不整合地層下開采防水煤柱合理寬度的研究

曹秋菊，王金安，紀洪廣

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

1 概述

富含水的不整合地層與煤系地層呈角度不整合接觸[1]時，為防止煤層開采產(chǎn)生的導水裂隙帶在側面與含水層連通，需留設一定寬度的防水煤柱。目前，水體下采煤防水煤柱的確定方法，國內外沒有統(tǒng)一的規(guī)定，主要方法有[2-6]：①理論計算或經(jīng)驗公式計算法；②數(shù)值模擬方法；③相似模擬實驗法等。

無論采用何種方法，導水裂隙帶高度[7-8]是確定防水煤柱寬度的關鍵。目前，對于導水裂隙帶高度的研究，主要是將定性模型分析與數(shù)值模擬、物理模擬、現(xiàn)場測試方法相結合。

根據(jù)防水煤柱的空間展布及功能，可歸納為縱向(即垂向)防水煤柱和橫向防水煤柱兩種基本類型[9]。前者主要是指水體下采煤時，為防止水砂潰入而留設的一定高度的煤巖層，后者則是為防止斷層水或與斷層溝通的各種水源的潰入而留設的一定寬度的煤巖層。對于縱向防水煤柱的留設，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[10](下面簡稱《規(guī)程》)中有明確的計算公式，而對于橫向防水煤柱的留設卻沒有涉及。

本研究采用UDEC2D數(shù)值模擬方法，對按經(jīng)驗值留設的橫向防水煤柱寬度下，覆巖導水裂隙帶的發(fā)育形態(tài)和高度進行了計算和分析。模擬結果表明，需考慮覆巖導水裂隙帶在工作面?zhèn)让娣较蚝拓Q直方向兩種途徑與富含水的第四系連通。在側面方向上，本研究假設工作面兩側導水裂隙帶的形狀為半圓弧，對《規(guī)程》中豎向防水煤柱的經(jīng)驗公式進行修正，提出不整合地層下開采橫向防水煤柱留設寬度的計算公式；在豎直方向上，通過調整工作面開采寬度達到控制導水裂隙帶高度的目的。本研究提出的橫向防水煤柱的計算公式，為不整合地層或斷層下煤層開采時防水煤柱的留設提供了依據(jù)。

2 工程概況

石嘴山礦區(qū)西翼采區(qū)位于石嘴山礦區(qū)向斜西北翼，井田走向長4.5km，傾向寬0.7km。該區(qū)水文地質條件復雜，第三系地層局部受沖刷侵蝕作用而缺失形成地層不整合展布[11-12]。巨厚的第四系接受銀川平原沖積層水和賀蘭山基巖裂隙水的補給，水量豐富，達3000 L/(s·m)。第四系含水層直接覆蓋在煤系地層之上，治水難度極大。3#煤層為石嘴山礦區(qū)西翼采區(qū)主要可采煤層，3#煤層傾角為10°，平均采深388m，平均采厚為7.66m。第四系巨厚沉積物與煤系地層呈角度不整合接觸，不整合面與3#煤層的夾角為34°。

3 數(shù)值模擬

UDEC2D軟件把節(jié)理巖體看成是由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，廣泛應用于復雜節(jié)理巖體的穩(wěn)定性分析。采用UDEC2D數(shù)值模擬方法，沿煤層走向建立平面應變力學模型。預留防水煤柱寬度取經(jīng)驗值150m，工作面長度150m，間隔煤柱寬度20m。

工作面開采后，覆巖導水裂隙帶的分布形態(tài)比較符合兩邊高中間低的“馬鞍形”，覆巖裂隙在采空區(qū)內部閉合，在兩端頭附近較為發(fā)育。因此，工作面兩端頭是防治工作面涌水的重點。采動過程中的裂隙場及裂隙發(fā)育特征具體如下：

1)1#工作面開采后，采空區(qū)上方出現(xiàn)未完全發(fā)育的新生裂隙場，新生裂隙帶高度約為40m。新生裂隙帶內以橫向裂隙為主，3煤上方20m內出現(xiàn)少量縱向裂隙，橫縱裂隙并未相互貫通，還不足以形成3煤上方覆巖中的導水通道。

2)2#工作面開采后，裂隙場繼續(xù)發(fā)育，裂隙場范圍和密度增大。采空區(qū)裂隙有逐漸壓實閉合趨勢。兩個工作面上方的導水裂隙帶連成一體，外輪廓呈西高東低的馬鞍形。覆巖裂隙發(fā)育高度約為50m。

3)3#工作面開采后，采空區(qū)裂隙逐漸壓實閉合。由于硬巖層內裂隙不易閉合，軟巖層內裂隙相對容易閉合，不同性質巖層內裂隙分布的疏密程度不同。由于軟硬巖層沉降不均而出現(xiàn)少量離層。覆巖裂隙發(fā)育高度約為60m。

4)4#工作面開采后，覆巖裂隙發(fā)育高度約為70m。隨工作面推進，采空區(qū)壓實，軟巖層內裂隙閉合，在工作面兩端頭處裂隙較發(fā)育，覆巖裂隙場經(jīng)歷了“產(chǎn)生—發(fā)展—閉合穩(wěn)定”的發(fā)展變化過程。

靠近不整合面的西側，導水裂隙帶高度發(fā)育較大，主要是由于不整合面兩側巖土體性質的差異，導致不整合面出現(xiàn)“應力屏蔽”[12]現(xiàn)象。不整合面下側煤系地層出現(xiàn)應力集中和局部化特征，造成覆巖破壞程度加劇；另外，首采工作面對地層初次擾動較大，其上覆各巖層有很大的地應力釋放，覆巖破壞高度相對較大。

由于第四系是直接覆蓋于煤系地層之上，且與煤層呈34°的夾角，第四系的水可能通過兩種途徑進入采空區(qū)：

1)導水裂隙帶在工作面兩側有一定的發(fā)育高度，且明顯向不整合面處延伸，很可能在側面方向與第四系連通。留設合理寬度的防水煤柱，可以使開采后導水裂隙帶不在側面方向上與第四系含水層連通。而數(shù)值模擬中留設的經(jīng)驗值150 m略小，3#和4#工作面開采以后，導水裂隙帶的邊緣已經(jīng)與不整合面接觸。所以需計算防水煤柱的留設寬度，使第四系的水不通過側面進入采空區(qū)。

2)第四系的水可能通過工作面正上方的導水裂隙帶進入采空區(qū)。由于導水裂隙帶發(fā)育高度與工作面采寬呈非線性比例關系，因此可以通過調整工作面的采寬，達到控制導水裂隙帶發(fā)育高度的目的。

4 防水煤柱寬度的計算

4.1 縱向防水煤柱高度計算

國家煤炭工業(yè)局制定的《規(guī)程》中規(guī)定：如果松散含水層為強或中等含水層，且直接與基巖接觸，而基巖風化帶亦含水時，防水煤柱的設計如圖1所示，防水煤柱垂高Hsh應滿足式(1)：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

(1)

式中，Hsh為防水煤柱的垂高，m；Hli為導水裂隙帶高度，m；Hb為保護層厚度，m；Hfe為基巖風化帶深度，m。

圖1 縱向防水煤柱計算簡圖

4.2 橫向防水煤柱寬度計算

本研究中富含水層主要在不整合面一側的第四系中，不整合面與3#煤層夾角為34°，煤層傾角為10°，如圖2所示。計算防水煤柱寬度時，應保證煤層開采產(chǎn)生的導水裂隙帶不在側面與含水層連通。富含水層與煤系地層呈角度不整合接觸時，需要考慮與不整合面垂直的方向上導水裂隙帶的發(fā)育情況，因為此方向是工作面開采后與含水層距離最近而且容易最先發(fā)生導水的位置。

通過對數(shù)十種地質、水文地質及采煤技術條件下的上百個工作面的覆巖破壞狀況進行了現(xiàn)場測定，所獲得緩傾斜煤層(煤層傾角為0°～35°)覆巖破壞的基本形態(tài)為基本對稱的“馬鞍形”[10]。工作面兩側的導水裂隙帶接近半圓弧。因此，本研究中假設工作面兩側導水裂隙帶的形狀為半圓弧。根據(jù)覆巖特征和物理力學參數(shù)，圖2中工作面上方導水裂隙帶的高度Hli，按中硬覆巖的導水裂隙帶最大發(fā)育高度計算公式：

(2)

(3)

計算，并取兩式結果的最大值。式中，∑M為累計采厚，m，取7.66 m。

設煤層與不整合面的夾角為α，煤層傾角為β，則與不整合面垂直方向上導水裂隙帶的長度Hli為：

Hli=Hli· cosγ

(4)

式中，γ=α-β。

圖2 橫向防水煤柱計算簡圖

根據(jù)圖3所示的幾何關系，防水煤柱寬度Lf為

(5)

圖3 導水裂隙帶長度計算示意圖

式中，α為開采煤層與不整合面的夾角，(°)，取34°；β為開采煤層傾角，(°)，取10°；Hb為保護層厚度，m，Hb=3A，A為煤層采厚，m，A取7.66 m；Hfe為基巖風化帶深度，m，取10 m；Hli為工作面上方導水裂隙帶的高度，m。

由式(2)和式(3)計算得：Hli=65 m。

由式(5)計算防水煤柱的寬度Lf≥163 m。

式(5)僅適用于(α-β)<90°，且煤層傾角β為0°～35°的情況。(α-β)>90°時，不整合面與水平方向的夾角大于90°，式(5)已不適用。β為36°～90°時，導水裂隙帶與開采煤層接觸部位會延伸至開采工作面移位一定距離處，已不適于在開采邊界上方導水裂隙為半圓弧的假設。

5 工作面推進長度與導水裂隙帶高度的關系

根據(jù)傾向和走向開采相似模擬試驗結果(圖3)，導水裂隙帶高度隨工作面的推進呈非線性比例關系。工作面推進長度超過120 m后，由于覆巖破壞范圍和開采空間擴大，覆巖導水裂隙帶高度迅速增加。導水裂隙帶高度發(fā)展到最大值以后，隨時間的增長逐漸穩(wěn)定甚至有所降低。綜合沿走向平面和傾向平面開采相似模擬試驗結果，采用多項式函數(shù)擬合，得到頂板導水裂隙帶發(fā)育高度h

隨工作面開采長度l的關系式：

h=-9×10-5l3+0.0402l2-5.2104l+221.63 (相關系數(shù)為0.9847)

(6)

根據(jù)圖2所示的幾何關系，當Lf=163 m時，煤層頂板與不整合面豎直方向上的距離為88 m。根據(jù)式(6)，當開采寬度為150 m時，導水裂隙帶發(fā)育高度為60 m<88 m。所以，防水煤柱留設寬度下，工作面正上方的導水裂隙帶不會與第四系連通。

6 結論

1)UDEC2D數(shù)值模擬結果表明，第四系的水可能通過兩種途徑進入采空區(qū)：①導水裂隙帶在工作面兩側有一定的發(fā)育高度，且明顯向不整合面處延伸，很可能在側面方向與第四系連通；②第四系的水可能通過工作面正上方的導水裂隙帶進入采空區(qū)。

2)對于緩傾斜煤層(煤層傾角為0°～90°)和不整合面與水平方向的夾角小于90°的情況，假設工作面兩側導水裂隙帶為半圓弧，通過計算與不整合面垂直方向上導水裂隙帶允許發(fā)育的長度，推導出橫向防水煤柱留設寬度的計算公式。留設的防水煤柱，可以預防含水層的水從側面進入采空區(qū)。本研究提出的橫向防水煤柱的計算公式，為不整合地層或斷層下煤層開采時防水煤柱的留設提供了依據(jù)。由橫向防水煤柱計算公式分析得出，影響不整合面下防水煤柱留設寬度的主要因素有：煤層厚度、不整合面與煤層的夾角、煤層傾角、覆巖硬度、煤層埋深等。導水裂隙帶發(fā)育高度，是確定防水煤柱寬度的主要因素。

3)工作面推進長度和導水裂隙帶發(fā)育高度呈非線性比例關系?？梢酝ㄟ^調整工作面推進長度，達到控制導水裂隙帶發(fā)育高度的目的，從而可以避免和預防導水裂隙帶在豎直方向上與富含水的第四系連通。

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