淺埋煤層保水開采隔水巖組隔水性判據(jù)研究

淺埋煤層保水開采隔水巖組隔水性判據(jù)研究

中國西部毛烏蘇沙漠邊緣的神福煤炭儲量豐富，陜西省儲量2.4%10%。神府煤田的煤水地質特征是“水在上,煤在下”,煤層覆巖由基巖和黏土層組成,共同構成隔水巖組筆者以神府礦區(qū)淺埋煤層地層條件為工程背景,采用應力應變?nèi)滔嗨坪退硇韵嗨乒桃厚詈夏M技術1金融層及基巖層神府礦區(qū)可采煤層和局部可采煤層12層,全區(qū)儲量最大的主采煤層是2(1)沙層-土層-風化層-基巖層類型,約占全區(qū)的65%,主要分布于榆神礦區(qū);(2)沙層-風化層-基巖層類型,占全區(qū)的20%,主要分布于神北礦區(qū);(3)土層-風化層-基巖層類型,占全區(qū)的15%,主要分布于新民區(qū)。其中,沙層包括風積沙及薩拉烏蘇組,厚度一般在10m以內(nèi)。沙土層含有潛水,水位埋深為0.9~9.27m,是礦區(qū)主要含水層,該含水層的潛水是地表植被賴以生存和人民生活用水的寶貴水源;土層指離石黃土及三趾馬紅土,厚度一般20~80m,是良好的隔水層;風化層指基巖頂面風化帶,一般厚度20~25m,為弱含水層;基巖層為主采煤層上覆未風化基巖,主要由砂巖構成,厚度變化較大,一般為30~380m,與土層共同構成隔水巖組。2巖脈滑動破壞規(guī)律及儲水區(qū)2.1采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律在考慮黏土隔水層應力應變?nèi)滔嗨坪退硇韵嗨茥l件下,針對榆神礦區(qū)榆樹灣煤礦、海灣煤礦三號井和大砭窯煤礦的開展了隔水層穩(wěn)定性模擬實驗。研究表明,上覆巖土體的采動導水裂隙主要由“上行裂隙”與“下行裂隙”構成?！吧闲辛严丁庇刹蓜雍箜敯遄韵露系目迓浜碗x層下沉形成,主要在開采邊界形成較集中的裂隙,裂隙發(fā)育高度較大,呈“馬鞍形”分布,即通常所說的導水裂隙帶?！跋滦辛严丁眲t是由隔水巖組下沉作用而產(chǎn)生的,自上而下發(fā)育的張拉裂隙。最大的“下行裂隙”也發(fā)生于開采邊界的上部,與最大上行裂隙位置相對應,如圖1所示。當煤層埋深較大時,“下行裂隙”的作用不明顯,隔水巖組主要受“上行裂隙”影響。對于淺埋煤層而言,由于隔水巖組較薄,“下行裂隙”的影響比較顯著,分析隔水層穩(wěn)定性時必須考慮。“上行裂隙帶”與“下行裂隙帶”在隔水層內(nèi)的導通性決定著隔水巖組的隔水穩(wěn)定性,簡稱隔水性。如果“上行裂隙帶”與“下行裂隙帶”導通,隔水巖組的隔水性喪失,上覆含水層或地表潛水將潰入采空區(qū),導致礦井水害或地表水流失。反之,則隔水性穩(wěn)定(圖2)。通過采用合理開采方法,控制“上行裂隙帶”發(fā)育高度或降低“下行裂隙帶”發(fā)育深度,使隔水巖組保持隔水性,就可實現(xiàn)保水開采。2.2采高、導水裂隙帶高度(1)單一煤層開采。上行裂隙帶發(fā)育高度的確定可以借鑒導水裂隙帶高度計算方法。根據(jù)淺埋煤層隔水層穩(wěn)定性相似模擬實驗,“上行裂隙”發(fā)育最高的區(qū)域是工作面煤壁上方的隔水巖組最大下沉區(qū),該區(qū)域擁有最大下沉梯度和曲率。這與前蘇聯(lián)學者格維爾茨曼其中,K由此得出,導水裂隙帶高度與采高成正比,與裂隙帶頂部隔水巖組的極限曲率成反比。上行裂隙帶頂部隔水巖組的極限曲率越大,即隔水巖組的柔性越大,導水裂隙帶發(fā)育越小。我國對裂隙帶高度實測研究認為,緩傾斜煤層開采導水裂隙帶的高度與采高近似呈正比關系,軟弱頂板時為8~12倍采高,中硬巖層為12~18倍采高,堅硬巖層為18~28倍采高(2)分層開采。根據(jù)柴里、梅河、淮南等礦區(qū)的實測2.3下降間隙發(fā)育深度(1)地表下行裂隙特征工作面開采后,隔水巖組彎曲下沉將導致地表(或隔水巖組的上表面)出現(xiàn)張拉,產(chǎn)生向下發(fā)育的下行裂隙(圖3)。地表最大下行裂隙一般位于采空區(qū)邊界內(nèi)側,呈“O”形環(huán)繞。隨著工作面的推進,環(huán)狀下行裂隙將按照一定的距離周期性出現(xiàn),并隨著新裂隙的出現(xiàn)而回轉閉合。裂隙的寬度和深度與采深、采高、頂板管理方法、土層性質及其厚度有關。采動地表的下行裂隙一般為楔形,上口大,越往深處寬度越小,在表土層一定深度處尖滅。(2)地表下行裂隙深度對于神府礦區(qū)而言,隔水巖組由基巖層、風化層、黏土層組成,“下行裂隙帶”的發(fā)育深度與隔水巖組厚度、性質、采高等參數(shù)有關。模擬實驗研究發(fā)現(xiàn),如果采用放頂煤開采或基巖直接出露地表時,地表下行裂縫深度可達數(shù)十米。因此,降低一次采高,有利于隔水層穩(wěn)定。根據(jù)榆樹灣煤礦厚煤層開采(地層條件見表2)和海灣三號井多煤層開采的物理模擬,采高5m時,有土層的地表下行裂隙可達20m,去除地表沙土層厚度10m,深入隔水巖組的裂隙深度達到10m,約為2倍采高。榆樹灣煤礦采用5.5m分層大采高開采,降低了一次開采厚度,保障了隔水巖組的隔水性,實現(xiàn)了安全、高效、保水開采。(3)下沉梯度t式榆樹灣煤礦地表巖移實測得出,工作面后方存在主要下沉區(qū),即圖4中煤壁后方80m范圍內(nèi)的區(qū)間。該區(qū)間約為覆巖厚度的1/2,該區(qū)間內(nèi)下行裂隙最發(fā)育。檸條塔煤礦地表實測也得到這種規(guī)律。將下沉曲線中單位寬度上的下沉量稱為下沉梯度T式中,w為最大下沉量,m;r為曲率半徑,m?？梢?通過控制頂板運動,增大沉降區(qū)寬度,可以降低下沉梯度,減緩導水裂隙的產(chǎn)生。(4)“下行裂隙”深度的確定根據(jù)力學原理可知,隔水巖梁拉應變超過極限拉應變ε如圖5所示,在裂隙尖部邊緣取微元,設間距為dx的兩個截面在變形后繞中性軸相對旋轉了dθ,ρ為隔水巖組中性層曲率半徑,bb應變?yōu)樵O“下行裂隙”深度為h根據(jù)實際應用中,由于下行裂隙計算公式中許多參數(shù)難以確定,一般采用物理模擬和數(shù)值計算確定。3基于送水的泄漏率3.1隔水巖組厚度當隔水巖組內(nèi)“上行裂隙”和“下行裂隙”未貫通時,如果還存在一定厚度的有效隔水層,就不會透水。根據(jù)規(guī)程式中,H為隔水巖組厚度,m。根據(jù)研究,神府礦區(qū)維系地表植被的合理生態(tài)水位為1.5~5.0m3.2自然保水開采覆巖隔水巖組的厚度、性質和采高不同,隔水巖組的穩(wěn)定性不同。根據(jù)隔采比指標對保水開采進行分類,有利于從宏觀上確立對應的開采方法。(1)自然保水開采類。采用一次采全高長壁開采方法,隔水巖組位于彎曲下沉帶并保持隔水性,稱為自然保水開采類。神府礦區(qū)基巖的導水裂隙帶高度一般為18~28倍采高,取上限28倍;下行裂隙深度取2倍采高,代入式(4),則神府礦區(qū)自然保水開采的條件為即,有效隔水巖組為黏土層(或基巖)時,隔水巖組總厚度超過33(或35)倍采高才能實現(xiàn)自然保水開采。對于神府礦區(qū)厚度為10m的厚煤層,如果采用放頂煤開采,則隔水巖組厚度必須大于330~350m才能實現(xiàn)自然保水開采。顯然,大部分工作面不能滿足自然保水開采條件。(2)限高保水開采類。當隔水巖組厚度介于18~33倍采高時,上行裂隙一般不會導通隔水巖組,隔水巖組的隔水性處于安全~臨界安全狀態(tài)。此類區(qū)域,可以通過限制一次采高的分層開采或協(xié)調(diào)開采等方式,控制裂隙帶發(fā)育高度,實現(xiàn)保水開采,稱為限高保水開采類。如果按照采高3m計算,隔水巖組厚度為54~99m屬于限高保水開采類;采高為5m時,隔水巖組厚度處于90~165m。神府礦區(qū)的大部分區(qū)域屬于此類。榆樹灣煤礦采用限高5.5m分層開采11m厚的煤層,取得了保水開采的成功。(3)特殊保水開采類。如果隔水巖組很薄,采動后隔水巖組完全處于垮落帶或裂隙帶,采動將導致隔水巖組完全破壞,需要采取充填開采等特殊開采方式實現(xiàn)保水開采,稱為特殊保水開采類。陜北神府煤田的煤層覆巖一般屬于中硬—堅硬頂板,為了工程安全取其上限,按照堅硬的板考慮,則導水裂隙帶發(fā)育高度將超過18倍采高。采用長壁全部垮落法開采,采高為3~5m時,隔水巖組厚度小于54~90m的區(qū)域,屬于特殊保水開采區(qū)。對于此類區(qū)域,可采用采空區(qū)條帶充填,實現(xiàn)保水開采。根據(jù)研究,對于神府礦區(qū)特殊保水開采條件,充填20%左右可實現(xiàn)75%左右的地表減沉效果。關于條帶充填保水開采的隔水巖組穩(wěn)定性判據(jù)及具體充填參數(shù)確定,見文獻4隔水巖組隔水性判據(jù)(1)淺埋煤層工作面開采后,頂板隔水巖組的隔水性主要受“上行裂隙”和“下行裂隙”影響。上行裂隙為自下而上發(fā)育的導水裂隙,下行裂隙為隔水巖組上表面產(chǎn)生的自上而下發(fā)育的拉伸裂隙。最大的上行裂隙和下行裂隙都位于開采邊界附近。(2)“上行裂隙帶”和“下行裂隙帶”在隔水巖組內(nèi)的導通性決定著隔水性,其主要影響因素是采高、隔水巖組的厚度和性質。隔水巖組與采高之比,即隔采比,是隔水巖組隔水性的主要指標。(3)隔水巖組的“上行裂隙”發(fā)育高度和“下行裂隙”發(fā)育深度都與采高成正比,合理限制一次采高可以控制裂隙帶發(fā)育高度,提高隔水巖組穩(wěn)定性