上限区域浅部煤层保水开采工作面安全推进速度实验研究

张宏忠

(皖北煤电集团公司技术中心，安徽宿州 234000)

0 引言

“保水开采”就是通过选择合理的采煤方法，使采动影响不破坏含水层的含水结构，或虽受到一定损坏，造成部分水流失，但在一定时间内仍可恢复至不影响地表植物生长的最低含水位，并保证水质没有被污染［1～3］。

国内学者在大量现场实测基础上，运用多种方法和手段，对煤层与含水层之间的主要岩层组基本力学特性、裂隙演化规律和载荷传递机理、隔水或导水特征及与开采有关的主要因素之间的关系进行了深入细致的研究，揭示了不同岩层的变形和破坏形式，及顶板破断机理和矿压显现规律，确定了隔水层的保水作用和导水裂隙的可控性［4－7］。

作者以皖北矿区百善煤矿6煤层为研究对象，通过分析浅部煤层保水开采机理(关键层破断岩块的闭合与风化带岩层的隔水作用，可有效阻止上方水体的向下渗流)，确定出保水开采的关键(在不同的自然因素条件下，通过可控因素的控制确保裂隙带不导通含水层或者确保导水裂隙能够闭合与平衡)，并以导水裂隙带高度作为综合指标、选取综合分类指标分析法对保水开采适用条件进行分类，初步得出了浅部煤层保水开采适用条件的分类体系［3，4］，参见表1。

表1 浅部煤层保水开采技术适用条件分类体系

为进一步完善保水开采技术体系，本文依据相关理论和地质、技术条件，对各分类中的开采速度进行详细分析研究，为浅部煤层保水开采技术在厚煤层中的应用提供理论指导。

1 皖北矿区百善煤矿地质概况

百善井田煤系地层为石炭、二叠系，井田含可采煤层两层，6煤层全区可采，结构较简单，煤厚0～5.51 m，平均2.85 m，为较稳定煤层。

井田松散层含水层，平均厚140 m左右。二叠系地层的含水层，主要是52煤层顶板砂岩和6煤层顶底板砂岩裂隙含水层。主要以静储量为主，补给有限，出水时具明显衰减疏干趋势，为富水性较弱含水层。

松散层有三个隔水层。

1)第一隔水层:底板埋深约50 m左右，粘土层厚12～19.8 m，以河漫滩沉积为主，由黄色－灰棕色粘土及砂质粘土组成，其间分布1～2层薄层细砂及粘土质砂层，分布稳定，为区域性稳定的良好隔水层。

2)第二隔水层:底板埋深95 m，厚度4～20 m，由棕红、棕黄色夹灰绿灰白色粘土、砂质粘土组成。层间断续分布1～2层细砂及粘土质砂层，构成上下含水层局部越流条件。

3)第三隔水层:底板埋深135 m左右，厚度0～16.85 m，平均厚度5.67 m，主要由粘土、砂质粘土夹砾石组成。其下段发育1－2层不稳定的砂层或粘土质砂及砾石，具有较弱含水性和一定的渗透性。

风化带内基岩风化程度很不一致，在井田北部基岩风化带深度为4.5～45.6 m，一般风化深度为15～25 m，平均为22 m，部分地段基岩强风化带为0.41～37 m，平均为15 m左右。在井田南部基岩风化深度多为5～20 m，平均约为18 m，部分地段的基岩强风化带深度为7～15 m。

基岩风化带通常表现为在煤层露头附近风化深度较深，在百善井田盆地中心地段则风化深度较浅。

2 保水开采分类条件中开采速度的确定

基于保水开采的机理，各分类中工作面安全保水开采的推进速度须满足如下条件，推进速度能够确保工作面上覆岩层采后破断的岩块体，在上部含水层水体渗流到采空区之前闭合，可以下式表示和计算:

式中:vm为工作面推进速度，m/d;Lz为关键层初次或周期破断距，m;ts为上部含水层水体渗流时间，d。

2.1 渗流速度

2.1.1 平流、紊流运动定律

一般情况下，水在节理岩石中渗流较小的平流运动服从达西(Darcy)定律［8］，即:

式中:V为渗透水流速;k为渗透系数，取决于岩石的物理特性;I为水头梯度，表示水头单位长度距离的水头损失。

如果水在较大的空隙中运动，或水力坡度较高，则服从紊流运动定律，即:

2.1.2 立方定律

立方定律认为裂隙是由光滑、平直、无限长的平行板构成的，平行板间无充填介质，水流为粘性不可压缩流，且为定常层流。根据流体力学基本原理，通过裂隙面的单宽流量q为:

式中:a为裂隙宽度;γ为液体重度;μ为水流动力粘滞系数;Jf为沿裂隙面方向的水力坡降。

将上式写成达西定律的形式［8］，即:

式中:g为重力加速度。

2.1.3 修正(经验)公式

Nolte［9］经过试验表明，若用机械隙宽am取代裂隙宽度a，则立方定理将不成立;并通过不同正应力作用下的裂隙过流能力试验，建立了如下经验公式:

式中:amax为裂隙最大闭合度;a0为在应力作用下裂隙的压缩值;q0为裂隙产生最大压缩时的基值流量;C为常数。

Nolte的试验采用石英二长岩裂隙，由三个试样得出p值约等于8。

图1 皖北矿区百善煤矿局部水力等值线

因此，根据Nolte的经验公式，可得到如下渗流系数的经验公式［8］:

2.1.4 受开采影响的渗透系数

Louis［10］根据一些钻孔压水试验成果，对岩体渗透系数k与正应力α之间的关系建立了如下经验公式:

式中:k0为初始渗透系数;km为采动影响系数(长壁取:5～10;短壁取:10～15);α为浅部煤层开采修正系数，0.001～0.01;σ为正应力(σ = γh)，MPa;γ为岩石容重，kN/m3;h为深度，m。

根据渗流与应力的耦合关系，对长壁工作面开采后上覆岩层渗透系数进行计算，参见表2。

表2 长壁工作面上覆岩层渗透系数预计

2.1.5 实测资料

根据井田详查地质资料可知，皖北矿区百善煤矿地表松散含水层厚度一般在0～20.0 m之间。潜水面埋深约6.73～10.17 m，水力坡度变化较大，一般在0.12～13.92 m之间，平均约10.0 m，局部水力等值线如图1所示。侏罗系直罗组(J2Z)渗透系数0.0535 m/d，延安组第五段渗透系数0.0253 m/d。

2.1.6 渗透速度预计

根据上述理论分析与实测资料，以紊流运动定律考虑保水开采安全系数ks(取1～5)，将上部基岩及其风化带岩层的渗流速度预计如下，计算结果如表3、4所示。

2.1.7 开采后渗流时间预计

潜水在通过风化带隔水层以后，从裂隙带进入到采空区的过程很短、很快，所以，渗流时间可近似等于穿过风化带岩层和未产生裂隙岩层的时间。根据实测资料可知，目前皖北矿区百善煤矿浅部煤层长壁工作面采高在5～6 m时的裂隙带高度一般在45 m左右，取上覆岩层综合强度45 MPa考虑，依据表4中的渗流速度，对保水开采分类中的潜水渗流时间进行计算，结果参见表5、6。

表3 强含水区域上覆岩层渗流速度计算结果

表4 弱含水区域上覆岩层渗流速度计算结果

表5 弱含水区域渗流时间预计结果

表6 强含水区域渗流时间预计结果

2.2 关键层破断距的计算

2.2.1 初次破断距

根据关键层理论［11］，老顶关键层按照固支梁力学模型计算其初次来压步距的计算公式如下:

式中:q为关键层上载荷及关键层自重;ψ为关键层开挖损伤因子(0.1～0.5，结合数值计算结果取0.4);Rt为关键层有效抗拉强度(σc);Ei为第i层岩层的弹性模量，MPa;hi为第i层岩层的厚度，m;γi为第i层岩层体积力，kN/m3;n为老顶关键层控制的上覆岩层数(与关键层同步变形)。

计算参数参见表7。

表7 老顶关键层来压步距计算参数

当考虑垫层作用后，关键层初次来压步距以下列公式进行计算:

式中xβ以下式计算:

式中:

α为弯距系数，以下式计算:

式中l以下式方程式求得:

k为地基系数，以下式计算:

E0为煤层直接顶岩层的弹性模量;h0为煤层直接顶岩层的厚度;Ii为第i层岩层的惯性距，以下式计算:

2.2.2 周期来压步距

老顶的主要破坏形式为拉破坏，老顶出现超前拉裂隙的位置就是顶板周期性破断的位置，所以，由此确定关键层的周期破断步距。按照弹性地基上的半无限长梁理论，老顶关键层周期来压步距Lz以下列公式进行计算:

式中:lZ为关键层悬伸长度，以下列方程式求解:

式中x1以下式计算:

2.2.3 浅部煤层关键层来压步距计算

由上述公式，选取四种模型(表8)进行计算。

表8 关键层破断距计算的典型模型

根据各岩层相关参数计算得到不同强度、不同厚度关键层的来压(初次、周期)步距，如表9所示。

表9 关键层破断距计算结果

由上表可知，在皖北矿区百善煤矿覆岩强度35 MPa、关键层厚度10～15 m的条件下，关键层周期破断距一般为21～28 m左右，初次破断距50～60 m。

2.3 各分类开采速度的确定

长壁工作面开采速度主要与工作面长度与切割速度有关，短壁工作面开采速度主要与工作面长度、进刀方式、采硐间隔尺寸等因素有关。

根据上述渗流时间与关键层周期破断距的计算，将各分类相应的开采速度计算结果列于表10。

表10 各分类相应开采速度

2.4 以开采速度确定工作面长度范围

为了达到保水开采的目的，不同分类条件下的工作面长度，以下式计算:

式中:Lface——工作面长度，m;twork——工作面每天作业时间;vcut——采煤机切割速度，m/h; dcut——采煤机截深，m;vface——工作面推进速度，m/d。

皖北矿区百善煤矿长壁工作面采煤机切割速度取为480 m/h，截深取为0.86 m;对于短壁工作面而言，连采机进刀速度以7.6 m/min计，另外考虑作业准备时间等，1个小时约回采3～4个采硐，则相当于切割速度15～20 m/h、截深10 m。据此可计算出各分类工作面长度，参见表11。

表11 各分类相应工作面长度与速度

3 结论

基于保水开采的机理和关键，本文提出了以覆岩水体渗流速度决定工作面推进速度，即:工作面推过初次或周期破断距的时间要小于上方水体渗流到工作面的时间。长壁工作面一般为10－15 m/d，保水困难时，须大于25 m/d。

由工作面开采推进速度下限和采煤机切割速度，确定了安全保水开采的工作面长度范围，长壁工作面可以大于300 m，短壁工作面一般不大于100 m。

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