稳定，可以实现自然保 水开采，这类开采条件称为自然保水开采类。 榆神府矿区基岩的导水裂隙带高度一般为 18～28倍采高，即18～28M，取上限28M；下行 裂隙深度取2倍采高，即2M，代入式4a，4b， 则自然保水开采的条件为 c G≥2823～5 33～35 5 由式5可知，当黏土隔水层具有3倍以上采高 时，隔水岩组厚度超过33倍采高就可实现自然保 开采。若黏土隔水层厚度达不到3倍采高，隔水岩 组厚度需大于35倍采高，才能实现自然保水开采。 根据神木北部矿区厚煤层的厚度为10 m左右， 按照一次采高限高为5 m，则基岩隔水层组的厚度 必须大于175 m。如果采用放顶煤一次采全厚10 m， 则基岩隔水层组的厚度必须大于350 m。显然，大 多数条件不满足，不能采用放顶煤开采方式。 2 特殊保水开采类 如果隔水岩组很薄，采动后隔水层完全处于冒 落带或裂隙带，采动将导致隔水层完全破坏，需要 采取充填开采等特殊开采方式实现保水开采，在没 有合理的开采方式之前应当限制开采，称为特殊保 水开采类。 陕北榆神府煤田的煤层覆岩一般属于中硬～ 坚硬顶板，为了工程安全取其上限，按照坚硬顶板 考虑，则导水裂隙带发育高度将达到18～28倍采高。 当隔水岩组的厚度小于18倍采高时， 采用长壁全部 垮落法开采，上行导水裂隙带将突破隔水岩组，即特 殊保水开采的条件是 c G≤18。如果采高为3或5 m， 则隔水岩组厚度小于54或 90 m的区域， 属于特殊 保水开采区。 3 可控保水开采 当隔水岩组厚度介于18～35倍采高时，上行 裂隙带不会导通隔水岩组，隔水岩组的隔水稳定性 处于安全～临界安全状态。此类条件的区域，通过 限高分层开采或协调开采等适当方式，可以降低上 行导水裂隙带高度和下行裂隙带深度，加上合理利 用裂缝弥合性，就可以实现高效保水开采，此类条 件的区域称为可控保水开采区。 如果按照采高3 m计算，隔水岩组厚度为54～ 105 m属于可控保水开采类；采高为5 m时，隔水 岩组厚度处于90～175 m榆神府矿区的大部分区域 属于此类。榆树湾煤矿采用限高5.5 m，分层开采 11 m厚的煤层，取得了保水开采的成功[19]。 需要说明的是上述分类只是宏观分类。应根据 具体岩层和开采条件，采用物理模拟和理论分析， 确定合理的裂隙带发育高度，细化保水开采分类。 5 结结 论论 1 榆神府矿区煤层覆岩采动裂隙主要分为岩 层垮落与离层下沉形成的上行裂隙带和地表岩土层 下沉拉伸区自上而下发育的下行裂隙带。 2 上行裂隙带和下行裂隙带在隔水岩组内的 导通性决定着隔水岩组的隔水性，其主要影响因素 是采高和隔水岩组的组成及其厚度。隔水岩组与采 高之比，即隔采比 c G是衡量覆岩隔水岩组隔水性的 主要指标。 3 提出了以确保隔水岩组隔水性为目标的保 水开采分类判据。根据隔采比指标，将保水开采分 为自然保水开采、特殊保水开采保水限采和可控 保水开采3类。隔采比大于35，属于自然保水开采 类；隔采比小于18，属于特殊保水开采类；隔采比 第 29 卷 增 2 黄庆享. 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 3627 介于18～35，属于可控保水开采类。 4 上行裂隙的发育高度和下行裂隙的发育深 度都与采高成正比，限高开采可以控制采动裂隙带 的发育，提高隔水层的稳定性。黏土的遇水软化和 膨胀特性，将导致裂隙弥合现象，充分利用下行裂隙 的“弥合性” ，对提高隔水层稳定性具有重要意义。 参考文献参考文献References [1] 王双明. 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