不整合地层下开采防水煤柱合理宽度的研究

曹秋菊，王金安，纪洪广

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

1 概述

富含水的不整合地层与煤系地层呈角度不整合接触[1]时，为防止煤层开采产生的导水裂隙带在侧面与含水层连通，需留设一定宽度的防水煤柱。目前，水体下采煤防水煤柱的确定方法，国内外没有统一的规定，主要方法有[2-6]：①理论计算或经验公式计算法；②数值模拟方法；③相似模拟实验法等。

无论采用何种方法，导水裂隙带高度[7-8]是确定防水煤柱宽度的关键。目前，对于导水裂隙带高度的研究，主要是将定性模型分析与数值模拟、物理模拟、现场测试方法相结合。

根据防水煤柱的空间展布及功能，可归纳为纵向(即垂向)防水煤柱和横向防水煤柱两种基本类型[9]。前者主要是指水体下采煤时，为防止水砂溃入而留设的一定高度的煤岩层，后者则是为防止断层水或与断层沟通的各种水源的溃入而留设的一定宽度的煤岩层。对于纵向防水煤柱的留设，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[10](下面简称《规程》)中有明确的计算公式，而对于横向防水煤柱的留设却没有涉及。

本研究采用UDEC2D数值模拟方法，对按经验值留设的横向防水煤柱宽度下，覆岩导水裂隙带的发育形态和高度进行了计算和分析。模拟结果表明，需考虑覆岩导水裂隙带在工作面侧面方向和竖直方向两种途径与富含水的第四系连通。在侧面方向上，本研究假设工作面两侧导水裂隙带的形状为半圆弧，对《规程》中竖向防水煤柱的经验公式进行修正，提出不整合地层下开采横向防水煤柱留设宽度的计算公式；在竖直方向上，通过调整工作面开采宽度达到控制导水裂隙带高度的目的。本研究提出的横向防水煤柱的计算公式，为不整合地层或断层下煤层开采时防水煤柱的留设提供了依据。

2 工程概况

石嘴山矿区西翼采区位于石嘴山矿区向斜西北翼，井田走向长4.5km，倾向宽0.7km。该区水文地质条件复杂，第三系地层局部受冲刷侵蚀作用而缺失形成地层不整合展布[11-12]。巨厚的第四系接受银川平原冲积层水和贺兰山基岩裂隙水的补给，水量丰富，达3000 L/(s·m)。第四系含水层直接覆盖在煤系地层之上，治水难度极大。3#煤层为石嘴山矿区西翼采区主要可采煤层，3#煤层倾角为10°，平均采深388m，平均采厚为7.66m。第四系巨厚沉积物与煤系地层呈角度不整合接触，不整合面与3#煤层的夹角为34°。

3 数值模拟

UDEC2D软件把节理岩体看成是由离散的岩块和岩块间的节理面组成，广泛应用于复杂节理岩体的稳定性分析。采用UDEC2D数值模拟方法，沿煤层走向建立平面应变力学模型。预留防水煤柱宽度取经验值150m，工作面长度150m，间隔煤柱宽度20m。

工作面开采后，覆岩导水裂隙带的分布形态比较符合两边高中间低的“马鞍形”，覆岩裂隙在采空区内部闭合，在两端头附近较为发育。因此，工作面两端头是防治工作面涌水的重点。采动过程中的裂隙场及裂隙发育特征具体如下：

1)1#工作面开采后，采空区上方出现未完全发育的新生裂隙场，新生裂隙带高度约为40m。新生裂隙带内以横向裂隙为主，3煤上方20m内出现少量纵向裂隙，横纵裂隙并未相互贯通，还不足以形成3煤上方覆岩中的导水通道。

2)2#工作面开采后，裂隙场继续发育，裂隙场范围和密度增大。采空区裂隙有逐渐压实闭合趋势。两个工作面上方的导水裂隙带连成一体，外轮廓呈西高东低的马鞍形。覆岩裂隙发育高度约为50m。

3)3#工作面开采后，采空区裂隙逐渐压实闭合。由于硬岩层内裂隙不易闭合，软岩层内裂隙相对容易闭合，不同性质岩层内裂隙分布的疏密程度不同。由于软硬岩层沉降不均而出现少量离层。覆岩裂隙发育高度约为60m。

4)4#工作面开采后，覆岩裂隙发育高度约为70m。随工作面推进，采空区压实，软岩层内裂隙闭合，在工作面两端头处裂隙较发育，覆岩裂隙场经历了“产生—发展—闭合稳定”的发展变化过程。

靠近不整合面的西侧，导水裂隙带高度发育较大，主要是由于不整合面两侧岩土体性质的差异，导致不整合面出现“应力屏蔽”[12]现象。不整合面下侧煤系地层出现应力集中和局部化特征，造成覆岩破坏程度加剧；另外，首采工作面对地层初次扰动较大，其上覆各岩层有很大的地应力释放，覆岩破坏高度相对较大。

由于第四系是直接覆盖于煤系地层之上，且与煤层呈34°的夹角，第四系的水可能通过两种途径进入采空区：

1)导水裂隙带在工作面两侧有一定的发育高度，且明显向不整合面处延伸，很可能在侧面方向与第四系连通。留设合理宽度的防水煤柱，可以使开采后导水裂隙带不在侧面方向上与第四系含水层连通。而数值模拟中留设的经验值150 m略小，3#和4#工作面开采以后，导水裂隙带的边缘已经与不整合面接触。所以需计算防水煤柱的留设宽度，使第四系的水不通过侧面进入采空区。

2)第四系的水可能通过工作面正上方的导水裂隙带进入采空区。由于导水裂隙带发育高度与工作面采宽呈非线性比例关系，因此可以通过调整工作面的采宽，达到控制导水裂隙带发育高度的目的。

4 防水煤柱宽度的计算

4.1 纵向防水煤柱高度计算

国家煤炭工业局制定的《规程》中规定：如果松散含水层为强或中等含水层，且直接与基岩接触，而基岩风化带亦含水时，防水煤柱的设计如图1所示，防水煤柱垂高Hsh应满足式(1)：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

(1)

式中，Hsh为防水煤柱的垂高，m；Hli为导水裂隙带高度，m；Hb为保护层厚度，m；Hfe为基岩风化带深度，m。

图1 纵向防水煤柱计算简图

4.2 横向防水煤柱宽度计算

本研究中富含水层主要在不整合面一侧的第四系中，不整合面与3#煤层夹角为34°，煤层倾角为10°，如图2所示。计算防水煤柱宽度时，应保证煤层开采产生的导水裂隙带不在侧面与含水层连通。富含水层与煤系地层呈角度不整合接触时，需要考虑与不整合面垂直的方向上导水裂隙带的发育情况，因为此方向是工作面开采后与含水层距离最近而且容易最先发生导水的位置。

通过对数十种地质、水文地质及采煤技术条件下的上百个工作面的覆岩破坏状况进行了现场测定，所获得缓倾斜煤层(煤层倾角为0°～35°)覆岩破坏的基本形态为基本对称的“马鞍形”[10]。工作面两侧的导水裂隙带接近半圆弧。因此，本研究中假设工作面两侧导水裂隙带的形状为半圆弧。根据覆岩特征和物理力学参数，图2中工作面上方导水裂隙带的高度Hli，按中硬覆岩的导水裂隙带最大发育高度计算公式：

(2)

(3)

计算，并取两式结果的最大值。式中，∑M为累计采厚，m，取7.66 m。

设煤层与不整合面的夹角为α，煤层倾角为β，则与不整合面垂直方向上导水裂隙带的长度Hli为：

Hli=Hli· cosγ

(4)

式中，γ=α-β。

图2 横向防水煤柱计算简图

根据图3所示的几何关系，防水煤柱宽度Lf为

(5)

图3 导水裂隙带长度计算示意图

式中，α为开采煤层与不整合面的夹角，(°)，取34°；β为开采煤层倾角，(°)，取10°；Hb为保护层厚度，m，Hb=3A，A为煤层采厚，m，A取7.66 m；Hfe为基岩风化带深度，m，取10 m；Hli为工作面上方导水裂隙带的高度，m。

由式(2)和式(3)计算得：Hli=65 m。

由式(5)计算防水煤柱的宽度Lf≥163 m。

式(5)仅适用于(α-β)<90°，且煤层倾角β为0°～35°的情况。(α-β)>90°时，不整合面与水平方向的夹角大于90°，式(5)已不适用。β为36°～90°时，导水裂隙带与开采煤层接触部位会延伸至开采工作面移位一定距离处，已不适于在开采边界上方导水裂隙为半圆弧的假设。

5 工作面推进长度与导水裂隙带高度的关系

根据倾向和走向开采相似模拟试验结果(图3)，导水裂隙带高度随工作面的推进呈非线性比例关系。工作面推进长度超过120 m后，由于覆岩破坏范围和开采空间扩大，覆岩导水裂隙带高度迅速增加。导水裂隙带高度发展到最大值以后，随时间的增长逐渐稳定甚至有所降低。综合沿走向平面和倾向平面开采相似模拟试验结果，采用多项式函数拟合，得到顶板导水裂隙带发育高度h

随工作面开采长度l的关系式：

h=-9×10-5l3+0.0402l2-5.2104l+221.63 (相关系数为0.9847)

(6)

根据图2所示的几何关系，当Lf=163 m时，煤层顶板与不整合面竖直方向上的距离为88 m。根据式(6)，当开采宽度为150 m时，导水裂隙带发育高度为60 m<88 m。所以，防水煤柱留设宽度下，工作面正上方的导水裂隙带不会与第四系连通。

6 结论

1)UDEC2D数值模拟结果表明，第四系的水可能通过两种途径进入采空区：①导水裂隙带在工作面两侧有一定的发育高度，且明显向不整合面处延伸，很可能在侧面方向与第四系连通；②第四系的水可能通过工作面正上方的导水裂隙带进入采空区。

2)对于缓倾斜煤层(煤层倾角为0°～90°)和不整合面与水平方向的夹角小于90°的情况，假设工作面两侧导水裂隙带为半圆弧，通过计算与不整合面垂直方向上导水裂隙带允许发育的长度，推导出横向防水煤柱留设宽度的计算公式。留设的防水煤柱，可以预防含水层的水从侧面进入采空区。本研究提出的横向防水煤柱的计算公式，为不整合地层或断层下煤层开采时防水煤柱的留设提供了依据。由横向防水煤柱计算公式分析得出，影响不整合面下防水煤柱留设宽度的主要因素有：煤层厚度、不整合面与煤层的夹角、煤层倾角、覆岩硬度、煤层埋深等。导水裂隙带发育高度，是确定防水煤柱宽度的主要因素。

3)工作面推进长度和导水裂隙带发育高度呈非线性比例关系。可以通过调整工作面推进长度，达到控制导水裂隙带发育高度的目的，从而可以避免和预防导水裂隙带在竖直方向上与富含水的第四系连通。

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