余學(xué)義,張冬冬,2,陳 輝,3,穆 馳,2
(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054;3.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系,陜西 咸陽 712000)
陜北礦區(qū)大規(guī)模開發(fā)以來,為國家經(jīng)濟建設(shè)貢獻了大量的煤炭資源。煤炭資源采出致使地表水體破壞,加劇土地沙漠化,煤炭大規(guī)模開采引起的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。實現(xiàn)陜北礦區(qū)綠色保水開采、環(huán)境友好與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展成為地區(qū)和采礦行業(yè)重大研究課題[1-5]。國外進行保水開采的研究較早,最早可追溯至16世紀(jì)比利時烈日城的地下飲用水源由于開采活動被破壞,責(zé)任者被處以死刑,并規(guī)定地下開采深度必須大于100m。19世紀(jì)以后煤炭資源開采強度加大,主要采煤大國都非常重視采煤對地下水體的影響,由于煤炭開采引起地下水體破壞、地表水體消失、生態(tài)環(huán)境損害,為此美國學(xué)者開始研究開采引起的水資源和環(huán)境破壞問題[6,7]。澳大利亞、波蘭等國家針對煤炭開采引起地下水破壞的問題進行了深入研究[8],為了管理礦區(qū)污水建造地下防滲帷幕進行集中處理。格威爾茲曼通過相似模擬試驗確定覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度[9]。澳大利亞B.霍勃爾瓦依特博士等通過對淺埋煤層覆巖規(guī)律進行研究認(rèn)為,淺埋煤層開采以后采空區(qū)迅速壓實、覆巖出現(xiàn)整體移動的現(xiàn)象[10]。淺埋煤層在國內(nèi)大范圍開采,由于其特殊的覆巖運動特征,引起了國內(nèi)學(xué)者的廣泛研究。范立民認(rèn)為保水開采的核心是保水位,保護隔水層的穩(wěn)定是保水開采的關(guān)鍵,通過保水分區(qū)選用不同的采煤方法,但分區(qū)指標(biāo)選取不明確,實際應(yīng)用仍有困難[11]。黃慶享通過對淺埋煤層上行及下行裂隙發(fā)育規(guī)律的研究認(rèn)為上下行裂隙貫通是隔水層保水的關(guān)鍵,給出隔水層保水開采判據(jù),同時對榆神礦區(qū)開采條件不同進行指標(biāo)分類[12]。李亮、王新偉等提出旺格維利采煤法、房柱式采煤法、巷式開采充填法等開采方法,取得了較好的實踐效果,但采出率低、經(jīng)濟效益不高[13,14]。趙兵朝、余學(xué)義通過關(guān)鍵層理論判斷關(guān)鍵層穩(wěn)定性,引入廣義損傷因子建立了保水開采識別系統(tǒng),能夠很好解釋覆巖運動規(guī)律,與現(xiàn)場實測相吻合[15]。本文以王家溝煤礦地表含水層保水開采為背景,采用理論計算和相似模擬試驗相結(jié)合的方法,研究采動導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律,提出了留煤柱限高開采的方式,保護地下含水層不受采動損害。探索保水開采新思路,為陜北礦區(qū)綠色保水開采技術(shù)提供理論依據(jù)。
王家溝煤礦位于陜北榆神礦區(qū),為厚基巖薄松散層淺埋煤層??刹擅簩訛?、4、5煤層,5煤平均開采厚度為4.6m,工作面長度200m,平均埋深98m。煤層頂板以粉砂巖為主,巖層堅硬致密,屬中硬巖層,厚度可達60m。地表為風(fēng)積沙松散層,為薩拉烏蘇組潛水含水層,地下水大量賦存其中,厚度20m。松散層底部有10m紅土,包含大量的蒙脫石等黏土礦物,是良好的天然隔水層。5煤頂板柱狀圖如圖1所示。
圖1 地層綜合柱狀圖
煤層開采之后原始應(yīng)力破壞,覆巖發(fā)生移動變形,向內(nèi)部深處延伸,直至發(fā)育至地表。根據(jù)覆巖移動變形最終形態(tài)可分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。若覆巖中存在厚而堅硬的控制性巖層即關(guān)鍵層,由于其對上覆巖層的控制作用,能夠有效的控制頂板的破斷失穩(wěn),進而抑制頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。只要導(dǎo)水裂隙帶位于隔水層之下或裂隙不發(fā)育至隔水層頂端便能實現(xiàn)保水開采。王家溝煤礦頂板覆巖以粉砂巖為主,存在關(guān)鍵層。運用關(guān)鍵層理論對巖層進行分層判別,認(rèn)為王家溝煤礦覆巖存在兩層關(guān)鍵層,亞關(guān)鍵層在下,主關(guān)鍵層在上。亞關(guān)鍵層位于直接頂之上,厚17m;主關(guān)鍵層位于紅土之下,厚24m。
由于采高較大煤層開采以后,形成巨大離層空間,頂板在上覆巖層載荷作用下冒落失穩(wěn)。亞關(guān)鍵層亦隨后破斷失穩(wěn),只能在其上位巖層形成“鉸接巖梁結(jié)構(gòu)”控制局部巖層移動。隨著開采尺寸逐漸增大,亞關(guān)鍵層逐步垮落,穩(wěn)定后處于裂隙帶,無法控制上覆巖層運動。隨著巖體移動變形向上傳遞,主關(guān)鍵層下位巖層與亞關(guān)鍵層同步運動。但由于巖體的碎脹以及“鉸接巖梁結(jié)構(gòu)”的支撐作用,致使離層空間逐漸減小。由于各巖層巖性及結(jié)構(gòu)差異,在發(fā)生彎曲變形時撓度不同,巖層極限撓度小于巖層下部離層空間時巖體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力容易破斷,反之發(fā)生撓曲變形但依然連續(xù),形成彎曲下沉帶。結(jié)合研究區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征,彎曲下沉帶極有可能位于主關(guān)鍵層位置,因此主關(guān)鍵層的穩(wěn)定性決定了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。
根據(jù)彈性薄板小撓度理論[16,17],對頂板中可能出現(xiàn)離層的巖層,建立薄板撓曲變形坐標(biāo)系如圖2所示,則該均布荷載巖層的撓曲面微分方程需滿足四邊固支板邊界條件。
圖2 薄板撓曲變形坐標(biāo)系
巖板任意一點撓度[18]為:
式中,w(x,y)為任一點撓度,m;w0為關(guān)鍵層極限跨距時最大撓度,m;D為薄板的撓曲剛度,kN·m;b為工作面開采長度,m;a為工作面走向開采長度,m;q為巖層承受上部均布荷載,kPa 。
經(jīng)過計算王家溝煤礦關(guān)鍵層最大撓度(下沉)為0.62m,受到采動影響易變形破斷。為了保障關(guān)鍵層穩(wěn)定性,必須控制上覆巖層的運動,致使關(guān)鍵層位置離層空間小于關(guān)鍵層極限撓度。
根據(jù)采場頂板垮落規(guī)律,頂板懸空到一定長度必然發(fā)生斷裂。故構(gòu)建“圍巖-采場”協(xié)調(diào)開采力學(xué)模型,利用協(xié)調(diào)開采原理,限高開采留設(shè)部分煤柱,支撐上覆巖體。協(xié)調(diào)開采力學(xué)模型如圖3 所示,走向長度由AB減小至CD,極限跨距LCD 依據(jù)協(xié)調(diào)開采原理,1502工作面采用限高留煤柱開采方法,協(xié)調(diào)開采示意圖如圖4所示。在工作面走向方向留設(shè)煤柱,協(xié)調(diào)減小關(guān)鍵層撓曲變形及關(guān)鍵層的極限跨距,確保關(guān)鍵層的穩(wěn)定。因此留設(shè)煤柱高度需滿足: h柱>m-w0-(KS-1)hk (3) 基于王家溝煤礦開采地質(zhì)條件及覆巖力學(xué)參數(shù): h柱>4.6-0.62-(1.15-1)× 圖3 協(xié)調(diào)開采力學(xué)模型 圖4 協(xié)調(diào)開采示意圖(m) 借鑒現(xiàn)有研究成果[5],工作面正常采高4.6m,留設(shè)煤柱高度取2m,煤柱上方限高開采高度為2.6m,留設(shè)30m煤柱,煤柱間距70m,工作面開采時,直接頂隨釆隨落,圍巖壓力向深處轉(zhuǎn)移至協(xié)調(diào)煤柱,作為新的支撐點,邊界煤柱支撐壓力轉(zhuǎn)移至兩個梯形帶煤柱上。煤柱的支撐作用可減小覆巖破壞程度和范圍,減小主關(guān)鍵層下部巖層變形形成的離層空間,主關(guān)鍵層和隔水層發(fā)生彎曲下沉?xí)r未達到極限撓度,關(guān)鍵層沒有產(chǎn)生裂隙或發(fā)生破斷,有效地保護關(guān)鍵層穩(wěn)定性。 根據(jù)實驗室條件及工作面實際開采情況,實驗采用長5m,高1.8m,寬0.2m的模型架,模型比例為1∶100。實驗所采用相似材料骨料為河沙,輔料為水、大白粉和石膏,相似材料配方配比見表1。實驗?zāi)P筒捎脤Ρ鹊姆绞秸归_研究,模型劃分為1501、1502兩個工作面,工作面之間留設(shè)30m煤柱。1501工作面長度200m,采高4.6m,采用一次采全高開采方法;1502工作面長度170m,正常采高4.6m,留煤柱限高開采時采高2.6m。開采模擬實際進尺,留煤柱開采時填充木條模擬留設(shè)煤柱。 表1 相似材料配方配比 1)1501工作面開采過程中亞關(guān)鍵層未破斷前,亞關(guān)鍵層控制著上覆巖層的運動,上覆巖層無離層現(xiàn)象;隨著開采的進行,亞-主關(guān)鍵層依次破斷失穩(wěn),導(dǎo)水裂隙高度逐漸增大,直至地表出現(xiàn)大面積下沉;至回采結(jié)束冒落帶高度45m,導(dǎo)水裂隙帶高度94m,導(dǎo)水裂隙最終形態(tài)為“馬鞍形”,如圖5所示。覆巖整體向下運動,覆巖呈冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶兩帶分布,地表出現(xiàn)明顯下沉盆地,盆地中心達3.3m。通過實驗可知,導(dǎo)水裂隙高度呈間歇式變速增大,關(guān)鍵層能夠很好的抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育,關(guān)鍵層的穩(wěn)定性決定著隔水層的穩(wěn)定,隨著關(guān)鍵層失穩(wěn),導(dǎo)水裂隙帶貫穿整個隔水層,導(dǎo)致水體與裂隙貫通,進入采空區(qū)。因此一次采全高致使關(guān)鍵層失穩(wěn),破壞薩拉烏蘇組含水層水體,導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度與工作面開采寬度的關(guān)系如圖6(a)所示。 圖5 覆巖冒落帶發(fā)育高度 2)1502工作面開采過程中,覆巖經(jīng)歷了與1501工作面相同的過程,但由于煤柱的支撐作用,壓力顯現(xiàn)及巖體破斷程度減小。直至回采結(jié)束,關(guān)鍵層發(fā)生彎曲下沉,上覆松散層同步運動,裂隙發(fā)育至關(guān)鍵層內(nèi)部閉合。最終冒落帶高度35m,最大導(dǎo)水裂隙帶高度60m,位于關(guān)鍵層中上部,未與隔水層貫通,最終形態(tài)為中間高兩邊低的“拱形”。覆巖呈現(xiàn)“三帶”分布,地表下沉較為平緩,最大下沉值為1.8m,覆巖冒落帶發(fā)育高度如圖5所示。實驗表明,限高留煤柱開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育曲線較一次采全高平緩,導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度與開采寬度的關(guān)系曲線如圖6(b)所示,由圖6(b)可知煤柱能夠有效的控制主關(guān)鍵層運動,有協(xié)調(diào)主關(guān)鍵層的撓曲變形作用,保證主關(guān)鍵層的穩(wěn)定,從而抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育,使隔水層整體下沉未產(chǎn)生導(dǎo)通裂隙,達到保護含水層的目的。 圖6 導(dǎo)水裂隙最大高度與開采尺寸的關(guān)系曲線 1)王家溝煤礦一次采全高開采時,兩層關(guān)鍵層全部破斷,導(dǎo)水裂隙帶可達94m,穿過隔水層,致使地表含水層水體破壞;限高協(xié)調(diào)開采時主關(guān)鍵層未破斷失穩(wěn),導(dǎo)水裂隙帶高度僅為60m,位于主關(guān)鍵層中上部,不與隔水層導(dǎo)通,實現(xiàn)了保水開采的目的。 2)一次采全高導(dǎo)水裂隙發(fā)育隨關(guān)鍵層破斷呈間歇式變速增大,發(fā)育曲線陡峭,導(dǎo)水裂隙帶最終為“馬鞍形”;限高協(xié)調(diào)開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育較為平緩,最終形態(tài)為“拱形”。 3)限高留煤柱協(xié)調(diào)開采方式,利用煤柱控制協(xié)調(diào)主關(guān)鍵層的撓曲變形,保證主關(guān)鍵層處于穩(wěn)定狀態(tài),有效的抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育,降低導(dǎo)水裂隙帶高度。3 物理相似材料模擬實驗
3.1 實驗方案
3.2 試驗結(jié)果分析
4 結(jié) 論