分析工程地質(zhì)模型在防水煤巖柱研究中的應(yīng)用

才永軍,趙曉明

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,長春 130021）

對(duì)于工程地質(zhì)來說，它在煤礦的設(shè)計(jì)、建井以及實(shí)際進(jìn)行開采過程中都具有極為重要的位置。然而，對(duì)于煤田地質(zhì)以及工程地質(zhì)勘探的豐富資料卻經(jīng)常表現(xiàn)出使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)人員加以利用，所以嚴(yán)重制約了煤礦工程項(xiàng)目地質(zhì)成果的使用，為了避免上述情況的繼續(xù)發(fā)生，提出了工程地質(zhì)模型概念，并且在實(shí)際工作中得到應(yīng)用，有效緩解了過去的被動(dòng)局面。

1 工程地質(zhì)模型以及煤炭工程地質(zhì)模型的構(gòu)成

對(duì)于工程地質(zhì)模型，其主要包含工程地質(zhì)單元、水文地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、巖體構(gòu)造及不良地質(zhì)現(xiàn)象等地質(zhì)環(huán)境及其涵蓋工程條件在內(nèi)的綜合類模型。而對(duì)于煤礦工程地質(zhì)模型來說，其可以按照工程應(yīng)用進(jìn)行分類，諸如開采工程地質(zhì)模型和巷道工程地質(zhì)模型等等；另一方面，也可以按照模型的研究深淺程度以及進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行分類，具體可分為預(yù)測模型、過程模型以及結(jié)果模型三大類。工程地質(zhì)模型能夠使用較多的數(shù)字化或者圖表形式進(jìn)行體現(xiàn)。能夠依據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行設(shè)立二維或者三維模型。

2 工程地質(zhì)模型的實(shí)際應(yīng)用

近幾年來，相關(guān)工作者應(yīng)用了工程地質(zhì)方法及原理在山東省的礦區(qū)開始了提升煤礦資源開采上限的探究并獲得了初步的成功，現(xiàn)將結(jié)合山東省橫河煤礦區(qū)的例子進(jìn)行敘述。

橫河煤礦區(qū)地處山東省袞州市煤田鮑店礦的西南部，井田占地大約11.3km2，平緩的厚松散層下山西組傾角，3號(hào)煤層平均厚度約9m，地質(zhì)儲(chǔ)量多達(dá)31Mt。起初設(shè)計(jì)留設(shè)的防水煤巖柱是64m至84m之間，可提供的采儲(chǔ)量只占地質(zhì)總儲(chǔ)量的13%左右。因而，科學(xué)而合理地留設(shè)防水煤巖柱直接關(guān)系到礦區(qū)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

2.1 橫河煤礦工程項(xiàng)目的地質(zhì)預(yù)測模型

橫河煤礦工程項(xiàng)目的地質(zhì)預(yù)測模型具體包含：（1）每個(gè)重要工程地質(zhì)模型的力學(xué)特性以及結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)等；（2）特殊的含水層、隔水層的水文地質(zhì)特點(diǎn)；（3）原巖應(yīng)力場；（4）具體開采的辦法是預(yù)采頂分層后滑移頂梁液壓支架放頂煤開采，一般情況下，頂分層是2.2m，底分層同樣是2.2m，放頂煤是4.6m，整體垮落法進(jìn)行管理頂板。

2.2 橫河煤礦工程項(xiàng)目的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其采動(dòng)效應(yīng)

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)作為預(yù)測模型的關(guān)鍵構(gòu)成要素，因而，在建模過程中應(yīng)當(dāng)著重分析和采礦相關(guān)的底部含水層和上下兩面的分化層、隔水層、頂板含水層的特點(diǎn)及其他們互相間的水力關(guān)聯(lián)性。

橫河煤礦區(qū)含水層及隔水層的水文地質(zhì)特點(diǎn)：（1）中組主要多層粘土和砂質(zhì)粘土占主要部分，且分布較為穩(wěn)定；而粘土質(zhì)沙層含水性較微弱，且含量一般不具穩(wěn)定性。因此，此組通常情況下是隔水層組，可以發(fā)揮出阻隔上、下含水層組的水力關(guān)聯(lián)性作用；（2）厚松散層的底部比較常規(guī)含有底粘土層，它將發(fā)揮出阻隔松散層底部的含水層以及基巖風(fēng)化帶水力關(guān)聯(lián)的作用；（3）基于煤礦礦井開采排水使得底部含水層的水位出現(xiàn)顯著性降低趨勢，自上個(gè)世紀(jì)90年代開始進(jìn)行對(duì)次針對(duì)底部含水層抽水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，水位的降低已經(jīng)達(dá)到大約80m；（4）3號(hào)煤頂板砂巖以及基巖風(fēng)化帶同屬微弱的含水層帶。

2.3 覆巖應(yīng)力及其破壞的采動(dòng)效應(yīng)

首先，覆巖的應(yīng)力分布情況。它依照最大及最小主應(yīng)力的關(guān)系以及特性能夠具體分為雙向應(yīng)力區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)以及雙向壓應(yīng)力區(qū)三種。其中，雙向拉應(yīng)力區(qū)通常處于采空區(qū)上方的ET8到ET9，煤柱上方ET6到ET3內(nèi)，拉應(yīng)力區(qū)處于上山方位較大面積之中以及風(fēng)化帶巖層之中。和其它四種分層采礦進(jìn)行比較，雙向拉應(yīng)力區(qū)在采空區(qū)上方以及煤柱的上方正曲率區(qū)巖層內(nèi)的散布面積較大。

其次，覆巖破壞。和上述情況相對(duì)應(yīng)，覆巖破壞的情況在放頂煤過后，其采空區(qū)上方的雙向拉應(yīng)力區(qū)中ET8到ET6的巖層出現(xiàn)了拉張破壞的現(xiàn)象，另一方面采空區(qū)的邊緣地帶在拉壓應(yīng)力影響之下逐漸形成了拉破壞區(qū)以及剪破壞區(qū)，這使得巖層垮落充填采空區(qū)，冒落帶的高度可以達(dá)到29.8m。煤柱上方的雙向拉應(yīng)力區(qū)巖層出現(xiàn)連續(xù)性的拉張破壞現(xiàn)象，且和拉張裂縫及冒落帶巖層形成貫通，促使形成了導(dǎo)水裂縫帶。伴隨著采礦上限值的增高，強(qiáng)風(fēng)化帶的軟弱巖體將出現(xiàn)抑制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)展，在上山的方位大約發(fā)育到50m。下表為預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度值和實(shí)際測量高度值的比較。

表1 預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度值和實(shí)際測量高度值的比較

2.4 關(guān)于工程地質(zhì)的綜合性評(píng)價(jià)

關(guān)于工程地質(zhì)的綜合性評(píng)價(jià)就是在工程地質(zhì)模型的每個(gè)構(gòu)成的部分、預(yù)測結(jié)構(gòu)以及采動(dòng)效應(yīng)探究基礎(chǔ)之上，綜合性研究經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)要素，從而分析出防水煤巖柱的實(shí)際高度。從上述的分析、探究中我們可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)：

（1）通過3號(hào)煤的上覆巖層工程地質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其物理力學(xué)特性等方面，能夠較為準(zhǔn)確地反映出采礦過后的巖體或土體變形以及機(jī)理破壞程度。直接頂板ET8，煤層進(jìn)行開采后，垮落填充采空區(qū)。上面的ET7以及ET5相對(duì)容易積累應(yīng)力，逐漸形成裂縫帶，然而基于它的中間存在兩層厚度分別為1.9m、21.8m的泥漿類型，可以再某種程度上緩解覆巖的破壞以及抑制導(dǎo)水的水裂縫帶發(fā)育。

（2）上覆巖土層的水文地質(zhì)構(gòu)成相對(duì)較好，和3號(hào)煤采礦相關(guān)的主要含水層皆是弱含水層。此外，第四系底部的含水層下面含有具備穩(wěn)定性的粘土層，它可以再某種程度上阻隔上含水層、下含水層的水力關(guān)聯(lián)。

以上的留設(shè)防水煤巖柱，已在實(shí)際的橫河煤礦工作管理中成功應(yīng)用，進(jìn)而說明其具有實(shí)踐上的可行性。因而，各地區(qū)也可在結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行靈活的運(yùn)用上述辦法，促進(jìn)采礦業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

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